氚管理

氚是 D-T 核聚变燃料的一方，是放射性的氢同位素。本页将从直觉到研究前沿，依次介绍氚是什么样的核素、为什么处理时需要格外小心，以及为了安全地封存和计量它人们采用了哪些巧思。这是让核聚变”安全成立”的工程核心主题之一。

先建立直觉（高中水平）

氚是氢的同类（同位素）。普通的氢（氕）只有 1 个质子，而氚是 1 个质子加上 2 个中子的重氢，符号写作 T 或 $^3\mathrm{H}$ ，也称为三重氢（tritium）。

氚本身并不稳定，会随时间一点点衰变。这种”衰变”现象是会放出射线的过程，氚以 12.3 年的半衰期发生贝塔衰变（beta decay）。所谓半衰期，是指一定量的氚恰好衰变掉一半所需的时间。过了 12.3 年减为一半，再过 12.3 年又减为其中的一半（原来的四分之一）。衰变之后会变成氦 3 这种稳定的物质。

这里重要的是，氚放出的贝塔射线（高速电子）能量非常低。低到什么程度呢？低到一张纸或皮肤表面就能把它挡住。也就是说，即使从身体外部照射到氚，射线也无法到达体内，外照射几乎不成问题。

那为什么还需要小心呢？那是在把氚摄入体内的情况下。一旦吞食或吸入进入体内，即使是微弱的贝塔射线也会从身体内侧持续打在细胞上。而且氚是氢，一旦变成水（氚水）的形态，就容易混入我们身体的水分中，与身体融为一体。所以氚管理的口号是”比起从外部照射，更要防止进入体内”。

另一个麻烦之处在于，氢是非常小而轻的元素，即使是金属壁也会一点点穿过（透过）。就像空气会从气球里慢慢漏出一样，氚也会试图穿过容器和管道的壁。所以并不是”只要装进箱子里就安心”，而是需要特别的巧思来封存它。

用物理来理解（本科水平）

氚的衰变是下面的贝塔负衰变。

^3\mathrm{H} \rightarrow \, ^3\mathrm{He} + e^- + \bar{\nu}_e

意思是 1 个中子变成质子，放出电子 $e^-$ 和反电子中微子 $\bar{\nu}_e$ ，变成氦 3（ $^3\mathrm{He}$ ）。放出的贝塔射线（电子）能量呈连续分布，最大约 18.6 keV，平均约 5.7 keV。这在放射性核素中是格外低的数值，电子在空气中的射程（能飞多远）只有数 mm，在水或生物组织中只有数微米。这一事实从物理上印证了”外照射可以忽略，内照射才是主角”的结论。

衰变的快慢可以用指数函数表示。时刻 $t$ 时的原子数 $N$ 可写作

N(t) = N_0 \, e^{-\lambda t}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}}

其中 $N_0$ 是初始原子数， $\lambda$ 是衰变常数， $T_{1/2}$ 是半衰期。代入半衰期 $T_{1/2} = 12.3$ 年，可知氚每年自然减少约 5.5%。对于长期贮存的燃料，需要在计量时考虑这种损耗。

表示单位质量放射性大小的比活度，氚约为 360 TBq/g，非常大，仅 1 g 就会发生数量庞大的衰变。这是半衰期短、原子轻的结果。

进入体内后的影响会因化学形态而大不相同。分子态的氚气（ $\mathrm{HT}$ ）几乎不被吸收就被排出，而氚水（ $\mathrm{HTO}$ ）会与身体的水分完全混合，以约 10 天的生物半衰期排出。所谓生物半衰期，是指进入体内的量经代谢减为一半所需的时间。此外与有机物结合的有机结合氚（organically bound tritium, OBT）会在体内停留更久。要从摄入量估算有效剂量，需要使用剂量系数（待积有效剂量系数） $e$ ，

E = e \times A

即用摄入放射性 $A$ （单位 Bq）乘以系数 $e$ （单位 Sv/Bq）求出剂量 $E$ （单位 Sv）。对于 $\mathrm{HTO}$ 的经口和吸入，成人约取 $1.8 \times 10^{-11}$ Sv/Bq。实际管理中，会测量尿中的氚浓度来反算体内量，评估受照剂量。

透过性也可以定量处理。金属中氢同位素的扩散可用与浓度梯度成正比而流动的菲克定律近似，扩散系数随温度以阿伦尼乌斯型 $D = D_0 \, e^{-E_a/(k_B T)}$ 急剧增大。这意味着壁温越高，氚渗入越快、逸出也越快。

深入理论（研究生水平）

氚的安全不是靠单一的壁，而是以多重封存屏障（multiple confinement barriers）的思想构建。第一屏障是直接处理氚的管道和容器，第二屏障是包围它的手套箱和双层管，第三屏障是厂房本身。各屏障独立发挥作用，按照单一故障准则设计，使得即便其中之一失效也不会导致向环境释放。屏障与屏障之间的空间逐级降低压力（级联负压），使受污染的空气不会向外侧倒流。

