聂国印1聂旭春2

（1、内蒙古自治区煤田地质局，2、内蒙古京泰发电有限责任公司）

摘要：氘在海水中储量极大，热核聚变实验堆一旦研究成功，就能利用海水发电，海水中氘的质量浓度大约为30mg/L，提取的氘经过聚变反应释放的能量相当于升石油。而氚可通过中子与锂反应生成，在地壳和海水中，锂都是大量存在的。以一个40万t/d海水淡化水厂计算,将年产(天的生产日)万t/年淡水,可得重水1.98万t/年，可得氘气0.万t/年，可得氚气3.mg/年，经济效益可观。

关键词：海水；超重水；重水；半重水；氚；氘。

1.氕、氘、氚的丰度

氢的三种重要的同位素：氕(P)符号为P或1H，原子核内有1个质子，无中子，丰度为99.98%；氘(D)（又叫重氢），符号为D或2H，原子核内有1个质子，1个中子，丰度0.%；氚(T)（又叫超重氢）是氢的放射性同位素，其半衰期为12.43年，符号为T或3H，原子核内有1个质子，2个中子，丰度0.%。[1]我国陆地天然水中氚的含量在±10-9.6±1.8TU之间，平均.02±5.7TU（38个样点），而唯一一个“东海表面海水氚的实测值为7.7±1.3TU”[2]（此实测值是否具有代表性有待确认），氚的浓度常用氚单位（TU）表示(1TU相当于个氢原子中含一个氚原子)，即：T/H=10-18。二者氚的浓度相差数量级。

氕不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善，氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。

常温下，氘是一种无色、无味、无毒、无害的可燃性气体。它用于核能、可控核聚变反应、氘化光导纤维、氘润滑油、激光器、灯泡、实验研究、半导体材料韧化处理以及核医学，核农业等方面；另外在军事上，它也有一些重要的用途，比如制造氢弹，中子弹和东风激光武器。

氚的产生是当宇宙射线所带的高能量中子撞击氘核，其氘核与中子结合为氚核。氚除了用作核武器的材料外，氚水是水的特别理想的放射性示踪剂，在地下水分布的测定、水库渗漏的测定、河流、湖泊、泉水流动的跟踪、～年期间大气层的氢弹试验、冰川运动的观测以至水文学各方面的研究工作中应用很广。氚最容易在高温条件下与氘实现核聚变反应，释放出巨大能量:3H+2H→4He+n+17.6MeV。

2.超重水、重水、半重水的物理性质

重水（DO或2HO）是1个氧和2个氘组成的；半重水（HDO）是一个氧和一个氕和一个氘组成的,半重水都并不纯正，通常是50%HDO，25%的HO及25%的DO；超重水（TO或3HO）是1个氧和2个氚组成的。在天然水中，重水的含量约占0.%，应为分之一；半重水由于研究程度低，含量无从查找；超重水极其稀少，其比率不到十亿分之一。海水中同样赋存着超重水、重水和半重水。超重水、重水、半重水和普通水的物理性质如下表：

3.目前氘、氚的生产方法

3.1目前重水的生产方法

随着重水反应堆的兴起，重水可以通过多种方法生产，最初的方法是用电解法，因为重水无法电解，这样可以从普通水中把它分离出来。还有一种简单方法是利用重水沸点高于普通水通过反复蒸馏得到。然而只有两种方法已证明具有商业意义：水—硫化氢交换法(GS法)和氨—氢交换法。在普通水中约含重水0.%，由于含量少，制备难，它比黄金还贵重（约16元/毫升）[3]。

3.1.1水—硫化氢交换法(GS法)

GS法是基于在一系列塔内(通过顶部冷和底部热的方式操作)水和硫化氢之间氢与氘交换的一种方法。在此过程中，水向塔底流动，而硫化氢气体从塔底向塔顶循环。使用一系列多孔塔板促进硫化氢气体和水之间的混合。在低温下氘向水中迁移，而在高温下氘向硫化氢中迁移。氘被浓缩了的硫化氢气体或水从第一级塔的热段和冷段的接合处排出，并且在下一级塔中重复这一过程。最后一级的产品(氘浓缩至高达30%的水)送入一个蒸镏单元以制备反应堆级的重水（即99.75％的氧化氘）。

3.1.2氨—氢交换法

氨—氢交换法可以在催化剂存在下通过同液态氨的接触从合成气中提取氘。合成气被送进交换塔，而后送至氨转换器。在交换塔内气体从塔底向塔顶流动，而液氨从塔顶向塔底流动。氘从合成气的氢中洗涤下来并在液氨中浓集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而气体流入塔顶部的氨转换器。在以后的各级中得到进一步浓缩，最后通过蒸馏生产出反应堆级重水。合成气进料可由氨厂提供，而这个氨厂也可以结合氨—氢交换法重水厂一起建造。氨—氢交换法也可以用普通水作为氘的供料源。

