Тритиум

Тритиум ( ) или водород-3 (симбол T или H) — редок и радиоактивен изотоп на водород со полураспад од ~ 12,3 години. Јадрото на тритиум (t, понекогаш наречено тритон) содржи еден протон и два неутрони, додека јадрото на заедничкиот изотоп водород-1 (протиум) содржи еден протон и нема неутрони, а она на нерадиоактивен водород-2 (деутериум) содржи еден протон и еден неутрон. Тритиумот е најтешкиот изотоп на водород врзан за честички. Тој е еден од ретките нуклиди со посебно име. Употребата на името водород-3, иако посистематска, е многу поретка.

Природниот тритиум е исклучително редок на Земјата. Атмосферата има само траги, формирани од заемното дејство на нејзините гасови со космичките зраци. Може да се произведува вештачки со зрачење на литиум или керамички камчиња со литиум во јадрен реактор и е нуспроизвод со мало изобилство во нормалните операции на јадрените реактори.

Тритиумот се користи како извор на енергија во радиолуминисцентни светла за часовници, подобрувања на контрасти за огнено оружје, бројни инструменти и алати и новини како што се самоосветачките приврзоци за клучеви. Се користи во медицински и научни услови како радиотрасер. Тритиумот исто така се користи како гориво за јадреното соединување, заедно со повеќе изобилство деутериум, во реакторите токамак и во водородните бомби. Тритиумот комерцијално се користел и во бетаволтаични уреди како што се батериите нанотрициум.

Историја Тритиумот првпат бил откриен во 1934 година од страна на Ернест Радерфорд, Марк Олифант и Пол Хартек по бомбардирањето на деутериум со деутрони (јадра на деутериум). Деутериумот е уште еден изотоп на водород, кој природно се јавува со изобилство од 0,015%. Нивниот експеримент не можел да го изолира тритиумот, кој првпат бил постигнат во 1939 година од Луис Алварес и Роберт Корног, кои исто така ја разбрале радиоактивноста на тритиумот. Вилард Либи во 1954 година препознал дека тритиумот може да се користи за радиометриско датирање на вода и вино.

Распаѓање Полураспадот на тритиумот е наведен од Националниот институт за стандарди и технологија како () - годишна стапка од приближно 5,5% годишно. Тритиумот се распаѓа во хелиум-3 со бета-минус распаѓање како што е прикажано во оваа јадрена равенка:

{| border="0" |- style="height:2em;" | ||→ || ||+ || ||+ ||

ослободување 18.6 keV енергија во процесот. Кинетичката енергија на електронот варира, со просек од 5,7 keV, додека преостанатата енергија ја носи речиси незабележливото електронско антинеутрино. Бета-честичките од тритиум можат да навлезат само околу 6 милиметри од воздух, и тие не се способни да минуваат низ мртвиот најнадворешен слој на човечката кожа. Поради нивната ниска енергија во споредба со другите бета честички, количината на генерираното закочено зрачење е исто така помала. Невообичаено ниската енергија ослободена во распаѓањето на тритиум бета го прави распаѓањето (заедно со она на рениум-187) корисно за мерење на апсолутна маса на неутрино во лабораторија.

Ниската енергија на зрачењето на тритиум го отежнува откривањето на соединенијата означени со тритиум, освен со користење на броење на течна сцинтилација.

Производство Литиум Тритиумот најчесто се произведува во јадрено реактори со неутронско активирање на литиум-6. Ослободувањето и расејувањето на тритиум и хелиум произведени со цепење на литиум може да се случи во керамиката позната како одгледувачка керамика. Производството на тритиум од литиум-6 во таквата одгледувачка керамика е можно со неутрони од која било енергија, иако пресекот е поголем кога инцидентните неутрони имаат помала енергија, достигнувајќи повеќе од 900 барнови за топлински неутрони. Ова е егзотермна реакција, која дава 4,8 MeV. За споредба, спојувањето на деутериум со тритиум ослободува околу 17,6 MeV. За примена во предложените енергетски реактори за спојувањето, како што е ITER, се развиваат камчиња кои се состојат од литиумска керамика, вклучително LiTiO и LiSiO

+ n → (2.05 MeV) + (2.75 MeV)

Високо-енергетските неутрони, исто така, можат да произведат тритиум од литиум-7 во ендотоплинска реакција, трошејќи 2,466 MeV. Ова било откриено кога јадрената проба во замокот Браво во 1954 година дала неочекувано висок принос. Пред овој тест, погрешно се претпоставувало дека би апсорбирал неутрон за да стане , што би се намалило на бета до , кој пак би се распаднал на две јадра на вкупна временска рамка многу подолга од времетраењето на експлозијата.

