氚的來源與監測

李文紅 謝鋒 楊寶路 周強 拓飛

1 中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所輻射檢測與評價研究室，北京 100088；2 清華大學核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新中心，先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084

2023 年8 月24 日，日本福島核污染水正式排海。氚是日本排放的核污染水中排放量最大的放射性核素之一，受到全社會的關注。筆者就氚的來源及其在不同介質中的檢測方法進行了綜述，以便為核能發展及氚的危害評價提供重要參考。

1 氚的概述

氚是核能系統中的重要放射性核素，對氚的研究及應用是核能系統的重要課題。氚是核聚變反應堆中的重要燃料，也是核裂變反應堆中堆芯、一回路、二回路以及放射性廢物中的重要源項。全世界商業運行的核裂變電站中，對通過氣態流出物和液態流出物排放的氚，都有明確的標準規定[1]。在我國，一座3 000 MW 熱功率的反應堆，氣態流出物中氚的年排放量控制值：輕水堆為1.5×1013Bq/a、重水堆為4.5×1014Bq/a；液態流出物中氚的年排放量控制值：輕水堆為7.5×1013Bq/a、重水堆為3.5×1014Bq/a。日本福島核廢水排放中，氚由于無法與水進行有效分離，成為備受全球關注的典型放射性核素[2]。對于一座3 000MW 熱功率的壓水堆或沸水堆，其每年產生氚的總量為5.55×1014Bq（～1.55 g）或5.18×1014Bq（～1.45 g）[3]，即使考慮同樣熱功率產氚量比較大的重水堆，其每年產生氚的總量為5.42×1016Bq（～1.52×102g）。然而，一座百萬千瓦核聚變反應堆每年消耗的氚為1.99×1019Bq（～55.6 kg），比核裂變反應堆的年產氚總量要大幾個量級[4-5]。因此，未來大規模氚的穩定生產、安全操作和合理處置都將是影響核聚變反應堆技術健康快速發展的關鍵因素[6]。

2 氚的來源

2.1 天然氚的來源

大氣層中的氚大部分在大氣平流層產生，在地球表面和巖石圈中很少。宇宙射線與大氣中化學元素氮、氧、氬原子核發生反應產生天然放射性氚，以及自然界巖石圈中鋰元素與中子的反應、重氫（n，γ）反應、核裂變反應（伴有氚生成的稱為三裂變）、硼與中子的反應等是環境中氚的主要來源。全球范圍內氚儲量穩定，自然過程產生的氚在50～70 PBq 之間。天然氚構成了環境氚的“穩定”本底，海洋表層水和陸地表層水中的天然氚濃度分別為0.1 Bq/L 和0.2～0.9 Bq/L（均數為0.4 Bq/L）。

2.2 人工氚的來源

2.2.1 核武器試驗

環境中人工氚主要來源于大氣層核試驗。核裂變和核聚變爆炸都產生氚，產氚量取決于核裂變和核聚變產氚的反應截面、爆炸的類型和爆炸地點特征。熱核武器的產氚量比裂變武器的產氚量大得多。自1963 年《禁止核試驗條約》簽署以來，主要核大國進行了大規模的地下熱核裝置試驗。雖然這并沒有大大增加大氣和地表水中氚的存量，但地下核試驗場氚的盤存量規模并不確定[7]。當氫彈爆炸時，放射性核素氚被釋放到環境中。20 世紀60 年代前半期是核試驗釋放氚的量最多的一段時間，其結果是大氣中氚的盤存量增加到240 EBq，為天然氚盤存量的200 倍以上。

2.2.2 核設施運行

（1）各種反應堆

核電運行中排放到環境中氚的數量與天然氚的年產生量相當，隨著核電站裝機數量的增加，其對環境氚貢獻的比重將越來越大。因核動力產生而釋放到大氣層和水圈的氚的數量，主要取決于反應堆的類型和運行情況。

