氕的放电(光谱)管
关于氢的众多物理化学性质,我们已经在之前的文章《》、《》中做了详细介绍,在此就不再重复。本文将重点谈一谈氕的其它同位素。
氘(Deuterium)氘与氕不同,它的原子核里除了有一个质子外,还有一个中子。它的原子量是2,所以我们将它写成²H、氢-2或重氢。氘的英文名称为deuterium,所以它也常常被简写为D。氘的中文读[dāo],与“刀”同音。
氘的放电(光谱)管,可以看出它与氕的不同
氘在地球上的丰度约为所有氢元素数量的0.0026-0.0184%,可以想见它的含量极少。尽管如此,由于氢在地球上的总量很大,因此氘的总含量也是相当可观的。与氢类似,氘在地球表面通常也以氧化物的形态存在,海水中氘的数量大约为氢的0.02%,如果将海水中的氘全部提取出来,我们将能得到40万亿吨的氘,这是一个极其惊人的数字!
那么问题来了,我们要氘何用?
氘的作用大多与核有关,涉及到核能发电与核武器原料的生产。
核反应堆的堆芯浸没在一个巨大的重水池中
氘是重氢,氘与氧气结合后就是重水D₂O,重水无毒,但喝多了也不好。
与普通“轻水”不同的是,由于氘原子核中已经有了一个中子,它就不那么容易再吸收中子(还是会有吸收,我们后面会讲)。我们知道,现在核电站的反应堆都是核裂变反应堆,它利用的是铀衰变过程产生的热来推动蒸汽轮机发电。由于铀在衰变的过程中会释放中子,中子的能量如果过高,它一方面会造成难以控制的链式反应,同时还会跑出来产生放射性危害,所以我们需要将反应堆整个儿泡在水里,让水来吸收中子的能量,为中子减速。与普通的轻水相比,重水的减速效果更好,反应堆对放射性原料浓度和设备的要求也更低,尽管重水很贵,但由于在其它方面的成本降低,所以总的来说重水反应堆在商业上更划算。
红色的中子在重水中与更重的原子核碰撞,能量被削弱
从另一个角度,重水反应堆为某些机构获得武器级钚提供了更大的可能(具体原因我们将在介绍铀的文章中详细解释)。同时,尽管重水吸收中子的可能性较低,但一旦它吸收了中子就变成了氚,氚是制造核武器的重要原料之一。所以相比于轻水反应堆来说,重水反应堆有更大的核扩散风险。