+ n → + + n

Бор Високо-енергетските неутрони кои зрачат со бор-10, исто така повремено произведуваат тритиум:

+ n → 2 +

Почест резултат на зафаќање на неутрони на бор-10 еLi и една алфа-честичка.

Особено во реакторите со вода под притисок кои само делумно ги термализираат неутроните, заемното дејство помеѓу релативно брзите неутрони и борната киселина додадена како хемиска обвивка произведува мали, но незанемарливи количини на тритиум.

Деутериум Тритиумот се произведува и во реактори со умерена тешка вода секогаш кога јадрото на деутериум фаќа неутрон. Оваа реакција има мал пресек на апсорпција, што ја прави тешката вода добар модератор на неутрони, а се произведува релативно малку тритиум. И покрај тоа, чистењето на тритиумот од модераторот може да биде пожелно по неколку години за да се намали ризикот од негово бегство во околината. „Објектот за отстранување на тритиум“ на Ontario Power Generation е способен да преработи до 2,500 тони тешка вода годишно, и одвојува околу 2,5 килограми од тритиум, што го прави достапен за други намени. Реакторите CANDU обично произведуваат 130 грама од тритиум годишно, кој се обновува во капацитетот за обновување на тритиум во Дарлингтон (DTRF) прикачен на MW јадрена станица за производство од Дарлингтон во Онтарио од 3.512 MW. Вкупното производство во ДТРФ помеѓу 1989 и 2011 година 42,5 килограми – со активност од : во просек околу 2 килограми годишно.

Апсорпциониот пресек на деутериум за топлинските неутрони е околу 0,52 милибарни, додека оној на кислород-16 (O) е околу 0,19 милибарни и оној на кислород-17 (O) е околу 240 милибарни. Додека O е далеку најчестиот изотоп на кислородот и во природниот кислород и во тешката вода; во зависност од методот на одвојување на изотопи, тешката вода може да биде малку побогата со O и C, непожелен долговечен бета емитер, од O) тие се нето „потрошувачи на неутрони“ и затоа се непожелни во модератор на реактор на природен ураниум кој треба да ја одржува ниската апсорпција на неутроните надвор од ниската апсорпција на неутроните. Некои капацитети кои отстрануваат тритиум, исто така, ја отстрануваат (или барем ја намалуваат содржината на) O и O, кои можат - барем во принцип - да се користат за означување на изотоп.

Индија, која исто така има голема флота на реактори за тешка вода под притисок (првично технологија CANDU, но откако била интигенизирана и дополнително развиена технологија IPHWR ), исто така отстранува барем дел од тритиумот произведен во модераторот/течноста за ладење на своите реактори, но поради природата на двојна употреба на тритиумот и индиската програма за јадрена бомба, помалку информации за ова се јавно достапни отколку во Канада.

