Дейтерий и тритий

Дейтерий и тритий — это изотопы водорода, ядра которых содержат, помимо одного протона, один и два нейтрона соответственно. В отличие от обычного водорода (протия), имеющего ядро из одного протона, дейтерий и тритий обладают большей атомной массой и рядом уникальных физических свойств. Дейтерий является стабильным изотопом, а тритий — радиоактивным. Оба изотопа играют ключевую роль в ядерной физике, энергетике, химии и биологии, в первую очередь как компоненты термоядерного топлива.

История открытия

Открытие дейтерия

Существование дейтерия было предсказано в 1913 году американским химиком Гарольдом Юри на основе теоретических расчётов. В 1931 году Юри, совместно с Фердинандом Брикведде и Джорджем Мерфи, экспериментально обнаружил дейтерий при спектроскопическом анализе жидкого водорода. За это открытие в 1934 году Юри был удостоен Нобелевской премии по химии. Название «дейтерий» происходит от греческого «δεύτερος» (второй), что указывает на его положение как второго изотопа водорода.

Открытие трития

Тритий был впервые получен искусственно в 1934 году в Кембриджском университете группой учёных под руководством Эрнеста Резерфорда, Марка Олифанта и Пауля Хартека. Они бомбардировали дейтерированную мишень (содержащую дейтерий) дейтронами (ядрами дейтерия), в результате чего образовывался тритий и протон. Самостоятельно тритий в природе встречается в ничтожных количествах, образуясь в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. Название происходит от греческого «τρίτος» (третий).

Физические свойства

Ядерный состав и масса

• Дейтерий (обозначается D или ²H): ядро состоит из одного протона и одного нейтрона. Атомная масса — 2,01410178 а. е. м.
• Тритий (обозначается T или ³H): ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомная масса — 3,01604928 а. е. м.

Радиоактивность

Дейтерий является стабильным изотопом. Тритий, напротив, радиоактивен. Он испускает бета-частицы (электроны) с энергией около 18,6 кэВ, превращаясь в стабильный изотоп гелия-3 (³He). Период полураспада трития составляет 12,32 года. Это означает, что за 12,32 года половина атомов трития в образце распадается.

Химические свойства

Химические свойства дейтерия и трития практически идентичны свойствам обычного водорода, однако из-за разницы в массе наблюдаются изотопные эффекты. Например, связи D–O и T–O прочнее, чем H–O, что приводит к различиям в температурах кипения и плавления воды, а также в скоростях химических реакций. Тяжёлая вода (D₂O) кипит при 101,4 °C и замерзает при 3,82 °C, в то время как обычная вода — при 100 °C и 0 °C соответственно.

Получение

Получение дейтерия

Основным источником дейтерия является природная вода, где его содержание составляет около 0,0156% (примерно 156 атомов на миллион атомов водорода). Промышленное получение дейтерия осуществляется методами изотопного обмена, в частности:

• Сернисто-водородный процесс (процесс GS): основан на обмене изотопов между сероводородом (H₂S) и водой. Вода обогащается дейтерием при контакте с сероводородом в колоннах при разных температурах.
• Электролиз воды: при электролизе воды лёгкий водород (протий) выделяется быстрее, чем дейтерий, что позволяет постепенно накапливать тяжёлую воду.

Получение трития

Тритий практически не встречается в природе в значимых количествах. Его получают искусственно в ядерных реакторах путём облучения лития-6 (⁶Li) нейтронами: ⁶Li + n → ³H + ⁴He + 4,8 МэВ. Также тритий образуется как побочный продукт в реакторах при делении урана или плутония. Промышленное производство трития в России осуществляется на предприятиях атомной отрасли, в частности, на Сибирском химическом комбинате (г. Северск).