作为第二屏障的手套箱，内部以惰性气体（氮或氩）的气氛运行。将氧和水分浓度保持在低水平有两个理由。一是为了抑制 $\mathrm{HT}$ 被氧化成生物亲和性高的 $\mathrm{HTO}$ ；二是因为氢在空气中的燃烧范围体积比约为 4〜75%，很宽，且最小点火能量约 0.02 mJ，极小，因此要避免爆炸。

泄漏到气氛中的氚，由气氛除氚系统（atmosphere detritiation system）回收。标准方式是催化氧化与水分吸附的组合。先用铂族等催化剂把 $\mathrm{HT}$ 氧化成 $\mathrm{HTO}$ ，接着用分子筛作为水分捕集。单级去除系数可瞄准 99.9% 以上。回收的氚水经电解或同位素交换，返回分离氢同位素的工序。同位素分离采用 20〜25 K 极低温下的蒸馏（cryogenic distillation），利用 $\mathrm{H_2}$ 、 $\mathrm{D_2}$ 、 $\mathrm{T_2}$ 微小的沸点差来分离。只选择性地让氢通过的钯膜透过对提纯也很有效。贮存采用 ZrCo 等金属氢化物，可实现加热放出、冷却吸藏的可逆运行。

计量管理（tritium accountancy）也包含理论上的难题。从核材料防护的角度，需要始终掌握整个系统中何处有多少氚，但氚会在气体、水和固体材料中变换形态，而且会溶入壁体内部。这种滞留在材料中的量称为滞留（retention）。一旦氚被面向等离子体材料（钨，或曾经研究过的碳系材料）的表面或内部吸收，燃料不仅会”下落不明”，还会变成需要除氚（detritiation）的废物。除氚会用到烘烤（加热把氚赶出）、同位素交换、表面处理等，其效果会随材料温度、辐照缺陷、是否存在共沉积层而大不相同。滞留与除氚的建模采用把扩散、俘获、脱附联立起来的反应扩散方程（例如用 TMAP 或 TESSIM 之类的程序求解的框架）。

氚从哪里来也很重要。核聚变堆中在包层（blanket）里用中子轰击锂来增殖氚。DEMO 级的堆无法依赖外部供应，需要产出比消耗更多的氚，其指标就是氚增殖比（tritium breeding ratio, TBR）。只有 TBR 达到约 1.1 以上，整个燃料循环才能自立。

研究前沿（博士水平）

下面列出目前仍在活跃研究的课题，并附上论文中常见的关键词。请将它们理解为面向实堆的课题，而非可以断言的成熟技术。

在材料中氚行为方面，面向等离子体材料的氚积累与去除（fuel retention and removal）是核心课题。如何预测钨中的俘获位、被中子辐照产生的缺陷俘获、被再沉积层（co-deposited layer）吸收的氚，以及如何除氚，都是问题所在。反应扩散模型的实验验证，以及外推到实机尺度的不确定性是论点。

在封存与降低透过方面，正在研究透过屏障涂层（permeation barrier，例如氧化物膜）的耐久性，以及在高温和中子辐照下维持性能的能力。从管道和增殖材料回收氚的效率，着眼于连续运行的大规模化也是课题。

在整个燃料循环方面，正在讨论为实现氚自立（tritium self-sufficiency）所需的 TBR 裕量、启动时所需初始装量的最小化（start-up inventory），以及处理系统响应时间与装量之间的权衡。ITER 的氚工厂（由贮存供应系统、排气处理系统、同位素分离系统、水处理系统、气氛除氚系统构成）的运行业绩，有望成为今后设计的宝贵输入。

在计量与监管方面，各国正在推进提高会变换形态的氚的计量管理（tritium accountancy）精度，以及建立考虑到核聚变特有的被动安全性的安全评价和监管框架（regulatory framework）。核聚变设施不像核裂变那样有链式反应、不易失控，但由于要大量处理氚这种可动性高的放射性物质，因此需要与裂变堆不同的评价思路。在环境释放评价方面， $\mathrm{HTO}$ 在环境中的行为，以及有机结合氚（OBT）在生态系统中的迁移，成为建模的对象。

理解自测

第 1 题氚的贝塔射线弱到一张纸就能屏蔽，为什么处理氚还需要格外小心？

第 2 题氚的半衰期是 12.3 年。最初的量减少到八分之一大约需要多少年？

第 3 题把手套箱气氛中的氧和水分浓度保持在低水平，正确的理由组合是哪一个？

第 4 题滞留指的是什么，为什么会成为问题？

第 5 题在 DEMO 级核聚变堆中，为实现氚自立所需的指标是什么，目标值大约是多少？

氚管理

先建立直觉（高中水平）

用物理来理解（本科水平）

深入理论（研究生水平）

研究前沿（博士水平）

理解自测

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