在輕水堆中，氚主要在燃料、控制棒、可燃毒物和冷卻劑中產生。核燃料中的氚主要是由三裂變產生，碳化硼控制棒中絕大多數氚是由10B（n, a）7Li、7Li（n，nα）3H 產生。在冷卻劑中，氚則是由冷卻劑中的一些元素，如氘、硼（壓水堆中用于控制反應性）、鋰（雜質或為控制pH 值而添加的鋰基陽離子）活化而產生。對于典型的沸水堆，單位電功率氚的年產率為7.813× l011Bq/（MWe·a）；對于壓水堆，單位電功率氚的年產率為（4.4～9.6）× l011Bq/（MWe·a）。

（2）核燃料后處理廠

核燃料后處理廠釋放出的氚是反應堆中產生的，其隨燃料組件進入后處理廠。輕水堆卸料時，燃料中的含氚量取決于裂變同位素類型、燃料中鋰雜質含量、燃料的化學形式、燃耗、輻照時的線性功率水平和包殼材料，后處理時氚的含量還取決于冷卻時間。

2.2.3 核事故中氚的釋放

自全世界核電發展以來，發生的嚴重核事故有切爾諾貝利核事故、三哩島核事故、福島核事故等。核電廠發生事故時，氚會泄漏并釋放進入環境中。氚泄漏的原因主要有廢液排放管線閥門的失效、管道泄漏、水池或儲罐泄漏及操作人員疏忽造成的意外釋放。根據對美國發生氚泄漏事件的核電廠環境監測結果分析，盡管氚泄漏發生次數較多、泄漏濃度較高，但由于氚通過擴散被快速稀釋，廠外環境中監測到的濃度值一般在儀器檢測下限至幾十Bq/L，遠小于所要求的水體濃度限值（740 Bq/L）[8]。據報道，位于印度北部的拉賈斯坦核電站發生的氚泄漏事件中，受照劑量最高的2 人的氚內照射劑量分別為24.32 mSv 和16.54 mSv，低于印度原子能監管委員會（AERB）針對氚照射設定的30 mSv/a 的年劑量限值[9]。

2.2.4 氚的生產與核聚變研究

一座百萬千瓦級壓水堆核電站通過裂變方式產生的氚的放射性活度為560～740 TBq，另外由于反應性補償控制措施，在冷卻劑中加入化學添加劑硼酸和為控制水的pH 值加入的氫氧化鋰，使溶于水中的氘在中子照射下也會產生氚。

美國薩凡納河重水反應堆，其以鋰鋁合金作為靶材生產氚，該地還設有一座專為處理輻照后的鋰-鋁合金而回收氚的裝置[10]。該裝置回收的氚主要為HT 氣體，而核燃料后處理廠得到的主要是HTO。近年來，氚生產裝置發生過2 次重大釋放事故，分別為1974 年5 月2 日事故共放出1.7×1016Bq 氚氣，1975 年12 月31 日事故共放出6.73×1016Bq氚氣[11]。

1983 年加拿大安大略水電公司在皮克靈建造了一座重水除氚裝置，可為加拿大聚變堆研究提供氚，其盤存量為1.85×107GBq[12]。

2.2.5 氚的商用

氚廣泛應用于商業，并作為一種放射性標記物廣泛應用于醫學和科研。其可以注入化學物質或生化化合物中，代替非放射性氫，以便追蹤這些物質在化學和生物學過程中的行為。

3 氚的監測

3.1 大氣中氚的監測

氫彈爆炸時，釋放的氚對大氣污染更為嚴重。因此，空氣中氚取樣技術對于測量結果的準確性有很大影響?？諝庵须叭酉到y主要由抽氣泵、收集器和流量測量裝置構成。由流量測量裝置確定被取樣空氣的總體積，以收集器回收的HTO 總活度除以取樣空氣總體積即可求出平均氚濃度。常用的取樣方法主要有鼓泡器法、干燥劑法和冷凝法等?？諝庵须暗娜有?，不僅受溫、濕度等環境因素的影響，而且與鼓泡器、干燥劑、冷凝器和催化氧化劑等取樣介質有關。優化設計鼓泡器結構，探索研制更好性能的冷凝器和催化氧化劑是提高空氣中氚收集效率的發展方向[13]。