Јадрено цепење Тритиумот е невообичаен производ од јадрено цепење на ураниум-235, плутониум-239 и ураниум-233, со производство од околу еден атом на 10 јадрено цепење. Главните патишта за производство на тритиум вклучуваат тројно цепење. Ослободувањето или обновувањето на тритиумот треба да се земе предвид при работата на јадрените реактори, особено при преработката на јадреното гориво и складирањето на потрошеното јадрено гориво . Производството на тритиум не е цел, туку несакан ефект. Се испушта во атмосферата во мали количини од некои јадрени централи. Волоксидацијата е опционален дополнителен чекор во јадрена повторна обработка што ги отстранува испарливите производи на фисија (како што се сите изотопи на водород) пред да започне воден процес. Ова во принцип би овозможило економско обновување на произведениот тритиум, но дури и ако тритиумот се отстранува само и не се користи, тој има потенцијал да ја намали контаминацијата со тритиум во користената вода, намалувајќи ја радиоактивноста што се ослободува кога водата се испушта бидејќи тритиираната вода не може да се отстрани од „обична“ вода освен со одвојување на изотоп. +Годишно испуштање на тритиум од јадрени постројкиМестоЈадрен објектНајблиска водаТечност (TBq)Steam (TBq)Вкупно (TBq)Вкупно (mg)yearЈадрена централа Хајшам BИрско Море396 2.13981,1152019СелафилдИрско Море423 56 4791,3422019Јадрена централа Черна Вода Unit 1Црно Море 140 1522928722018Ла АгАнглиски канал11,400 6011,46032,1002018Јадрена централа ВолсонгЈапонско Море107 80.91882020 (table 8)Јадрена централа МаншанЛусонски Проток35 9.4441232015Јадрена централа ФучингТајвански Проток52 0.8521462020Sanmen Nuclear Power StationEast China Sea20 0.420562020Јадрена централа Брус A, BГолеми Езера756 9941,7504,9012018Јадрена централа ДарлингтонГолеми Езера  220 2104301,2042018Јадрена централа Пикеринг Units 1-4Големи Езера 140 3004401,2322015Јадрена централа Кањон Units1, 2Pacific Ocean82 2.7842352019 Фукушима Даичи Во јуни 2016 година, работната група за тритиумска вода објавила извештај за статусот на тритиум во тритиумската вода во јадрената централа Фукушима Даичи, како дел од разгледувањето на опциите за конечно отстранување на складираната контаминирана вода за ладење. Извештајот изнел дека одржувањето на тритиум на лице место во март 2016 година изнесува 760 TBq (еквивалентно на 2,1 g тритиум или 14 mL чиста тритиирана вода) во вкупно 860.000 m складирана вода. Овој извештај, исто така, ја идентификувал намалената концентрација на тритиум во водата извлечена од зградите итн. за складирање, со фактор од десет пад во текот на разгледаните пет години (2011-2016), 3.3 MBq/L до 0,3 MBq/L (по корекција за 5% годишно распаѓање на тритиум).

Според извештајот на експертската комисија која го разгледувала најдобриот пристап за справување со ова прашање, „Тритиумот може да се одвои теоретски, но не постои практична технологија за сепарација на индустриско ниво“. Според комисијата, се вели дека „контролираното ослободување од околината е најдобриот начин за третирање на водата со ниска концентрација на тритиум“. По кампањата за информирање на јавноста спонзорирана од јапонската влада, постепеното ослободување во морето на тритираната вода започнало на 24 август 2023 година и е прво од четирите изданија до март 2024 година. Целиот процес ќе трае „децениски“ додека не заврши. Кина реагирала со протест. Меѓународната агенција за атомска енергија го одобрила планот. Ослободената вода се разредува за да се намали концентрацијата на тритиум на помалку од 1500 Bq/L, далеку под границата препорачана во водата за пиење од СЗО.

Хелиум-3 Распанатиот производ на тритиум, хелиум-3, има многу голем пресек (5330 barns) за реакција со топлински неутрони, исфрлајќи протон; оттука, тој брзо се претвора назад во тритиум во јадрени реактори.

+ n → +

Космички зраци Тритиумот природно се јавува поради космичките зраци кои се во заемно дејство со атмосферските гасови. Во најважната реакција за природно производство, брз неутрон (кој мора да има енергија поголема од 4,0 MeV ) комуницира со атмосферскиот азот:

+ n → +

Во светот, производството на тритиум од природни извори е 148 петабекерели годишно. Глобалниот рамнотежен инвентар на тритиум создаден од природни извори останува приближно константен на 2.590 петабекерели. Ова се должи на фиксната стапка на производство и загубите сразмерни на залихите.

Историја на производство

САД Тритиум за американско јадрено оружје се произведувало во специјални реактори за тешка вода на место на реката Савана до нивното затворање во 1988 година. Со Договорот за намалување на стратешкото оружје (СТАРТ) по завршувањето на Студената војна, постојните резерви биле доволни за новиот, помал број јадрени оружја некое време.