Τρίτιο

Το τρίτιο ή υδρογόνο-3 (σύμβολο T ή ³H, επίσης γνωστό ως υπερβαρύ υδρογόνο) είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου. Ο πυρήνας του τρίτιου, που μερικές φορές ονομάζεται «τριτόνιο», περιέχει ένα (1) πρωτόνιο και δύο (2) νετρόνια. Το τρίτιο είναι πολύ σπάνιο στη Γη, όπου ιχνοποσότητες του ισοτόπου σχηματίζονται κατά την επίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα του πλανήτη. Το όνομα αυτού του ισοτόπου προέρχεται από την ελληνική λέξη «τρίτος».

 Το τρίτιο υπάρχει στη φύση χάρη στην κοσμική ακτινοβολία, η οποία αλληλεπιδρά με τα ατμοσφαιρικά αέρια. Η πιο σημαντική από αυτές τις αντιδράσεις, για τη φυσική παραγωγή του τρίτιου, είναι ένα ταχύ νετρόνιο (το οποίο πρέπει να έχει ενέργεια μεγαλύτερη από 4,0 MeV) που επιδρά με ατμοσφαιρικό άζωτο: Η παγκόσμια ισορροπία παραγωγής - διάσπασης τρίτιου είναι ακριβώς σταθερή, εξαιτίας ενός σταθερού ρυθμού παραγωγής και διάσπασης. Σύμφωνα με την αναφορά του Ιδρύματος για την Ενέργεια και την Έρευνα Περιβάλλοντος (Institute for Energy and Environmental Research) του 1996 για το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (U.S. Department of Energy), μόνο 225 kg τρίτιου παράχθηκαν στις ΗΠΑ από το 1955. Κατά το διάστημα που αναφέρθηκε, οι σταθερές διασπάσεις τρίτιου σε ήλιο-3 ανήλθαν σε μια συνολική ποσότητα περίπου 75 kg. Το τρίτιο που χρησιμοποιήθηκε για αμερικανικά πυρηνικά όπλα παράχθηκε σε ειδικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες βαρέως ύδατος στο Savannah River Site, μέχρι που έκλεισε το 1988. Με τη Συμφωνία START, μετά το τέλος του Ψυχρού Πολέμου, οι υπάρχουσες ποσότητες ήταν αρκετές για την παραγωγή ενός μικρότερου αριθμού νέων πυρηνικών όπλων, για κάποιο χρονικό διάστημα. Η παραγωγή του τρίτιου επαναλήφθηκε με τη διέγερση των ράβδων ελέγχου λιθίου (που αντικατέστησαν τους αντίστοιχους συνήθως χρησιμοποιούμενων ράβδων βόριου, κάδμιου και άφνιου), στους εμπορικής χρήσης πυρηνικούς αντιδραστήρες Watts Bar Nuclear Generating Station, κατά τη χρονική περίοδο 2003-2005, που ακολουθήθηκε από την εξαγωγή τρίτιου από ράβδους ελέγχου στη νέα (τότε) Tritium Extraction Facility, στο Savannah River Site, αρχίζοντας από το Νοέμβριο του 2006. Η διαρροή τρίτιου από τις TPBARs κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του αντιδραστήρα περιορίζει την ποσότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε αντιδραστήρα, χωρίς υπέρβαση των μέγιστων επιτρεπόμενων επιπέδων τρίτιου στο ψυκτικό μέσο. Το τρίτιο είναι ένα ασυνήθιστο προϊόν της πυρηνικής σχάσης του ουράνιου-235, του πλουτώνιου-239 και ουράνιου-233, με μια παραγωγή ανά περίπου 10.000 σχάσεις. Αυτό σημαίνει ότι η έκλυση ή η ανάκτηση του τρίτιου πρέπει να θεωρηθεί μια διεργασία των πυρηνικών αντιδραστήρων, ιδιαίτερα στην επανεπεξεργασία των πυρηνικών καυσίμων και την αποθήκευση των αναλωμένων πυρηνικών καυσίμων. Η παραγωγή του τρίτιου, σ' αυτήν την περίπτωση δεν είναι το ζητούμενο, αλλά μάλλον ένα παραπροϊόν. Το τρίτιο παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες με ενεργοποίηση νετρονίου του λίθιου-6. Αυτό είναι δυνατό με νετρόνια οποιασδήποτε ενέργειας, και πρόκειται για εξώθερμη αντίδραση, που αποδίδει 4,8 MeV. Επιπλέον, η πυρηνική σύντηξη δευτέριου και τρίτιου αποδίδει 17,6 MeV ενέργειας. Η συνολική στοιχειομετρική εξίσωση της πυρηνικής αντίδρασης είναι η ακόλουθη: Τα υψηλής ενέργειας νετρόνια μπορούν επίσης να παραγάγουν τρίτιο από λίθιο-7 με μια ενδοθερμική αντίδραση, που καταναλώνει 2,466 MeV. Αυτή η αντίδραση ανακαλύφθηκε ότον το 1954 το πυρηνικό πείραμα του Καστλ Μπράβο (Castle Bravo nuclear test) παρήγαγε απρόσμενη μεγάλη απόδοση. Η συνολική στοιχειομετρική εξίσωση της πυρηνικής αντίδρασης είναι η ακόλουθη: Ωστόσο, οι αντιδράσεις που απαιτούν υψηλής ενέργειας νετρόνια δεν είναι ελκυστικές