產氚堆

即以生產氚為主要目的的反應堆。 通常在反應堆內，利用熱中子與6Li的核反應進行生產。 氚用於製造核武器，可以發生熱核反應 釋放出大量的能量。 用於聚變反應堆則是人類取之不盡的能源。

基本介紹

• 中文名：產氚堆
• 類型：反應堆
• 目的：生產氚
• 套用：重水反應堆

簡介

產氚堆

以生產氚為主要目的的反應堆。能夠大量生產氚的主要反應堆是重水反應堆。石墨水堆、高溫氣冷堆、氣冷石墨堆以及高通量同位素堆也可以生產氚。

自然界幾乎不存在氚(僅為氫的10-18)，必須用人工方法製備。通常在反應堆內，利用熱中子與6Li的核反應進行生產：

63Li+10n→31H(或T)+42He

在堆內生產氚的關鍵是輻照靶件。對靶件的基本要求是鋰—6的濃度要大，不含氫、無其它中子吸收截面大的雜質、輻照性能穩定、易於從輻照過的靶件中將氚分離出來以及不需要處理便可反覆使用和容易加工等。

可用的輻照靶件有氫化鋰、鎂鋰合金和鋁鋰合金。鋁鋰合金具有良好的輻照穩定性，氚的產額和純度都比較高，易於將氚分離出來，因而為多數國家採用。

現代產氚堆

當今氚在聚變方面的套用主要有兩個領域，一是軍用。眾所周知，在核子彈爆炸達到的108℃溫度下，氚可以發生熱核反應，其中主要的是氚氘反應和氫氚反應，反應結果釋放出大量的能量，這就熱核武器的基本原理。21世紀，核武器發展的方向是小型化、高效率，而氚是設計這類核武器的關鍵原料，加氚可以提高裂變武器和熱核彈頭列變板機的當量。二是，聚變反應堆。這是人類取之不盡的能源，是21世紀後50年內最理想的能源，為了實現聚變，氘氚堆首先把氘氚燃料加熱到1億度，而且要把高溫氘氚燃料用容器密閉起來，使溫度不下降，氘氚核不跑脫，從而產生連續的熱核反應。為了進行聚變反應，必須要大量的氚。如一個大型的聚變裝置注入離子源的氚達36萬居里。

影響

氚是生產熱核武器必要的原料，而且氚要自然衰變，因此氚的生產是有核國家維持核武庫以及改進核武器的性能必不可少的條件，有核國家視它為最重要的戰略物資，力求維持其生產。即使在禁產公約中，氚也不被列入禁產範圍。

21世紀，核武器發展的方向是小型化、高效率，而氚是設計這類核武器的關鍵原料，加氚可以提高裂變武器和所有聚變武器中的扳機。助爆裂變武器具有效率高、輕便和威力大的優點，助爆型的裂變武器，其威力一般為幾十萬噸TNT當量，而理論上可接近100萬噸。助爆裂變武器的關鍵組件是組合芯，其中心部位是聚變材料。美國採用的是氘和氚的混合氣體，而且是在裂變反應開始後，用高壓把D—T的混合物注入組合芯中的。

氚有廣泛的民用前途，其主要的民用方向是為聚變堆提供燃料，聚變堆的燃料是氘氚燃料，此外，氚還是制發光材料的一種原料，有著廣泛的套用前景。

技術難點： 產氚堆主要有四種堆型，即重水堆、高溫氣冷堆、石墨水冷堆和研究堆。它們公共的問題是建堆費用昂貴，新建一個重水產氚堆和高溫氣冷大約都需要55億美元。其次環境安全問題，利用反應堆產氚不僅有反應堆的安全問題，而且還涉及到氚的安全問題，這兩方面的安全問題都必須加以認真對待。第三是核不擴散的問題，由於產氚堆多數是用高濃鈾作燃料，這些高濃鈾一旦被轉移出去，很容易用於製造核武器，因此美國主要用低濃鈾作燃料的重水堆來生產氚，但是用低濃鈾作燃料生產氚，使生產氚的能力下降25%，反應堆的基建投資增加近3億元，反應堆的尺寸增加，而且反應堆的運行費用，廢物的處理和處理費用都有很大的增加。