3.2目前氘的生产方法

电解重水可以得到重氢，即：2DO=(电解)=2D↑+O↑。

3.3目前氚的生产方法

氚在自然界中存在极微，一般从核反应制得，用中子轰击锂可产生氚。氚的价格23万元（人民币）/克左右[4]。

氚的制取是利用反应堆中子大量生产氚的核反应：Li+n—→4He+3H。反应堆生产氚采用的靶材料有氟化锂、碳酸锂、锂镁合金和锂铝合金等,以锂铝合金较为理想。经反应堆中子辐照过的锂铝合金,可用加热熔融等方法从中提取生成的氚。提取到的氚气中常含有多种杂质气体,这些杂质气体可用铀屑进行纯化和通过铀粉（或钯管）加以分离。但是来自靶材料本身和提取设备材料中的氢气,在提取纯化过程中是不能同时去除的，氢气会稀释氚气,使氚的同位素丰度降低,需要高丰度氚时,就得进行富集。富集氚的方法有电解法、蒸馏法、赫兹泵法、热扩散法、吸附色谱法等。实际生产中,多采用热扩散法，通过富集,氚的丰度可以大大提高以至高达99％以上。

4.海水提氚、提氘新方法

海水经过严格地预处理后，第一步超重水、重水、半重水混合冰的制取；第二步高纯超重水、重水的制取；第三步高纯半重水的制取；第四步氘、氚分离；第五步氕、氘分离。

4.1超重水、重水、半重水混合冰的制取

依据超重水、重水、半重水的冰点不同，海水经过严格地预处理后，恒温冷冻至0.5℃10min，固液分离得超重水、重水、半重水混合冰，混合冰去高纯超重水、重水混合冰的制取流程。余液去海水淡化流程。由于半重水的冰点无从查找，应首先试验半重水的冰点、沸点、密度等数据，以备修改冷冻温度，达到降低能耗的目的。此过程比较漫长，应建设数十个车间配合海水淡化工厂。

4.2高纯超重水、重水混合冰的制取

将足够量的混合冰放在一起，首先恒温溶解至10℃5min后，再恒温冷冻至3.32℃10min，再固液分离得粗超重水、重水混合冰，粗超重水、重水混合冰再恒温溶解至10℃5min后，再恒温冷冻至3.32℃10min，再固液分离得粗超重水、重水混合冰，重复此过程数次，直至得到纯度99%高纯超重水、重水混合冰，去氘、氚分离制取流程。余液去高纯半重水的制取流程。

4.3高纯半重水的制取

将高纯超重水、重水的制取余液首先恒温冷冻至0.5℃10min，再固液分离得粗半重水冰，粗半重水冰再恒温溶解至2℃5min后，再恒温冷冻至0.5℃10min，再固液分离得粗半重水冰，重复此过程数次，直至得到纯度99%高纯半重水冰，去氕、氘分离流程。余液去海水淡化。

4.4氘、氚分离

将足够量的超重水、重水混合冰放在一起，恒温溶解至25℃备用。试验超重水、重水与一氧化碳的最佳反应条件，TO+CO=T↑+CO↑，DO+CO=D↑+CO↑。以超高纯（99.%）一氧化碳与超重水、重水反应，生成氚气、氘气和二氧化碳气体，利用倾斜分离器加分子筛分离氚气、氘气和二氧化碳[5]，以离心机提纯氚气和氘气，重复数次得超高纯氚气和氘气。二氧化碳回收利用。

4.5氕、氘分离

将足够量的半重水冰放在一起，恒温溶解至25℃备用。试验半重水与一氧化碳的最佳反应条件,2HDO+2CO=D↑+H↑+2CO↑。以超高纯（99.%）一氧化碳与半重水反应，生成氘气、氢气和二氧化碳气体，利用倾斜分离器加分子筛分离氘气、氢气和二氧化碳，以离心机提纯氘气和氢气，重复数次得超高纯氘气和氢气。二氧化碳和氢气回收利用。

5.经济效益

以一个40万t/d海水淡化水厂计算,将年产(天的生产日)万t/年淡水,海水盐化工年产.9万t/年有价值的矿物质资源,消耗海水.90万t/年,相当于一个中型矿山,价值相当可观。按海水中约含重水0.%（包括半重水）计算，可得重水1.98万t/年，可得氘气0.万t/年，重水价格按16元/毫升计算，可产出.8亿元价值。氚的丰度按“东海表面海水氚的实测值为7.7±1.3TU”计算，由于氚原子量是氢的3倍，那么其质量比为23.1±1.3TU,万t水可产生.67万t氢气，即1.×毫克，可得氚气3.mg/年，按23万元/克，可产出.24元价值。海水提氚看似没有什么经济效益，但是他为了氘的提纯做出了贡献。

参考文献：

[1]百度百科．氕氘氚．

[2]王克勤，林瑞芬，王志祥，周秀云．我国天然水中氚含量的分布特征．科学通报，年，第10期，-．

[3]百度百科．重水（氘和氧组成的化合物）．

[4]探秘志．世界上最昂贵的10种稀有物品:每克反氢原子62.5万亿美金．

[5]聂国印．一种氨碱、联碱行业氯化铵直接热分解的方法和设备-20173535.5．专利．