氚的来源与监测

李文红 谢锋 杨宝路 周强 拓飞

1 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所辐射检测与评价研究室，北京 100088；2 清华大学核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084

2023 年8 月24 日，日本福岛核污染水正式排海。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，受到全社会的关注。笔者就氚的来源及其在不同介质中的检测方法进行了综述，以便为核能发展及氚的危害评价提供重要参考。

1 氚的概述

氚是核能系统中的重要放射性核素，对氚的研究及应用是核能系统的重要课题。氚是核聚变反应堆中的重要燃料，也是核裂变反应堆中堆芯、一回路、二回路以及放射性废物中的重要源项。全世界商业运行的核裂变电站中，对通过气态流出物和液态流出物排放的氚，都有明确的标准规定[1]。在我国，一座3 000 MW 热功率的反应堆，气态流出物中氚的年排放量控制值：轻水堆为1.5×1013Bq/a、重水堆为4.5×1014Bq/a；液态流出物中氚的年排放量控制值：轻水堆为7.5×1013Bq/a、重水堆为3.5×1014Bq/a。日本福岛核废水排放中，氚由于无法与水进行有效分离，成为备受全球关注的典型放射性核素[2]。对于一座3 000MW 热功率的压水堆或沸水堆，其每年产生氚的总量为5.55×1014Bq（～1.55 g）或5.18×1014Bq（～1.45 g）[3]，即使考虑同样热功率产氚量比较大的重水堆，其每年产生氚的总量为5.42×1016Bq（～1.52×102g）。然而，一座百万千瓦核聚变反应堆每年消耗的氚为1.99×1019Bq（～55.6 kg），比核裂变反应堆的年产氚总量要大几个量级[4-5]。因此，未来大规模氚的稳定生产、安全操作和合理处置都将是影响核聚变反应堆技术健康快速发展的关键因素[6]。

2 氚的来源

2.1 天然氚的来源

大气层中的氚大部分在大气平流层产生，在地球表面和岩石圈中很少。宇宙射线与大气中化学元素氮、氧、氩原子核发生反应产生天然放射性氚，以及自然界岩石圈中锂元素与中子的反应、重氢（n，γ）反应、核裂变反应（伴有氚生成的称为三裂变）、硼与中子的反应等是环境中氚的主要来源。全球范围内氚储量稳定，自然过程产生的氚在50～70 PBq 之间。天然氚构成了环境氚的“稳定”本底，海洋表层水和陆地表层水中的天然氚浓度分别为0.1 Bq/L 和0.2～0.9 Bq/L（均数为0.4 Bq/L）。

2.2 人工氚的来源

2.2.1 核武器试验

环境中人工氚主要来源于大气层核试验。核裂变和核聚变爆炸都产生氚，产氚量取决于核裂变和核聚变产氚的反应截面、爆炸的类型和爆炸地点特征。热核武器的产氚量比裂变武器的产氚量大得多。自1963 年《禁止核试验条约》签署以来，主要核大国进行了大规模的地下热核装置试验。虽然这并没有大大增加大气和地表水中氚的存量，但地下核试验场氚的盘存量规模并不确定[7]。当氢弹爆炸时，放射性核素氚被释放到环境中。20 世纪60 年代前半期是核试验释放氚的量最多的一段时间，其结果是大气中氚的盘存量增加到240 EBq，为天然氚盘存量的200 倍以上。

2.2.2 核设施运行

（1）各种反应堆

核电运行中排放到环境中氚的数量与天然氚的年产生量相当，随着核电站装机数量的增加，其对环境氚贡献的比重将越来越大。因核动力产生而释放到大气层和水圈的氚的数量，主要取决于反应堆的类型和运行情况。

