氢同位素的性质和应用

氢同位素的性质和应用一般不涉及原子核稳定性和放射性的概念，因为它总是强调原子在化学反应中不会改变，但化学键断裂，原子重组和再生化合物。然而，随着现代科学的快速发展和融合，化学、核化学和核物理无法严格区分。此外，核能已成为本世纪新能源的一种重要形式。氢同位素的性质应补充放射性的基本概念[6]，强调这是自然界中的一种常见现象，并引入“强核力量”、原子核的稳定性、重核裂变、轻核聚变等概念，并适当介绍氢核聚变的优势和未来能源应用前景。氢同位素有许多应用领域，以下方面相对成熟，应用广泛：

(1) 核能工业，这是氢同位素最重要的用途。氢的同位素氘和氚是轻热核聚变的材料。在一定条件下，氦和中子产生核聚合反应，产生氦和中子，产生大量热量。核聚变能释放比核裂变更大的能量，不产生造成重大环境污染的废物（如二氧化碳、放射性废物等），符合“绿色化学”的概念。如今，虽然核聚变领域有许多成熟的技术，但可控核聚变[7、8]，特别是商业可控核聚变，仍然是该技术广泛应用的主要障碍。可控核聚变的难点在于如何实现“输入大于输出”？目前，磁约束核聚变是该领域最受关注、投资最多的研究方向。磁约束核聚变是利用特殊形式的磁场，将由热核反应状态下的轻原子核和自由电子组成的超高温等离子体限制在有限的体积内，使等离子体能够控制大量的原子核聚变反应，以低密度、长时间的自持燃烧释放能量。在磁约束核聚变装置中，托卡马克(Tokamak，这个名字来源于环形 toroidal，真空室 kamera，磁 magnit 和线圈 kotushka)——在环形真空室中，利用强螺旋磁场约束高温聚变等离子体的装置是最先进、最接近核聚变条件的装置。托卡马克装置利用变压器原理，通过改变外部极场线圈（主要是中心螺钉）中的电流，产生大环电场，突破工作气体，产生等离子体，然后根据欧姆加热进一步加热，驱动等离子体环电流。然而，加上线圈的电流不可能是无限的，这是托卡马克的极限，但也是研究工作的方向。为了找到驱动等离子体环向电流的手段，研究人员提出了两种方法：一是利用等离子体自发产生的自举电流（靴带电流，bootstrap current)，这是一种自发形成的环形等离子体，与压力梯度密切相关；其次，利用中性束和各种射频波等外部驱动电流，不仅可以加热等离子体，达到聚变反应的要求，还可以驱动托卡马克等离子体中的环电流，保持极磁场约束等离子体，减少装置对极线圈能力的依赖。我国已正式参加国际热核聚变实验堆(ITER)建设和研究项目(建造可燃的托卡马克核聚变实验堆)(图) 1)同时，中国聚变工程试验堆自主设计开发(CFETR)。

(2) 在科学研究中，氘和氚可以作为研究化学过程和生物化学过程的微观机制的“示踪剂”。由于总氢的化学性质是保留的，而且总氢的化学性质是不同的，所以总氢的化学性质是不同的，所以总氢的质量是不同的。这样就可以深入研究示踪分子的来龙去脉。例如，在定性监测方面，激光拉曼光谱可以探测和区分同位素混合物和化合物，实现含氢同位素气体的在线监测和分析。通过分析反应物的物质变化过程，研究与含氢同位素气体相关的化学反应和气固反应的机制。有报道[9] (图 2)利用拉曼光谱、质谱等研究在N2平衡系统中 T2O (T2O2)与 CO 的反应。首先加入反应槽 T2、O2 和 N2，用拉曼光谱观察物质谱峰的变化，如图所示 2(a)可见，O2 第 36 天的强度比第一 6 天要小得多，而且 T2在第 36 天时峰消失了，表示 T2已基本完全氧化。加入反应槽 CO 之后，观察谱峰变化(图) 2(b))，可用产品主要是CO2 和 T2O。

(3) 环境监测，如利用氢同位素记录污水的历史，可以监测污水的排放。利用最新的“氢稳定同位素质谱技术”，开发了环境中有机污染物的“分子水平氢稳定同位素指纹分析方法”，可以跟踪污染源。

(4) 随着同位素稳定研究的进展，用氧和氢同位素测定古地质沉积的时代已成为环境地球化学研究的前沿课题。从 20 世纪 60 自20世纪90年代以来，美国和欧洲的冰川学家在南极大陆和格陵兰岛的内陆冰盖上钻取冰样。通过分析不同年龄冰样中的氢同位素、氧同位素、痕量气体、二氧化碳、大气粉尘和宇宙粉尘，确定当时（百年尺度）的全球平均气温、大气成分、大气同位素、降水量等气候环境因素。