Tritium

Le tritium (/tʁi.sjɔm/ ou /tʁi.tjɔm/), noté H ou TQuand dans une formule chimique ou tout autre contexte on utilise les symboles D et T, alors H devient le symbole du protium et non plus celui de l'élément chimique hydrogène. On note par exemple HTO la formule de l'eau tritiée., est l'isotope de l'hydrogène dont le nombre de masse est égal à 3 : son noyau atomique, appelé triton (consulté le 3 septembre 2016)., compte et avec un spin 1/2+ pour une masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de . Il a été mis en évidence en 1934 par Ernest Rutherford, dans la réaction de fusion nucléaire .

À la différence du protium H et du deutérium H, ce nucléide est radioactif et se désintègre en (He) avec une demi-vie de . Son activité spécifique ou activité massique est de (soit ou ) ou encore par gramme (soit ). Il émet un rayonnement β de faible énergie, en moyenne, ainsi qu'un antineutrino électronique d'énergie , en donnant He.

Le tritium est extrêmement rare à l'état naturel (environ un atome de tritium pour d'hydrogène.), mais est émis dans l'environnement par l'industrie nucléaire : dans le fonctionnement normal des réacteurs nucléaires et lors du traitement des éléments combustibles. Il est également produit lors d'explosions nucléaires. L'Autorité de sûreté nucléaire estime que Jean-Christophe Niel (directeur général de l’ASN), Livre blanc du Tritium, Autorité de sûreté nucléaire, mis à jour en (lire en ligne ou lire en ligne (consulté le ))..

Propriétés vignette|Tubes radioluminescents : des tubes de verre dont la face interne est recouverte de phosphore et contenant du tritium gazeux brillent dans le noir (le tube ici photographié brillait depuis un an et demi). Le rayonnement bêta, de faible énergie (dit « mou »), est arrêté par le plastique ou le verre.

vignette|Usage en gadget (illégal dans certains pays dont la France), avec risque de perte de tritium dans l'environnement si le contenant est brisé, érodé, brûlé ou fondu.

Propriétés physiques Un atome de tritium a une masse atomique de . Le tritium existe comme corps pur sous la forme de T gazeux dans les conditions normales de température et de pression.

Quand elle comporte des atomes de tritium (H) plutôt que de protium (H) voire de deutérium (H), la molécule d'eau est plus lourde. Elle présente aussi de subtiles différences (dipôles différents Wang, J. H., Robinson, C. V. et Edelman, Self-diffusion and structure of liquid water. III. Measurement of the self-diffusion of liquid water with H, H and O as tracers, I. S., J. Am. Chem. Soc., 1953, 75, 466 (Résumé et )., moments d'inertie modifiés, légère différence massique) qui pour une molécule apparemment semblable pourraient peut-être expliquer de légères différences de comportements, dont pour l’eau tritiée lors des processus naturels de changement de phase (évaporation, condensation, cristallisation, diffusion/sorption). Ces différences pourraient, par exemple, expliquer un faible enrichissement en tritium de la phase condensée par rapport à l’hydrogène (plus léger).

HTO était et reste encore la molécule traceur considérée comme la moins différente de l'eau pure (H2O), HTO a par exemple été utilisée pour calculer la valeur de la perméabilité à l'eau de différents types de membranes biologiques (peau, intestin, muqueuses… chez différentes espèces).

Comme l'hydrogène, le tritium gazeux est difficile à stocker à température ambiante. De nombreux matériaux apparemment étanches, dont la plupart des aciers, sont poreux pour le tritium.

Propriétés chimiques En s'oxydant en présence d'oxygène, même en milieu sec, il produit de l'eau tritiée (HTO ou T2O), s'il y a une source de chaleur ou une étincelle.

Radioactivité La période radioactive du tritium est de 12,32 ans..

Il se transforme en hélium 3 par une désintégration β suivant la réaction nucléaire :

⟶ + + + .