國內外產量概況

生成歷史

自1934年Soddy首次發現氚以來，氚的研究和生產已經有60多年的歷史。對氚的研究和生產可分為兩個階段，在1954年熱核武器的首次試驗之前，人們對氚的研究純屬科學性的，主要研究氚的物理化學性質和測定氚在自然界中的含量。1954年前，人閃發現地球上約有2公斤的天然氚，其中10克存大氣中，13克在地下水中，而其餘的氚大都存海水中。首次熱核爆炸後，人們開始大規模的生產氚，並對氚的各種化合物進行了廣泛的研究，氚不僅用於軍事目的，而且也有廣泛的民用領域。

目前世界上大規模生產氚都是採用在反應堆中輻照天然鋰的辦法。氚的生產包含鋁—鋰靶件的製備，靶件在堆中輻照，從靶件中提取氚，以及氚的純化和濃縮。2H(d,p)H3反應導致了氚的發現，但是由於難以製備能抗大通量的加速器用的產氚靶，此法沒有得到實際套用。在回旋加速器中轟擊鈹靶可以製備大量的氚，氚也可以作為核動力堆的廢物，從載熱劑(D2O)和慢化劑(D2O)中提取。

自50年代初以來，美國已經大規模地生產氚，到1982—84年氚的產量達到最高峰，年產氚約10公斤，而1988年全部關閉了軍用產氚堆，到1990年美國累積產氚約225公斤，而氚的貯量約100公斤。俄羅斯的產氚堆至今還在運行，估計氚的累積產量和貯存量大體與美國相當。據國外估計，英國和法國氚的貯量大約在5公斤左右。當前儘管美、俄正在進行一系列核裁軍談判，但他們沒有全部銷毀核武器，而且還在不斷改進核武器性能，因此氚的生產仍是兩國優先考慮的項目，以改進氚的供應，維持先進核武器系統的有效性。

美國核武器用氚最初是由建在漢福特的輕水冷卻石墨慢化反應堆提供的。表1列出漢福特生產的氚。早已知道，漢福特的8座生產堆在1971年即已全部停運，而氚的生產繼續到1973年，這說明輕水冷卻石墨慢化生產—發電兩用堆也參加了氚的生產。

年 度 產氚量

表：美國漢福特輕水石墨堆生產的氚

年 度 產氚量(g) 年 度 產氚量(g)

1949 15 1962 905

1950 45 1963 998

1951 121 1964 1776

1952 398 1965 857

1953 257 1966 51

1954 770 1967 1096

1955 538 1968 1245

1956 79 1969 135

1957 71 1970 11

1958 109 1971 79

1959 149 1972 0

1960 258 1973 149

1961 447 合計 10600

為了增加氚的供應和保證氚的來源，美國在薩凡納河基地建造了5座以生產氚為主要目的之一的大型重水堆。其中一座(R堆)於1953年末投入運行，其餘四座(P，L，K和C)於1954年—1955年投入生產。關於薩凡納河重水堆的產氚量，美國官方至今仍未公布，表2所列數據是估計得出的2。1964年和1968年美國先後停閉了薩凡納河兩個重水堆(R堆和L堆)，氚的產量大幅度下降，1965年—1981年，美國年產氚約3公斤。1982年開始，里根政府實施擴大核武器積累計畫，重新啟動薩凡納河L堆，氚的產量大幅度增加，80年代初，美國年產氚約為10公斤。據Cochran等估計，美國到1984年大約累計生產了190公斤氚，而1985年—88年間它生產了35公斤氚，總共生產了225公斤氚。1988年，美國停止了所有的生產堆，從此，美國停止了大規模地生產氚。由於氚每年要衰變掉5.5%，因此美國氚的儲備量少於生產積累量。估計美國氚的儲備量在100公斤左右，此數小於原先計畫的儲備量，而大體上與美國現有核武器所需的氚量相當。據報導，美國現有中子彈約400顆，核彈頭約20000個，如果按每箇中子彈需要氚15克和每個核彈頭需要氚4克計算，則美國裝備這些核武器需氚約90公斤。由於氚每年衰變減少5.5%，氫如要維持這些核武器每年需要補充6公斤的氚，但自1988年8月以來，美國的產氚堆一直沒有運行，因此氚的供應發生了短缺。為了克服氚的短缺，美國採取了一些措施，包括短期措施與長期措施。