Применение

Термоядерная энергетика

Главное применение дейтерия и трития — в качестве топлива для термоядерных реакций синтеза. Наиболее перспективной является реакция: D + T → ⁴He + n + 17,6 МэВ. Эта реакция имеет наибольшее сечение (вероятность) при относительно низких температурах (около 100 миллионов градусов), что делает её наиболее легко достижимой для управляемого термоядерного синтеза. В экспериментальных установках, таких как токамаки (например, ИТЭР, сооружаемый во Франции при участии России), смесь дейтерия и трития используется для получения плазмы и генерации энергии. В термоядерном оружии (водородных бомбах) также используется дейтерид лития, который при облучении нейтронами образует тритий и вступает в реакцию синтеза.

Ядерное оружие

Дейтерий и тритий являются компонентами термоядерных зарядов. В первичном узле (ядерном детонаторе) используется плутоний или уран, а во вторичном узле — дейтерид лития (LiD). При взрыве первичного узла выделяются нейтроны, которые взаимодействуют с литием, образуя тритий, который затем вступает в реакцию синтеза с дейтерием, высвобождая огромную энергию.

Биологические и медицинские исследования

• Дейтерий: используется в качестве изотопной метки в биохимии и фармакологии. Дейтерированные соединения (например, дейтерированная вода D₂O) применяются для изучения метаболизма, кинетики ферментативных реакций и структуры белков. В медицине дейтерий иногда используется в качестве контрастного вещества в магнитно-резонансной томографии (МРТ).
• Тритий: используется в качестве радиоактивной метки в биологических экспериментах. Тритий-меченные соединения (например, тимидин с тритием) применяются для изучения синтеза ДНК, клеточного деления и распределения лекарств в организме. Также тритий используется в светящихся красках (например, на циферблатах часов и приборов) — его бета-излучение возбуждает люминофор, создавая свечение без внешнего источника энергии.

Промышленность и наука

• Дейтерий: применяется в качестве замедлителя нейтронов в некоторых типах ядерных реакторов (тяжеловодные реакторы, например, CANDU). Тяжёлая вода используется в нейтронной спектроскопии и для получения изотопов других элементов.
• Тритий: используется в нейтронных генераторах, где в реакции D+T получают нейтроны с энергией 14,1 МэВ. Такие генераторы применяются в геологоразведке (для поиска нефти и газа), в системах безопасности (для обнаружения взрывчатых веществ) и в научных исследованиях.

Безопасность и экология

Радиационная опасность трития

Тритий является радиоактивным изотопом. Его бета-излучение имеет низкую проникающую способность (пробег в воздухе — несколько миллиметров, в воде — около 6 микрометров), поэтому внешнее облучение от трития не представляет серьёзной опасности. Однако при попадании внутрь организма (с водой, пищей или через кожу) тритий может накапливаться в тканях и вызывать внутреннее облучение. Период биологического полувыведения трития из организма человека составляет около 10 дней. Предельно допустимая концентрация трития в питьевой воде в России устанавливается санитарными нормами.

Экологические аспекты

Основные выбросы трития в окружающую среду происходят при работе атомных электростанций, особенно при переработке отработавшего ядерного топлива. В России контроль за выбросами трития осуществляется Ростехнадзором. В природе тритий быстро разбавляется и не накапливается в пищевых цепях, однако его долгосрочное воздействие на экосистемы изучается.

Интересные факты

• Тяжёлая вода (D₂O) токсична для живых организмов в больших концентрациях, так как замедляет биохимические реакции. При замещении более 30% воды в организме на D₂O наступает гибель.
• Тритий используется в некоторых моделях «вечных» часов и брелоков, которые светятся в темноте без батареек. Срок службы таких изделий — около 10–15 лет.
• В 2020 году в России на установке токамак Т-15МД (г. Москва) были проведены первые эксперименты с дейтерий-тритиевой плазмой, что стало важным шагом в развитии термоядерной энергетики.
• Дейтерий входит в состав «тяжёлой воды», которая впервые была получена в чистом виде в 1933 году Гилбертом Льюисом.

Источники

• Атомная энергия. Том 1, 2. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
• Физика ядерных реакторов. — М.: Атомиздат, 1978.
• Химия изотопов водорода. — М.: Наука, 1980.
• Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Роспотребнадзор, 2009.
• Отчёт МАГАТЭ по тритию. — Вена: МАГАТЭ, 2018.