产氚技术

科普中国 2016-04-06

　　氢弹——具有相当于数千万吨TNT炸药当量的威力，是人类文明动用能量的极限。作为一种瞬间实现、不受控的人工核聚变，氢弹离不开一种物质——氚。

　　氚与氢气中的氢原子是一家，也称氢的同位素。它的原子核内比氢多2个中子，所以也称超重氢。它具有放射性、很不稳定，在自然界中非常稀少。据估计，整个地球上天然氚的含量只有约2千克，其中10克存在在大气中，13克在地下水中，而其余的氚大都存在于海水里。因此，要获得足够军事和民用需求的氚，必须建造生产氚的特殊设备——产氚堆，用人工的方式制备这种稀有的元素。

　　当前，各国的氚生产系统都采用在裂变反应堆中对金属锂进行辐照的方法。也就是用裂变反应产生的中子轰击金属锂，反应生成氚和氦。金属锂大家并不陌生，采用锂电池的手机已经成为现代生活的必须品。

　　氚的生产过程主要包括：制备含锂元靶件材料，用中子轰击靶件材料生产氚，以及提取纯化氚。用于生产氚的裂变反应堆一般不采用民用核电站常见的压水堆，而采用重水堆、高温气冷堆和石墨水冷堆等。因此，反应堆的建设费用十分昂贵，新建一个重水产氚堆或高温气冷堆大约需要55亿美元。此外，反应堆的安全问题也至关重要，产氚反应堆不仅有自身的安全问题，还有对生产出的氚进行安全防护的问题。

　　美国核武器用氚最初是由建在汉福特的石墨慢化反应堆提供的。为了增加氚的供应和保证氚的来源，美国随后又在萨凡纳河基地建造了5座大型重水堆。 1984年最高峰的年产量达到约10千克。到1990年时，美国累积产氚约225千克。据美国科学家联盟估计，美军现有氢弹、中子弹等热核弹头约 20000枚。如果按每个氢弹弹头需要氚4克、每个中子弹需要氚15克计算，则美国装备这些核武器已消耗氚约90千克，未使用的氚约100千克。由于存量充分，美国萨凡纳河基地的产氚堆已陆续停止使用。

　　随后，美国能源部颁布了双轨途径生产氚的计划，提出一方面利用商业核电站来生产氚，同时设计、建造新的产氚专用设施。用商业发电的核电站生产氚，可以大幅减少成本。按美方估算，1995年到2010年累计节省投资54亿美元。

　　目前，俄罗斯的产氚堆仍在运行，氚的累积产量和贮存量大体与美国相当。据估计，英国和法国氚的贮量大约在5千克左右。尽管美、俄正在进行一系列核裁军谈判，但他们都在不断改进核武器性能，因此氚的生产仍是优先考虑的关键技术，以确保先进核武器系统作战能力、确保核威慑有效性的核心能力。

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