3.2 水中氚的分析

在HJ 1126-2020 中詳細規定了水中氚的分析方法：向含氚水樣中加入高錳酸鉀，經常壓蒸餾，堿式電解濃縮，二氧化碳中和，真空冷凝蒸餾。然后將一定量的蒸餾液與一定量的閃爍液混合，用低本底液體閃爍譜儀測量樣品的活性[14]。此標準適用于測量環境水（江、河、湖水和井水等）中的氚，該方法的探測下限為0.5 Bq/L。

在很長一段時期，國外主要是使用塑料閃爍體、蒽晶體和CaF 作探測元件，對水中氚進行連續監測與研究。這類裝置的優點是響應快、成本低，適用于高計數情形；缺點是隨著設備的使用存在著慢化現象，由于沉淀、細菌生長及褪色等原因會使效率下降，且記憶效應下降嚴重。20 世紀70 年代報道較多的方法是使被測液流通過1 個充滿粒狀閃爍體的流室，閃爍體發出的光由2 個對著流室的光電倍增管同時接收實現符合計數。我國原子能院對水中氚連續監測使用的幾種有機閃爍體探測器性能進行了實驗比較，結果同國外報道相近，他們推薦的順序依次為塑料閃爍薄膜、蒽單晶小片、塑閃微粒球、多層塑料閃爍片，探測下限均在10-6Ci/L（3.7×104Bq/L）量級左右[15]。

3.3 土壤中氚的監測

土壤中氚的化學狀態主要分為2 類，即氚水和有機結合氚。由于氚的β 射線能量很低，大部分被樣品吸收，因此土壤樣品中的氚不可能用非破壞性的分析方法定量測定，必須經過物理或化學方法處理后，以氚水和有機結合氚的形式進行測定。

氚是某些核設施向環境排放的一種重要核素，其隨著水在土壤中擴散、滲透，分布情況極為復雜。因此，建立土壤中氚水的測定方法對于研究核設施周圍土壤中氚的污染水平、沉積過程和遷移行為都是非常必要的。土壤中氚水的提取一般采用冷凍干燥或恒溫蒸餾的方法。

3.4 食品中氚的分析

由于食品種類繁多，各類食品的含水量也不一樣[16]。例如：白菜的含水量為93%，土豆為84%，而小麥僅為30%左右。對含水量高的樣品，如：白菜和土豆，經干餾和一般燃燒處理，將收集的水份進行純化和電解濃縮，測得的結果基本上可代表食品水分中的氚[16]。但如小麥等含水量低的樣品在干餾時就有油狀有機物餾出，一般的燃燒不易完全，測得的結果就不可靠。因此，準確而有效的方法就必須將食品樣品先完全燃燒，也即燃燒得到的殘渣全部變成炭，然后將燃燒過程收集的水進行電解濃縮或合成苯，最后在液閃計數器上測出氚的放射性。如上所述，比較簡單且有效的燃燒方法如貴陽地化所介紹的那樣，食品樣品先在氮氣流中進行干餾，收集干餾水份，經干餾處理的樣品在氧氣流中燃燒制備水，合并干餾及燃燒制備的水，純化、富集或合成苯。干餾及燃燒過程都在密閉系統內進行，燃燒管選用石英管[17]。因為食品的氚含量低，因此處理的樣品量就大，所用燃燒管及管式電爐相應也要大一些，否則多次加樣就會造成氚的損失。

3.5 生物樣品中氚的分析

生物體中氚以組織自由水氚（TFWT）和組織結合氚（TBT）兩種形式存在。對于生物樣品中的自由水氚，一般可用真空蒸餾或共沸蒸餾法收集；對于組織結合氚則需經燃燒-氧化處理，使結合在有機基質中的氚全部變成氚水，然后采用液體閃爍光譜測定法進行測量。但燃燒-氧化不僅需要燃料-氧化爐裝置，操作也繁鎖。對于環境監測，測定樣品中的組織自由水氚，就足以確定環境中的氚濃度。鄭曉敏和吳宗梅[18]用共沸蒸餾法對秦山核電廠附近秦山上松針中組織自由水氚的測量：選擇甲苯為共沸蒸餾溶劑。稱取100 g 松針樣品并剪碎，放入500 mL 圓底蒸餾瓶中，加300 mL 甲苯，共沸蒸餾約3 h。收集蒸餾出的水分，分離后棄去甲苯，加適量高錳酸鉀蒸餾除去水中有機物等雜質，取該蒸餾水采用液體閃爍光譜測定法進行測量[13]。