L'électron émis emporte en moyenne une énergie cinétique de , le reste est emporté par un antineutrino électronique (pratiquement indétectable). L'énergie particulièrement faible de l'électron rend le tritium difficile à détecter autrement que par scintigraphie.

La radioactivité β de faible énergie fait que les électrons émis sont rapidement arrêtés dans l'eau et dans les tissus biologiques, après avoir parcouru seulement tout au plus (et en moyenne environ ).. Un rayonnement externe est donc rapidement arrêté par la simple surface « morte » de la peau humaine.

Cependant, contrairement à leur rayonnement, la plupart des molécules tritiées comme l'eau tritiée sont facilement absorbées à travers la peau, des membranes ou tissus biologiques de tous les êtres vivants. Sa radioactivité le rend donc potentiellement dangereux s'il est inhalé ou ingéré, a priori uniquement dans les cellules vivantes qu'il aura pénétrées.

Production Réactions de production Le tritium naturel est dit « cosmogénique » car provenant de l'interaction du rayonnement cosmique avec divers constituants de l'atmosphère. La réaction nucléaire dominante est l'interaction entre un neutron rapide (de plus de ) et un atome d'azote., par réaction (n,T) :

+ ⟶ + .

Environ (soit de tritium) seraient ainsi annuellement produits (moyenne qui peut cycliquement varier avec l'activité solaire ; quand elle est intense, le vent solaire qu'elle produit atténue le rayonnement cosmique qui frappe la Terre). L'inventaire global du tritium naturel terrestre serait d'environ (soit ) et la dose annuelle de radioactivité absorbée par un humain ayant le tritium d’origine naturelle est d’environ .

Les deux tiers environ du tritium naturel seraient produits dans la stratosphère et le reste dans l'hydrosphère et la lithosphère. De plus, un peu de tritium provient du milieu extraterrestre (émis par le Soleil ou d'autres étoiles et poussé par le rayonnement cosmique ou les vents solaires orientés vers la Terre, Rapport préparé pour la CCSN par EcoMetrix Incorporated, en collaboration avec RWDI Air Inc., ordonné en janvier 2007 par le tribunal de la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN) au personnel de la CCSN ; INFO-0792). Inversement, en même temps que de l'hydrogène, l'atmosphère terrestre perd un peu de tritium, arraché par les vents solaires en périphérie de la haute atmosphère.. Il s'en produit plus en période d'éruption solaire (environ )

Du tritium artificiel est cependant produit par l'humain en plus grande quantité depuis les années 1940, dans les explosions nucléaires ou lorsque du lithium est exposé à un flux neutronique. C'est le cas dans le réacteur d'une centrale nucléaire. L'isotope léger (Li), présent dans le lithium naturel à raison de 7,5 %, capture les neutrons et donne des noyaux d'hélium et de tritium suivant la réaction :

+ ⟶ (σ = ) ⟶ () + ().

Le lithium 7 exposé à des neutrons de haute énergie peut également subir une réaction (n, alpha) endothermique (réaction découverte lors de l'essai Castle Bravo ; dont l'explosion a été d'une énergie supérieure aux prévisions à cause de l'excès de tritium produit de cette manière).

+ (+) ⟶ + + .

Dans un réacteur à eau pressurisée, de l'acide borique est utilisé comme « poison » consommable. Le peut parfois occasionnellement. subir une fission ternaire (n, T, 2α), conduisant à deux atomes d'hélium et un de tritium Fusion Science and Technology, 54, 2, août 2008. :

+ ⟶ (σ = ) ⟶ 2 + .

Les réacteurs à eau lourde génèrent du tritium par capture d'un neutron par un atome de deutérium. Cette réaction n'a qu'une très faible section efficace (c'est pourquoi l'eau lourde est un bon modérateur) et ne produit que peu de tritium. La même réaction se produit sur la faible proportion de deutérium (0,015 %) dans les réacteurs où l'eau est utilisée comme caloporteur Long-Lived Activation Products in Reactor Materials, NUREG/CR-3474, lire en ligne, sur osti.gov..

+ ⟶ (σ = ) ⟶ .