生產量和庫存量

表：　薩凡納河工廠氚的釋放量和以此估計的生產量及庫存量

生 產 量 和 庫 存 量

F 和H 分離區 根據釋放量估計 高 低

年份 例行釋放的氚 年度產量 庫存量 年度產量庫存量 年度產量 庫存量

kCi kg kg kg kg kg kg

1955 20 0.2 0.2 1.00 1.0 0.5 0.5

1956 420 4.9 4.9 2.45 3.3 7.35 7.6

1957 1120 12.8 17.1 3.65 6.7 15.51 22.3

1958 2250 25.7 41.2 4.20 10.4 28.35 48.6

1959 820 9.4 48.0 5.80 15.5 10.15 55.8

1960 645 7.4 52.6 6.25 20.7 10.94 63.4

1961 654 7.5 57.0 6.54 25.8 11.29 70.9

1962 736 8.4 62.0 6.35 30.6 11.11 77.9

1963 736 8.4 66.8 6.30 35.0 11.02 84.3

1964 963 11.0 73.9 6.45 39.4 12.18 91.6

1965 311 3.6 73.3 4.25 41.4 2.13 88.6

1966 301 3.4 72.6 4.40 43.4 2.20 85.9

1967 308 3.5 72.1 5.20 46.1 2.60 83.7

1968 411 4.7 72.7 4.95 48.4 4.95 84.0

1969 272 3.1 71.8 3.50 49.1 3.50 82.8

1970 246 2.8 70.6 3.00 49.4 3.00 81.2

1971 379 4.3 70.9 2.85 49.4 2.85 79.5

1972 530 6.1 73.0 3.50 50.1 10.21 85.1

1973 312 3.6 72.4 3.77 51.1 3.77 84.1

1974 189* 2.2 70.6 3.82 52.0 3.82 83.2

1975 143* 1.6 68.3 2.82 51.9 2.82 81.4

1976 125 1.4 66.0 4.05 53.0 4.05 80.9

1977 192 2.2 64.5 2.62 52.6 2.62 79.0

1978 192 2.2 63.1 2.42 52.1 2.42 77.0

1979 180 2.1 61.7 2.38 51.6 2.38 75.2

1980 200 2.3 60.5 2.90 51.6 2.90 73.9

1981 231 2.6 59.8 2.76 51.4 2.76 72.5

1982 257 10.8 67.0 10.79 59.1 10.79 79.1

1983 407 10.2 73.2 10.21 65.8 10.21 84.7

1984 10.2 79.2 10.21 72.2 10.21 90.0

合計 178.6 139.3 208.6

* 不包括11974年5月2日事故釋放的470000居里和1975年12月31日事故釋放的182000居里。

短期措施主要對庫存氚進行有效管理，具體辦法是：

①拆除核子彈，回收氚，重新製造；

②加速陳舊核武器的退役；

③減少某些核彈頭的威力；

④放慢一些新核彈頭的部署；

⑤延長氚存核彈頭組合芯的存放時間；

⑥從國外購買氚；

⑦減少出售氚的量。

長期措施

產氚堆的氚生產或建造新的產氚設施。80年代末，美國考慮了許多產氚的長期方案，這些方案包括：

①建造新的產氚堆，曾考慮了9種堆型，後來集中在新建重水堆和高溫氣冷堆的兩種堆型，兩種新建堆的建造費用大約各需要55億美元。

②修復薩凡納河重水堆(K堆)，為了修復薩凡納河K堆，使之備用，每年的總費約2億美元。

③用加速器生產氚，加速器產氚在技術上可行的，而且放射性廢物產生少、安全和環境保護問題易於解決，但投資高，建一台大型加速器多氚，投資約50億美元。

④利用研究堆產氚。美國可以用來生產氚的研究堆很多(表3)。但最有前途的是快中子通量試驗堆。用它來生產氚，每年運行費用約為8800萬美元，最大和最佳產氚量 為分別為1.8公斤和0.5公斤/年。