4 氚的環境轉移及進入生物體的途徑

4.1 氚向環境轉移的途徑

大氣核試驗產生的氚主要釋放到大氣同溫層，隨后進入對流層，再經降雨進入氣圈；核動力堆產生氚進入大氣層和水圈；氣圈和水圈中的氚進入空氣，然后經降雨與陸地和生物圈交換進入土壤圈；被氚污染的水、蒸氣、海產品等食物，經過不同途徑進入有機體生物圈內，進而對機體產生不同程度的影響。

4.2 氚進入生物體的途徑

自然界中的氚可通過呼吸道、胃腸道和皮膚吸收等途徑攝入體內。氚的吸收是指核素由攝入途徑通過生物膜進入血液循環的過程，常用吸收速度和吸收率表示。胃腸道、呼吸道和皮膚粘膜都能吸收氚水，攝入氚水后經40～45 min 就可被完全吸收。吸收部位主要在小腸，其吸收的氚水量比大腸高4 倍。97%的氚水是通過腸粘膜毛細血管吸收進入靜脈系統，然后隨著血液分布至全身，通過毛細淋巴管吸收僅占3%[18]。由于氚的化學特性和進入體內途徑不同，在體內代謝等特點也不完全相同。以氚水形式進入組織中的氚約有2%～3%的比率通過同位素交換或酶促反應與機體中的分子進行結合，形成有機氚[19]。氚的有機化合物在組織內轉化成有機結合氚的份額要大得多。氚氣和氚水蒸汽均可通過吸入進入體內，但吸入的氚氣對肌體的危害較氚水蒸氣要小的多，約占萬分之一。以往的實驗結果表明，即使吸入空氣中氚氣比氚水蒸汽濃度大1 000 倍，大鼠血液中氚濃度僅為吸入氚水蒸汽的1/2，即大鼠攝入水蒸汽要比攝入氚氣高2 000 倍[20]。這是由于核素氚在血液中的溶解度很低，吸收到血液中的核素氚不足2%，血液中核素氚氧化為氚水的量占人血液中氚量的比例不足1%。因此，吸入核素氚對組織的劑量僅有同等濃度氚水蒸氣的萬分之一。另外還有氚粒子的吸入和吸收[21]，氚粒子普遍產生于涉氚的核設施中，最典型的核聚變托卡馬克裝置，在托卡馬克裝置的運行中其等離子與第一壁相互作用，產生大量的氚化粒子，氚化粒子的總量能達到6.2 g[21]。大量的氚化粒子能使在核設施中長期工作的人員因為防護不當而吸入，對身體產生內照射影響。

5 小結及展望

綜上所述了氚在核能發展中的重要地位，闡釋了氚是核聚變反應堆中的重要燃料，也是核裂變反應堆中堆芯、一回路、二回路以及放射性廢物中的重要源項，并簡述了氚的來源及空氣、水、土壤、食品、生物樣品中氚的分析及其氚的含量。隨著今后核能的迅速發展，核聚變燃料氚通過不同方式的釋放也會增多。因此，氚隨著氣圈、水圈、土壤圈和生物圈，通過食入、飲入及通過皮膚進入人體內的可能性也將增多。建議在今后的研究中，加強對氚的監測與評價研究，加強氚的輻射危害研究，特別是氚對胚胎效應、對皮膚的影響及其氚的致畸、致突和致癌等研究，這些研究可為促進核能發展及保障輻射安全提供重要參考。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明 李文紅負責命題的提出與設計、論文的起草及最終版本的修訂；謝鋒、楊寶路、負責論文主體的撰寫、資料的收集；周強、拓飛負責論文最終版本的修訂