Тритий

Шаблон:К объединению Шаблон:Нуклид Три́тий (Шаблон:Lang-grc «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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. 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<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>. 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:

<math>{}\mathrm{{}^{6}_{3}Li} + \mathrm{n} \rightarrow \mathrm{{}^{3}_{1}H} + \mathrm{{}^{4}_{2}He}</math>.

Радиационная опасность трития

Тритий имеет период полураспада Шаблон:Nobr<ref name="Nubase2003" />. Реакция распада трития имеет следующий вид:

<math>{}\mathrm{{}^{3}_{1}H} \rightarrow \mathrm{{}^{3}_{2}He^{1+}} + e^- + \bar{\nu}_e</math>.

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 Шаблон:Nobr и не могут преодолеть даже верхний слой кожи человека<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Производство и потребность

По данным отчета Шаблон:Нп3 1996 года, в США с 1955 года было произведено около 225 кг трития<ref name=ieer>Шаблон:Cite web полный текст Шаблон:Wayback</ref>. В конце XX — начале XXI века наработка ведется на Watts Bar-1 путём облучения TPBAR (англ. Шаблон:Lang-en2), планируется также использование АЭС Секвойя. Переработку и выделение трития проводят на Tritium Extraction Facility, Саванна-Ривер<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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»)<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Значительные количества трития (до 2,5—3,5 кг) для гражданских применений производит Канада на 21 тяжеловодном реакторе. Выделение изотопа — компания «Онтарио Хайдро», Дарлингтон<ref name="kalinowski95">Martin В. Kalinowski, Lars С. Colschen International Control of Tritium to Prevent Horizontal Proliferation and to Foster Nuclear Disarmament Шаблон:Wayback // Science & Global Security, 1994, vol. 5, рр. 131—203</ref>.

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

Большие количества трития потребуются для термоядерной энергетики: например, для запуска ITER потребуется как минимум около 3 кг трития, для запуска DEMO понадобится 4—10 кг<ref name="lanl03">Tritium Supply Considerations Шаблон:Wayback, LANL, 2003. «ITER startup inventory estimated to be ~3 Kg»</ref>. 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<ref name="lanl03"/>.

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 долларов<ref>Шаблон:Cite webBBC News — Is fusion power really viable? Шаблон:Wayback</ref>.

Применение

Тритиевый брелок, свечение в темноте (снимок с длительной выдержкой)

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<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Тритий используется в источниках подсветки в военных и гражданских приборах.

Также используется для создания начальной ионизации в ксеноновых дуговых лампах, некоторых неоновых лампахШаблон:Dn, рассчитанных на низкое напряжение работыШаблон:Уточнить, 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 ступениШаблон:Sfn. 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 литр<ref>IAEA, Tritium in the Environment, 2010.</ref>.
• 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 радиохимии<ref>UNSCEAR, Sources and Effects of Ionizing Radiation, 2000.</ref>.

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 среде<ref>WHO, Guidelines for Drinking-water Quality, 2017.</ref>.

См. также

• Протий
• Дейтерий
• Тяжёлая вода
• Тритиевая вода

Литература

• Шаблон:Статья