Dans une centrale nucléaire, l' produit par la désintégration du tritium est lui-même réactivé en tritium par capture neutronique, facilité par sa grande section de capture pour des neutrons thermiquesRichard T. Kouzes, Edward R. Siciliano, James H. Ely, Paul E. Keller et Ronald J. McConn, Passive Neutron Detection at Borders, 2007 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. :

+ ⟶ (σ > ) ⟶ + + .

Le tritium est également produit dans les réacteurs nucléaires électrogènes comme produit de fission pour environ par an et par réacteur.. Le tritium produit par fission n'est normalement pas rejeté au niveau du réacteur, car il reste majoritairement dans le combustible pour se trouver dans la solution de produits de fission à l'usine de retraitement. Malgré tout, un réacteur de rejette de l'ordre de (soit ).

Production industrielle vignette|La première source civile de tritium dans le monde : les réacteurs CANDU, modérés à l'eau lourde.

Toutes les centrales nucléaires produisent du tritium qui est un résidu de l'exploitation des réacteurs. En France, . Des limites de rejets sont imposées pour chaque installation, par arrêté ( à ne pas dépasser pour les rejets de la centrale nucléaire de en 2005).

La principale source civile de tritium dans le monde est constituée par les réacteurs modérés à l'eau lourde, comme les CANDU ou les PHWR argentins de conception Siemens, où le tritium constitue un produit d'activation. Dans certains réacteurs, le tritium est périodiquement extrait du modérateur, et peut être disponible pour une utilisation industrielle.

Le tritium est extrait de l'eau lourde au « Tritium Removal Facility (TRF) » de l'Ontario Power Generation en deux étapes : extraction catalytique en phase vapeur, puis distillation cryogénique. Le TRF produit annuellement de tritiumLire en ligne, sur nuclearfaq.ca..

De 1962 à 1976, un laboratoire français du centre CEA de Saclay était équipé pour la production d'importantes quantités de tritium. Deux réacteurs de recherche français dénommés « Célestin I et II » qui sont entrés en service à Marcoule en 1967 et 1968 étaient particulièrement destinés à la production de tritium. En 1967, l'Atelier d'extraction du tritium des cibles, situé aussi à Marcoule, a commencé à fonctionner..

Le tritium à usages militaires est produit en réacteurs d'irradiation, par irradiation de lithium. C'est la méthode choisie par l'autre grand fournisseur de tritium civil, Reviss Services et envisagée pour le fonctionnement continu d'ITER.

C'est la source envisagée pour le démarrage d'ITER : la fusion thermonucléaire destinée à produire de l'énergie devrait bientôt utiliser le lithium dans une zone périphérique dite de couverture, enveloppant le cœur du réacteur, pour intercepter un maximum de neutrons produits par les réactions de fusion. Le tritium ainsi produit servirait à régénérer le tritium consommé par la réaction, ce qui permettrait de fermer le cycle de la voie fusion.

En est inaugurée la première installation européenne de traitement du tritium, TRF (pour ) à la centrale nucléaire de Cernavodă en Roumanie..

Usages Pour la fusion nucléaire vignette|Le taux de réaction de la fusion nucléaire est maximal pour le mélange D-T à .

Le tritium est un élément clef de la fusion nucléaire, par la grande section efficace et l'énergie dégagée par sa réaction avec le deutérium :

+ ⟶ + + .

Tous les noyaux composés de neutrons et de protons sont chargés positivement, et se repoussent du fait de la force électrostatique qui en résulte. Cependant, quand la température et la pression sont suffisamment élevées, ils peuvent se rapprocher au point que l'interaction forte prenne le dessus et provoque la fusion en un noyau plus gros.

Le noyau de tritium, formé d'un proton et de deux neutrons, a une charge électrique identique à celle du noyau d'un atome d'hydrogène, et subit donc la même répulsion électrostatique. Mais les neutrons augmentent l'effet de l'interaction forte, permettant une fusion plus facile qu'entre atomes d'hydrogène.

Usage militaire