Тритий

Три́тий ( «третий») — радиоактивный изотоп водорода. Обозначается T или 3H. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном.

В природе тритий образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов, например, азота. В процессе распада тритий превращается в 3He с испусканием электрона и антинейтрино (бета-распад), период полураспада — 12,32 года. Доступная энергия распада очень мала (18,59 кэВ), средняя энергия электронов 5,7 кэВ.

Тритий открыт английскими учёными Эрнестом Резерфордом, Маркусом Олифантом и Паулем Хартеком в 1934 году. Название для этого изотопа было предложено на случай открытия ещё до него, 15 июня 1933 года, Юри, Мерфи и Брикведде в том же письме редактору научного журнала «The Journal of Chemical Physics», где они предложили названия для двух известных изотопов водорода — протия и дейтерия. Используется в биологии и химии как радиоактивная метка, в экспериментах по исследованию свойств нейтрино, в термоядерном оружии как источник нейтронов и одновременно термоядерное горючее, в геологии для датирования природных вод. Промышленный тритий получают облучением лития-6 нейтронами в ядерных реакторах по следующей реакции:

.

Радиационная опасность трития Тритий имеет период полураспада . Реакция распада трития имеет следующий вид:

.

При этом выделяется 18,59 кэВ энергии, из них на электрон (бета-частицу) приходится в среднем 5,7 кэВ, а на электронное антинейтрино — оставшаяся часть. Образовавшиеся бета-частицы распространяются в воздухе всего на и не могут преодолеть даже верхний слой кожи человека.

В силу малой энергии распада трития испускаемые электроны хорошо задерживаются даже простейшими преградами типа одежды или резиновых хирургических перчаток. Тем не менее, этот изотоп представляет радиационную опасность при вдыхании, поглощении с пищей, впитывании через кожу. Единичный случай употребления тритиевой воды не приводит к длительному накоплению трития в организме, так как его период полувыведения — от 7 до 14 дней.

Производство и потребность По данным отчета 1996 года, в США с 1955 года было произведено около 225 кг трития полный текст . В конце XX — начале XXI века наработка ведется на Watts Bar-1 путём облучения TPBAR (), планируется также использование АЭС Секвойя. Переработку и выделение трития проводят на Tritium Extraction Facility, Саванна-Ривер.

В СССР и России тритий производился на реакторах АИ, АВ-3, ОК-180, ОК-190, РУСЛАН, Л-2; изотоп выделяется на заводе РТ-1 (ПО «Маяк»).

Значительные количества трития (до 2,5—3,5 кг) для гражданских применений производит Канада на 21 тяжеловодном реакторе. Выделение изотопа — компания «Онтарио Хайдро», ДарлингтонMartin В. Kalinowski, Lars С. Colschen International Control of Tritium to Prevent Horizontal Proliferation and to Foster Nuclear Disarmament // Science & Global Security, 1994, vol. 5, рр. 131—203.

Мировая коммерческая потребность в тритии на 1995 год составляет ежегодно около 400 г, и ещё порядка 2 кг требовалось для поддержания ядерного арсенала США (7 кг для всех мировых военных потребителей). Около 4 кг трития в год образуется на АЭС, но не извлекаетсяInternational Control of Tritium for Nuclear Nonproliferation and Disarmament , CRC Press, 2004, page 15.

Большие количества трития потребуются для термоядерной энергетики: например, для запуска ITER потребуется как минимум около 3 кг трития, для запуска DEMO понадобится 4—10 кгTritium Supply Considerations , LANL, 2003. «ITER startup inventory estimated to be ~3 Kg». Гипотетический тритиевый реактор потреблял бы 56 кг трития на производство 1 ГВт·года электроэнергии, тогда как всемирные запасы трития на 2003 год составляли всего 18 кг.

По словам Яна Беранека, политика и активиста из организации «Гринпис» и чешской партии зелёных, в 2010 году производство одного килограмма трития обходилось в 30 млн долларовBBC News — Is fusion power really viable? .

Применение

В 2012 году канадская фирма City Labs представила радиоизотопные генераторы электричества сверхмалой мощности на базе трития, способные питать различные микроэлектронные устройства, таких как RFID-метки, автономные датчики, медицинские имплантаты. При цене порядка 1000 долларов срок службы генератора составляет около 20 лет.

Тритий используется в источниках подсветки в военных и гражданских приборах.

Также используется для создания начальной ионизации в ксеноновых дуговых лампах, некоторых неоновых лампах, рассчитанных на низкое напряжение работы, разрядниках. Он добавляется в рабочую смесь газов газоразрядного прибора в небольших активностях (до 0,1 мкКи).

Применяется в нейтронных генераторах — мишень изготавливается из тритида титана, а сама трубка нейтронного генератора заполняется газообразным дейтерием.

Применяется в ядерном и термоядерном оружии, либо в виде дейтерий-тритиевой смеси (бустинг), нагнетаемой в сферическую полость плутониевого заряда, и в виде примеси к дейтериду лития (тритид лития) в термоядерной ступени. Реакция D + T является источником быстрых нейтронов, вызывающих деление урана-238.

Огромное значение тритий имеет для управляемого термоядерного синтеза.

Методы анализа Анализ трития в воде, биологических объектах и промышленных материалах требует высокой чувствительности из-за низкой энергии его β-излучения. Основные методы включают:

Жидкостная сцинтилляционная спектроскопия. Наиболее распространённый метод для измерения концентрации трития в воде. Образец смешивается со сцинтилляционным раствором, и регистрируются β-частицы. Этот метод позволяет достигать концентраций на уровне единиц или десятых беккерелей на литрIAEA, Tritium in the Environment, 2010.. Газовая сцинтилляционная спектроскопия. Применяется для анализа газообразного трития (например, HT) и обеспечивает прямое измерение β-излучения.

Масспектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Используется для определения трития в сложных матрицах с высокой точностью. Метод основан на регистрации атомов водорода с учётом массового числа 3.

Электрохимические методы. Включают использование электролиза для концентрирования трития из больших объёмов воды перед спектроскопическим измерением.

Автоматизированные и комбинированные методы. В современных лабораториях применяются роботизированные системы и методы предварительного концентрирования, которые повышают чувствительность и снижают дозовое воздействие на персонал. Эти методы широко используются в научных исследованиях, гидрологических и экологических мониторингах, атомной энергетике и радиохимииUNSCEAR, Sources and Effects of Ionizing Radiation, 2000.. Безопасность Тритий может попадать в организм через воду, пищу или дыхание. При низких концентрациях воздействие на здоровье минимально, однако при длительном накоплении возможны биологические эффекты. Контроль уровня трития проводится в ядерных объектах, лабораториях и окружающей средеWHO, Guidelines for Drinking-water Quality, 2017.. См. также

Протий Дейтерий Тяжёлая вода Тритиевая вода

Примечания

Литература

Ссылки

Категория:Изотопы водорода Категория:Радиохимия Категория:Термоядерное топливо Категория:Радионуклиды, использующиеся для датирования Категория:Радиолюминофоры