παραγωγικές μέθοδοι. Τα υψηλής ενέργειας νετρόνια μπορούν επίσης να διεγείρουν το βόριο-10, που περιστασιακά παράγει τρίτιο. Η συνολική στοιχειομετρική εξίσωση της πυρηνικής αντίδρασης είναι η ακόλουθη: Ένα πιο συνηθισμένο αποτέλεσμα της σύλληψης νετρονίου από βόριο-10 είναι το λίθιο-7 και ένα (1) σωματίδιο άλφα. Η συνολική στοιχειομετρική εξίσωση της πυρηνικής αντίδρασης είναι η ακόλουθη: Το τρίτιο παράγεται επίσης σε πυρηνικούς αντιδραστήρες με βαρύ ύδωρ ως επιβραδυντικό νετρονίων, όποτε ένας πυρήνας δευτερίου συλλαμβάνει ένα νετρόνιο. Αυτή αντίδραση έχει μια πολύ μικρή διατομή απορρόφησης, κάνοντας το βαρύ ύδωρ ένα καλό επιβραδυντικό νετρονίων, και σχετικά λίγο τρίτιο παράγεται. Ακόμη κι έτσι, καθαρίζοντας το τρίτιο από τον επιβραδυντή μπορεί να είναι επιθυμητό μετά από αρκετά χρόνια λειτουργίας, για να αποφευχθεί ο κίνδυνος να διαφύγει στο περιβάλλον. Στον πυρηνικό σταθμό του Οντάριο, η «μονάδα απομάκυνσης τρίτιου» επεξεργάζεται 2.500 τόννους βαρέως ύδατος ανά έτος, διαχωρίζοντας έτσι 2,5 χιλιόγραμμα τρίτιου, καθιστώντας το έτσι διαθέσιμο για άλλες χρήσης: Η διατομή απορρόφησης του δευτερίου για θερμικά νετρόνια είναι περίπου 0,52 millibarns, ενώ του οξυγόνου-16 είναι περίπου 0,19 millibarns και του οξυγόνου-17 περίπου 240 millibarns. Το οξυγόνο-17 αποτελεί περίπου το 0,038% του φυσικού οξυγόνου, οπότε το οξυγόνο έχει μια ολική διατομή απορρόφησσης πρίπου 0,28 millibarns. Γι' αυτό, αν το βαρύ ύδωρ περιέχει φυσικό οξυγόνο (δηλαδή με φυσική ισοτοπική αναλογία), οι πυρήνες οξυγόνου συλλαμβάνουν το 21% των νετρονίων που συλλαμβάνονται συνολικά από τα μόρια βαρέως ύδατος, μια ιδιότητα που μπορεί να αυξήσει επιπλέον την ισοτοπική αναλογία οξυγόνου-17, γιατί ένας πυρήνας οξυγόνου-16 που συλλαμβάνει ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε έναν πυρήνα οξυγόνου-17. Το οξυγόνο-17, με τη σειρά του, μπορεί να διασπαστεί σχηματίζοντας ραδιενεργό άνθρακα-14, ένα επικίνδυνο παραπροϊόν: Το οξυγόνο-17 επίσης διασπάται, όταν βομβαρδίζεται από σωματίδια α, που προέρχονται από τη ραδιενεργό διάσπαση του ουρανίου, παράγοντας άνθρακα-14 και τρίτιο: Η συνολική ισορροπία του τρίτιου είναι ακριβώς σταθερή λόγω του σταθερού ρυθμού παραγωγής και απώλειας στο διαχωριστήρα. Το ήλιο-3 είναι το προϊόν διάσπασης του τρίτιου, αλλά και το ίδιο έχει μια πολύ μεγάλη διατομή για αντίδραση με θερμικά νετρόνια, ξαναπαράγοντας τρίτιο, σε πυρηνικούς αντιδραστήρες: Παρόλο που το τρίτιο έχει αρκετές διαφορετικές πειραματικά καθορισμένες τιμές της ημιζωής του, το Εθνικό Ίδρυμα Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ κατατάσσει την τιμή της ημιζωής του ισοτόπου στις 4.500±8 ημέρες (δηλαδή ακριβώς 12,32 έτη±8 ημέρες). Διασπάται σε ήλιο-3 με β- διάσπαση, που περιγράφεται στην ακόλουθη στοιχειομετρική πυρηνική εξίσωση: Η αντίδραση αποδίδει 18,6 keV ενέργειας. Η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου ποικίλλει με ένα μέσο όρο 5,7 keV, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια μεταφέρεται από το σχεδόν μη ανιχνεύσιμο ηλεκτροαντινετρίνο. Τα σωματίδια β- από το τρίτιο διαπερνούν μόλις 6,0 χιλιοστόμετρα αέρα, και είναι ανίκανα να διαπεράσουν το στρώμα των νεκρών κυττάρων του ανθρώπινου δέρματος. Η ασυνήθιστα μικρή ενέργεια που απελευθερώνει η β- διάσπαση του τρίτιου, κάνει αυτή τη διάσπαση (μαζί με αυτήν του ρήνιου-187) κατάλληλη για εργαστηριακές μετρήσεις της απόλυτης μάζας των νετρίνο. Το τρίτιο είναι εν δυνάμει επικίνδυνο αν εισπνευτεί ή καταπωθεί. Μπορεί να συνδυαστεί οξυγόνο σχηματίζοντας μόρια τριτιούχου («υπερβαρέως») ύδατος, που μπορούν να απορροφηθούν από τους πόρους του δέρματος. Η χαμηλή ενέργεια της ραδιενέργειας του τρίτιου κάνει δύσκολο να ανιχνευθούν χημικές ενώσεις επισημασμένες με τρίτιο, εκτός από τη χρήση απαρίθμησης υγρού σπινθηρισμού.