在轻水堆中，氚主要在燃料、控制棒、可燃毒物和冷却剂中产生。核燃料中的氚主要是由三裂变产生，碳化硼控制棒中绝大多数氚是由10B（n, a）7Li、7Li（n，nα）3H 产生。在冷却剂中，氚则是由冷却剂中的一些元素，如氘、硼（压水堆中用于控制反应性）、锂（杂质或为控制pH 值而添加的锂基阳离子）活化而产生。对于典型的沸水堆，单位电功率氚的年产率为7.813× l011Bq/（MWe·a）；对于压水堆，单位电功率氚的年产率为（4.4～9.6）× l011Bq/（MWe·a）。

（2）核燃料后处理厂

核燃料后处理厂释放出的氚是反应堆中产生的，其随燃料组件进入后处理厂。轻水堆卸料时，燃料中的含氚量取决于裂变同位素类型、燃料中锂杂质含量、燃料的化学形式、燃耗、辐照时的线性功率水平和包壳材料，后处理时氚的含量还取决于冷却时间。

2.2.3 核事故中氚的释放

自全世界核电发展以来，发生的严重核事故有切尔诺贝利核事故、三哩岛核事故、福岛核事故等。核电厂发生事故时，氚会泄漏并释放进入环境中。氚泄漏的原因主要有废液排放管线阀门的失效、管道泄漏、水池或储罐泄漏及操作人员疏忽造成的意外释放。根据对美国发生氚泄漏事件的核电厂环境监测结果分析，尽管氚泄漏发生次数较多、泄漏浓度较高，但由于氚通过扩散被快速稀释，厂外环境中监测到的浓度值一般在仪器检测下限至几十Bq/L，远小于所要求的水体浓度限值（740 Bq/L）[8]。据报道，位于印度北部的拉贾斯坦核电站发生的氚泄漏事件中，受照剂量最高的2 人的氚内照射剂量分别为24.32 mSv 和16.54 mSv，低于印度原子能监管委员会（AERB）针对氚照射设定的30 mSv/a 的年剂量限值[9]。

2.2.4 氚的生产与核聚变研究

一座百万千瓦级压水堆核电站通过裂变方式产生的氚的放射性活度为560～740 TBq，另外由于反应性补偿控制措施，在冷却剂中加入化学添加剂硼酸和为控制水的pH 值加入的氢氧化锂，使溶于水中的氘在中子照射下也会产生氚。

美国萨凡纳河重水反应堆，其以锂铝合金作为靶材生产氚，该地还设有一座专为处理辐照后的锂-铝合金而回收氚的装置[10]。该装置回收的氚主要为HT 气体，而核燃料后处理厂得到的主要是HTO。近年来，氚生产装置发生过2 次重大释放事故，分别为1974 年5 月2 日事故共放出1.7×1016Bq 氚气，1975 年12 月31 日事故共放出6.73×1016Bq氚气[11]。

1983 年加拿大安大略水电公司在皮克灵建造了一座重水除氚装置，可为加拿大聚变堆研究提供氚，其盘存量为1.85×107GBq[12]。

2.2.5 氚的商用

氚广泛应用于商业，并作为一种放射性标记物广泛应用于医学和科研。其可以注入化学物质或生化化合物中，代替非放射性氢，以便追踪这些物质在化学和生物学过程中的行为。

3 氚的监测

3.1 大气中氚的监测

氢弹爆炸时，释放的氚对大气污染更为严重。因此，空气中氚取样技术对于测量结果的准确性有很大影响。空气中氚取样系统主要由抽气泵、收集器和流量测量装置构成。由流量测量装置确定被取样空气的总体积，以收集器回收的HTO 总活度除以取样空气总体积即可求出平均氚浓度。常用的取样方法主要有鼓泡器法、干燥剂法和冷凝法等。空气中氚的取样效率，不仅受温、湿度等环境因素的影响，而且与鼓泡器、干燥剂、冷凝器和催化氧化剂等取样介质有关。优化设计鼓泡器结构，探索研制更好性能的冷凝器和催化氧化剂是提高空气中氚收集效率的发展方向[13]。