表：美國熱功率30兆瓦以上研究堆的核材料生產能力

熱功率， 燃 料 堆的時 產氚量,最 產鈽量，最 運行費

堆 名 兆瓦 235U的 類型 間利用 大—最佳，大—最佳， 用*美元

豐度，% 率，% 公斤/年 公斤/年 /年

快中子 400 12%240Pu 氧化物芯塊 75 1.8—0.5 140—44 8800萬

能量試

驗裝置(FFTF)

先進試驗堆 25 93 Al/U金屬 70 0.7—0.04 55—1.6 1900萬

(ATR)

工程試驗堆 175 93 Al/U金屬 90 0.6—0.18 49—7.1 820萬

(ETR)

高通量同位素 100 93 Al/U金屬 94 0.4—0.17 29—6.7 470萬

反應堆(HFIR)

高通量束反應 40 93 U3O8—Al 80 0.1—0.02 10—1.0 270萬

應堆(HFBR) 金屬陶瓷芯塊

橡樹嶺研究反30 93 U3O8—Al 85 0.1—0.03 8—1.2 180萬

應堆(ORR) 金屬陶瓷芯塊

總 計 995 — — — 3.7—0.9 291—61.6 —

* 1994年美元值。

⑤利用商業核電站產氚。

各國情況

美國

1995年12月6日，美國能源部頒布了雙軌途徑生產氚的計畫，首先是利用核電站來生產氚，其次是設計、建造新的產氚加速器。薩凡納河工廠計畫建造一個加速器來生產氚，根據最近國會預算辦公室的估計，建造一個加速器來生產氚，1997—2010年內要花67.2億美元，而利用核電站生產氚的費用為23.5億美元。前者要到2011年才能提供氚，可後者在2005年就可以提供氚。如果馬上需要氚，美國能源部考慮用漢福特工廠的高通量試驗堆(FFTF)來生產氚。

能源部最近與田納西流域管理局(TVA)簽定了一個契約，將利用瓦茲·巴爾核電站作生產氚的試驗。美國核管會已批准了這個試驗計畫。

對兩個方案生產氚的1998年計畫，能源部申請的預算是1.84億美元為運行費用，2.08億美元為改造費用，但這個計畫需經議會批准，而且還是對1954年的原子能法作修改，允許民用核設施生產軍用氚。

最近國會預算辦公室估計，如果用核電站生產氚就可以減少核武庫管理計畫的費用，即到2002年減少19億美元，到2010年減少54億美元。1997年6月25日，眾議院通過了1998年的國防當局提出的修正議案，即同意1998年為氚的生產提供1.84億美元的運行費用和2.08億美元的生產設施改建費用。1997年7月15日和7月25日眾、參兩院分別批准了這個預算案。1997年9月15日美國核管會也批准了用核電站試驗生產氚的方案。

前蘇聯

前蘇聯產氚情況不詳，據西方估計，在車里雅賓斯克—65有兩座輕水慢化的反應堆專門生產氚，其中一座最初是重水堆，後來改為輕水冷卻的。重水堆1950—1951年投入運行，功率最初為850 MWt，後來提高到1000 MWt，輕水堆1970年投入運行，功率為1000 MWt。估計這兩個堆到80年代中期約生產12噸當量的鈽，按生產1克氚可生產72克鈽折算，氚的累計生產量約170公斤。據西方估計，這二座產氚堆日前還在運行，日前年產氚約6.9公斤，而70年代約7.3公斤/年。到1994年俄羅斯氚的貯備量(扣去衰變數)約100公斤。

英國

英國氚生產的情況不清，一部分氚由查佩爾克羅斯石墨氣冷堆生產，另一部分是從美國進口的，按照1958年美—英共同防禦協定，英國用鈽換取美國的高濃鈾與氚。到1990年英國累計產鈽約4.1噸，如果按10%比例產氚，則英國氚的累計生產量約6公斤。年補充量約300克氚。

法國

法國主要的利用塞萊斯廷1號、2號重水堆產氚，其產量不詳。到1990年法國鈽的累計生產量為5—8.2噸，武器級鈽貯量為6噸，法國現有核彈頭500個，其氚的累計產量估計約為8公斤，年補充量約為400克。