Тритий

Тритий (обозначается T или ³H) — радиоактивный изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов. В природе встречается в крайне малых количествах, образуясь в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения, а также является побочным продуктом работы ядерных реакторов. Тритий — один из трёх природных изотопов водорода, наряду с протием (¹H) и дейтерием (²H). Обладает периодом полураспада 12,32 года, испуская бета-излучение низкой энергии.

История открытия

Предсказание существования сверхтяжёлого изотопа водорода с массой 3 было сделано в 1934 году Эрнестом Резерфордом, Марком Олифантом и Паулем Хартеком в ходе экспериментов по бомбардировке дейтерия дейтронами. В 1934 году им удалось получить тритий в лабораторных условиях, однако его идентификация как стабильного изотопа была ошибочной. В 1939 году Луис Альварес и Роберт Корног экспериментально подтвердили радиоактивность трития, измерив его период полураспада.

Первое крупномасштабное производство трития было налажено в рамках Манхэттенского проекта (США) в 1944 году для создания термоядерного оружия. В СССР работы по получению трития начались в конце 1940-х годов под руководством И. В. Курчатова.

Физические и химические свойства

Ядерные свойства

• Массовое число: 3,0160492 а.е.м.
• Избыток массы: 14,949 МэВ
• Тип распада: β⁻-распад с образованием гелия-3 (³He)
• Энергия распада: 18,59 кэВ (максимальная), средняя энергия бета-частиц — 5,7 кэВ
• Период полураспада: 12,32 ± 0,02 года
• Удельная активность: 3,57×10¹⁴ Бк/г

Химические свойства

Химически тритий ведёт себя практически идентично обычному водороду, но из-за большей массы (в три раза тяжелее протия) его реакции протекают медленнее (изотопный эффект). Тритий образует все те же соединения, что и водород: тритиевую воду (T₂O), тритированный метан (CT₄), тритированные органические кислоты и т.д. Молекулярный тритий (T₂) — газ без цвета и запаха, температура кипения — 25,04 К, температура плавления — 20,62 К.

Радиоактивность

Тритий — чистый бета-излучатель. Бета-частицы имеют малую энергию и пробег в воздухе не более 6 мм, в воде — до 0,5 мм. Бета-излучение трития не проникает через кожу человека, однако при попадании внутрь организма (ингаляционно, с пищей или через кожу) тритий представляет серьёзную радиационную опасность, так как легко замещает водород в биологических молекулах. Период биологического полувыведения трития из организма человека составляет около 10 дней.

Получение

Промышленное производство

Основной способ получения трития — облучение лития-6 (⁶Li) нейтронами в ядерных реакторах: ⁶Li + n → ³H + ⁴He + 4,78 МэВ

Для этого используются специальные мишени из гидрида лития или металлического лития, размещаемые в активной зоне реактора. После облучения тритий извлекают путём нагрева мишени или химической экстракции.

Побочное производство

Тритий образуется как побочный продукт в тяжеловодных реакторах (например, CANDU) при захвате нейтронов дейтерием: ²H + n → ³H + γ

В таких реакторах нарабатывается до 1-2 кг трития в год.

Лабораторные методы

В лабораторных условиях тритий получают бомбардировкой дейтерия дейтронами на ускорителях (реакция ²H + ²H → ³H + ¹H), а также выделением из отработанных ядерных топливных элементов.

Применение

Термоядерное оружие

Тритий является ключевым компонентом термоядерных (водородных) бомб. В реакции синтеза дейтерия и трития выделяется огромная энергия: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 МэВ

В боеголовках тритий используется в виде газа или гидрида лития (LiT), который при облучении нейтронами выделяет тритий непосредственно в момент взрыва. Из-за короткого периода полураспада тритий в оружии требует регулярной замены (каждые 5-10 лет).