3.2 水中氚的分析

在HJ 1126-2020 中详细规定了水中氚的分析方法：向含氚水样中加入高锰酸钾，经常压蒸馏，碱式电解浓缩，二氧化碳中和，真空冷凝蒸馏。然后将一定量的蒸馏液与一定量的闪烁液混合，用低本底液体闪烁谱仪测量样品的活性[14]。此标准适用于测量环境水（江、河、湖水和井水等）中的氚，该方法的探测下限为0.5 Bq/L。

在很长一段时期，国外主要是使用塑料闪烁体、蒽晶体和CaF 作探测元件，对水中氚进行连续监测与研究。这类装置的优点是响应快、成本低，适用于高计数情形；缺点是随着设备的使用存在着慢化现象，由于沉淀、细菌生长及褪色等原因会使效率下降，且记忆效应下降严重。20 世纪70 年代报道较多的方法是使被测液流通过1 个充满粒状闪烁体的流室，闪烁体发出的光由2 个对着流室的光电倍增管同时接收实现符合计数。我国原子能院对水中氚连续监测使用的几种有机闪烁体探测器性能进行了实验比较，结果同国外报道相近，他们推荐的顺序依次为塑料闪烁薄膜、蒽单晶小片、塑闪微粒球、多层塑料闪烁片，探测下限均在10-6Ci/L（3.7×104Bq/L）量级左右[15]。

3.3 土壤中氚的监测

土壤中氚的化学状态主要分为2 类，即氚水和有机结合氚。由于氚的β 射线能量很低，大部分被样品吸收，因此土壤样品中的氚不可能用非破坏性的分析方法定量测定，必须经过物理或化学方法处理后，以氚水和有机结合氚的形式进行测定。

氚是某些核设施向环境排放的一种重要核素，其随着水在土壤中扩散、渗透，分布情况极为复杂。因此，建立土壤中氚水的测定方法对于研究核设施周围土壤中氚的污染水平、沉积过程和迁移行为都是非常必要的。土壤中氚水的提取一般采用冷冻干燥或恒温蒸馏的方法。

3.4 食品中氚的分析

由于食品种类繁多，各类食品的含水量也不一样[16]。例如：白菜的含水量为93%，土豆为84%，而小麦仅为30%左右。对含水量高的样品，如：白菜和土豆，经干馏和一般燃烧处理，将收集的水份进行纯化和电解浓缩，测得的结果基本上可代表食品水分中的氚[16]。但如小麦等含水量低的样品在干馏时就有油状有机物馏出，一般的燃烧不易完全，测得的结果就不可靠。因此，准确而有效的方法就必须将食品样品先完全燃烧，也即燃烧得到的残渣全部变成炭，然后将燃烧过程收集的水进行电解浓缩或合成苯，最后在液闪计数器上测出氚的放射性。如上所述，比较简单且有效的燃烧方法如贵阳地化所介绍的那样，食品样品先在氮气流中进行干馏，收集干馏水份，经干馏处理的样品在氧气流中燃烧制备水，合并干馏及燃烧制备的水，纯化、富集或合成苯。干馏及燃烧过程都在密闭系统内进行，燃烧管选用石英管[17]。因为食品的氚含量低，因此处理的样品量就大，所用燃烧管及管式电炉相应也要大一些，否则多次加样就会造成氚的损失。

3.5 生物样品中氚的分析

生物体中氚以组织自由水氚（TFWT）和组织结合氚（TBT）两种形式存在。对于生物样品中的自由水氚，一般可用真空蒸馏或共沸蒸馏法收集；对于组织结合氚则需经燃烧-氧化处理，使结合在有机基质中的氚全部变成氚水，然后采用液体闪烁光谱测定法进行测量。但燃烧-氧化不仅需要燃料-氧化炉装置，操作也繁锁。对于环境监测，测定样品中的组织自由水氚，就足以确定环境中的氚浓度。郑晓敏和吴宗梅[18]用共沸蒸馏法对秦山核电厂附近秦山上松针中组织自由水氚的测量：选择甲苯为共沸蒸馏溶剂。称取100 g 松针样品并剪碎，放入500 mL 圆底蒸馏瓶中，加300 mL 甲苯，共沸蒸馏约3 h。收集蒸馏出的水分，分离后弃去甲苯，加适量高锰酸钾蒸馏除去水中有机物等杂质，取该蒸馏水采用液体闪烁光谱测定法进行测量[13]。