Управляемый термоядерный синтез

Реакция D+T является наиболее перспективной для термоядерных реакторов из-за наибольшего сечения реакции при относительно низких температурах (около 100 млн К). В проектах ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) и DEMO предусмотрено использование трития в качестве топлива. Проблема заключается в том, что тритий не встречается в природе в достаточных количествах, поэтому в реакторах-размножителях планируется нарабатывать его из лития, окружающего реакционную камеру.

Светосоставы постоянного действия

Тритий используется в газоразрядных источниках света (бета-свет). Принцип действия: бета-частицы трития возбуждают люминофор, нанесённый на внутреннюю поверхность стеклянной колбы. Такие источники работают без внешнего питания 10-20 лет. Применяются в:

• Наручных часах и приборах (например, часы Luminox, Traser)
• Аварийных указателях и знаках эвакуации
• Прицелах для оружия (ночные прицелы)
• Подсветке приборных панелей в авиации и на флоте

Научные исследования

• Геохронология: тритий используется для датирования молодых вод (до 50 лет) — метод тритиевого анализа позволяет определять возраст подземных вод, ледников и вина.
• Изотопная метка: в биохимии и медицине тритий применяют для мечения органических молекул (например, тимидина) с целью изучения метаболизма, синтеза ДНК и клеточного деления.
• Радиоизотопные источники энергии: тритий используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) малой мощности (до нескольких ватт) для питания космических аппаратов и автономных датчиков.

Промышленность

• Контроль утечек: тритий добавляют в газовые смеси для обнаружения утечек в трубопроводах и вакуумных системах.
• Аналитическая химия: тритий используется в качестве индикатора в хроматографии и масс-спектрометрии.

Биологическое действие и безопасность

Радиотоксичность

Тритий относится к радионуклидам средней радиотоксичности. При попадании внутрь организма он равномерно распределяется по всем тканям, включая ДНК, что повышает риск мутаций и рака. Предельно допустимая концентрация трития в питьевой воде в России составляет 7700 Бк/л (СанПиН 2.6.1.2523-09). В США (EPA) — 740 Бк/л.

Защита

Работа с тритием требует использования герметичных перчаточных боксов, вентиляции и средств индивидуальной защиты (респираторы, защитные костюмы). Тритий легко проникает через резину и некоторые пластики, поэтому в качестве уплотнителей используют металлы или фторопласт. Утилизация тритийсодержащих отходов производится путём разбавления до безопасных концентраций или захоронения в специальных хранилищах.

Экологические аспекты

Выбросы трития происходят при работе АЭС (особенно тяжеловодных), при производстве ядерного оружия и при переработке отработанного ядерного топлива. В окружающей среде тритий быстро вступает в обмен с водородом воды, образуя тритированную воду (HTO). В биосфере тритий включается в круговорот воды и может накапливаться в живых организмах. Международные нормы (МАГАТЭ) ограничивают выбросы трития с АЭС до 10⁴ Бк/год для типового реактора.

Интересные факты

• Тритий — единственный радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада, достаточным для практического использования.
• В 1950-х годах в США проводились эксперименты по добавлению трития в питьевую воду для изучения гидрологического цикла (проект «Тритий»).
• Тритий входит в состав «тритиевых батареек» — радиоизотопных источников питания, которые могут работать до 20 лет без подзарядки.
• В 2019 году учёные из Китая впервые получили тритий в термоядерном реакторе EAST.
• Содержание трития в природных водах составляет около 10⁻¹⁸ атомных процентов (примерно 1 атом на 10¹⁸ атомов водорода).

Источники

• Резерфорд Э., Олифант М., Хартек П. «Трансмутация изотопов водорода» (1934)
• Альварес Л., Корног Р. «Радиоактивность трития» (1939)
• «Тритий: свойства, получение, применение» — сборник статей под ред. В.Н. Комарова, Атомиздат, 1970
• «Радиохимия» — учебник под ред. А.Н. Несмеянова, М.: Высшая школа, 1978
• «Тритий в окружающей среде» — доклад МАГАТЭ, 2004
• «СанПиН 2.6.1.2523-09. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)»