4 氚的环境转移及进入生物体的途径

4.1 氚向环境转移的途径

大气核试验产生的氚主要释放到大气同温层，随后进入对流层，再经降雨进入气圈；核动力堆产生氚进入大气层和水圈；气圈和水圈中的氚进入空气，然后经降雨与陆地和生物圈交换进入土壤圈；被氚污染的水、蒸气、海产品等食物，经过不同途径进入有机体生物圈内，进而对机体产生不同程度的影响。

4.2 氚进入生物体的途径

自然界中的氚可通过呼吸道、胃肠道和皮肤吸收等途径摄入体内。氚的吸收是指核素由摄入途径通过生物膜进入血液循环的过程，常用吸收速度和吸收率表示。胃肠道、呼吸道和皮肤粘膜都能吸收氚水，摄入氚水后经40～45 min 就可被完全吸收。吸收部位主要在小肠，其吸收的氚水量比大肠高4 倍。97%的氚水是通过肠粘膜毛细血管吸收进入静脉系统，然后随着血液分布至全身，通过毛细淋巴管吸收仅占3%[18]。由于氚的化学特性和进入体内途径不同，在体内代谢等特点也不完全相同。以氚水形式进入组织中的氚约有2%～3%的比率通过同位素交换或酶促反应与机体中的分子进行结合，形成有机氚[19]。氚的有机化合物在组织内转化成有机结合氚的份额要大得多。氚气和氚水蒸汽均可通过吸入进入体内，但吸入的氚气对肌体的危害较氚水蒸气要小的多，约占万分之一。以往的实验结果表明，即使吸入空气中氚气比氚水蒸汽浓度大1 000 倍，大鼠血液中氚浓度仅为吸入氚水蒸汽的1/2，即大鼠摄入水蒸汽要比摄入氚气高2 000 倍[20]。这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%，血液中核素氚氧化为氚水的量占人血液中氚量的比例不足1%。因此，吸入核素氚对组织的剂量仅有同等浓度氚水蒸气的万分之一。另外还有氚粒子的吸入和吸收[21]，氚粒子普遍产生于涉氚的核设施中，最典型的核聚变托卡马克装置，在托卡马克装置的运行中其等离子与第一壁相互作用，产生大量的氚化粒子，氚化粒子的总量能达到6.2 g[21]。大量的氚化粒子能使在核设施中长期工作的人员因为防护不当而吸入，对身体产生内照射影响。

5 小结及展望

综上所述了氚在核能发展中的重要地位，阐释了氚是核聚变反应堆中的重要燃料，也是核裂变反应堆中堆芯、一回路、二回路以及放射性废物中的重要源项，并简述了氚的来源及空气、水、土壤、食品、生物样品中氚的分析及其氚的含量。随着今后核能的迅速发展，核聚变燃料氚通过不同方式的释放也会增多。因此，氚随着气圈、水圈、土壤圈和生物圈，通过食入、饮入及通过皮肤进入人体内的可能性也将增多。建议在今后的研究中，加强对氚的监测与评价研究，加强氚的辐射危害研究，特别是氚对胚胎效应、对皮肤的影响及其氚的致畸、致突和致癌等研究，这些研究可为促进核能发展及保障辐射安全提供重要参考。

利益冲突 所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明 李文红负责命题的提出与设计、论文的起草及最终版本的修订；谢锋、杨宝路、负责论文主体的撰写、资料的收集；周强、拓飞负责论文最终版本的修订