J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.6 (2020)３０５‐３０８講座 トリチウム実験入門

２．何に気をつけて実験すべきか？
放射性物質・水素同位体としてのトリチウムの特性
2. Important Points in Safe Handling of Tritium Compounds.
Characteristics of Tritium in View from Hydrogen Isotopes or Radio Isotopes
原正憲

HARA Masanori
富山大学 学術研究部理学系（原稿受付：２０２０年５月１日）

トリチウムの量は放射性核種としてはBqの単位，水素同位体としてみるのであればmolの単位あるいは分子数で議論される．この二つの観点からの数字を実感することは，安全な実験計画，取り扱いにつながる．そこで，この二つの側面から，化学物質としてのトリチウム，トリチウムによる被ばくについて簡略化した仮想的な系で述べた．併せて，トリチウムを使用する際に有用と思われる数値をまとめた．
Keywords:
tritium, hydrogen isotope, range, isotope exchange, internal dose２．
１ はじめにトリチウムの放射能と分子数についてみてみる．式（２）トリチウムは放射性の水素同位体であり，3H または Tより，1 Bq に対応するトリチウムの原子数が 560.5×106で表記される．トリチウムの壊変は
33−#
１H → 2He＋e ＋$と求められる．1 TBq（27 Ci）のモル数は HT または DT
で 9.31×10−4 mol であり，そのガス体積は 298.15 K，1 bar（１）の下で 23.1 cm3・bar/TBq である．より実用的な量としてで表され，半減期は 12.312 年（４４９７日）である［１］．放出さ1 GBq の HT，DT ガ ス で は，2310 Pa・cm3/GBq で あれる 電 子 の 運 動 エネ ルギ ーは ゼロ か ら 18.564 keV で あり，100 Pa の圧力で 23.1 cm3 と な る．1 GBq の HT，DTり，その平均エネルギーは 5.68 keV である［１］．のガス量は実験で使用するには少量であるため，通常は水素同位体ガスで希釈し，ガス量を増やして使用する．

トリチウムを用いる実験を行う際には，トリチウムの水素としての化学的性質，放射性核種としての性質，作業環

トリチウム水を用いる実験では，1 MBq/cm3 以下のトリ境を考慮して計画を立てる．この際，トリチウムの放射能チウム濃度で扱う場合が多い．高濃度のトリチウム水は被と実際の物理量の関係が重要となる．そこで，トリチウムばくの問題，放射線による自己分解等があり，特段の理由に対する量の感覚を知るために，種々のトリチウムに関すがない限り使用しない．ここで，1 MBq/cm3 のトリチウムる量を表１にまとめた．

水の化学的性質が通常の水と変わらないことを確認する．

表１を見ながら実感できる量と比較を行っていく．この1 MBq の HTO のモル数は 9.31×10−10 molHTO/MBq であ表を作成するにあたり，最初に半減期を用いて壊変定数をり，1 cm3 の 水 の モ ル 数 は 55.5×10−3 molH2O/cm3 で あ求める．壊変の速さはる．そ の 分 子 数 比 は HTO/H2O＝1.68×10−8 と な る．

""
""!#
"#

1 MBq/cm3 の ト リ チ ウ ム 水 で は，HTO の 数 は H2O の６千万分の１であり，実質上，通常の水と変わることはな（２）い．

で表される．ここで " はトリチウムの原子数，#は壊変定

次に，トリチウムから放出される "線についてみてみ数である．単位時間（"#）でのトリチウムの壊変の数（""）

る．トリチウムから放出される "線の最大運動エネルギーより，放射能は !"""!
"#となる．求めた壊変定数を用いは他核種の "線の最大運動エネルギーと比較して小さることにより，当初の放射能が !!であった試料のある時く，物質中での飛程も短い．このため，トリチウムからの間（#）経過後の放射能（!）は以下の式より求めることが"線の測定は難しい．様々な物質中でのトリチウムの "できる．

線の飛程を検討する．トリチウムの "線の運動エネルギー!"!!#%$##!#$

は連続であるが，ここでは10 keVの単一エネルギーの電子（３）線 を 考 え る．10 keV 以 上 の 電 子 線 の 飛 程 は Web 上 のFaculty of Science, Academic Assembly, University of Toyama, TOYAMA 930-8555, Japan

３０５!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

表１

トリチウムに関連する実用的な値．

数値
原子質量1n1H（H）
2H（D）3H（T）
3He
半減期
トリチウムの !線
エネルギー
最大エネルギー
平均エネルギー
壊変定数

放射能当たりのトリチウム原子数
1 Bq

数値

文献
［２］

1008664.9232±0.0022 μu
1007825.03214±0.00035 μu
2014101.77799±0.00036 μu
3016049.2675±0.0011 μu
3016029.30970±0.00086 μu
1 u＝1.66053906660×10−27 kg
12.312±0.025 年＝4496.9±9.1 日 ［１］
１年＝365.242198 日＝31556926 秒［１］
18.564±0.03 keV
5.68±0.01 keV
5.630×10−2 年−1
1.541×10−4 日−1
1.784×10−9 秒−1-------560.5×106 トリチウム原子／Bq

1 GBq
1 TBq
水素同位体
1 mol 当たりの放射能HT560.5×1015 トリチウム原子／GBq
560.5×1018 トリチウム原子／TBq

DTT2
1 TBq 当たりのモル数
HTDT
T2
1 TBq 当たりの標準状態（１bar，298.15 K）
でのガス量
HT

1.07×1015 Bq/molDT
2.15×1015 Bq/molT2---1.07×1015 Bq/molHT---9.31×10−4 molHT/TBq
9.31×10−4 molDT/TBq
4.65×10−4 molT２／TBq----

23.1 cm3/TBq
23.1 cm3/TBq
11.5 cm3/TBq

DT
T2
水素同位体 1 g
当たりの放射能HTDT
T2

267.0×1012 Bq/gHT
213.6×1012 Bq/gDT
356.2×1012 Bq/gT２HTO
DTO
T2O

53.6×1012 Bq/gHTO51.1×1012 Bq/gDTO
97.5×1012 Bq/gT２O----

放射壊変に伴う発熱量
1 TBq 当たり

9.10×10−4 W/TBq

HT，1 g 当たり
DT，1 g 当たり
T２，1 g 当たり

0.243 W/g
0.194 W/g
0.324 W/g

HTO，1 g 当たり
DTO，1 g 当たり
T2O，1 g 当たり
トリチウムの放射能が
1 Bq/cm3 の水中のHTO と H2O の分子数比
HTO/H2OH2O/HTO
種々の物質中での10 keV の電子の飛程（CSDA）
空気（0.001185 g/cm3）
水（1 g/cm3）
ベリリウム（1.8477 g/cm3）
黒鉛（1.7 g/cm3）
アルミニウム（2.698 g/cm3）
鉄（7.874 g/cm3）
銅（8.960 g/cm3）
金（19.320 g/cm3）
ポリエチレン（0.91 g/cm3）
天然ゴム（0.91 g/cm3）
パイレックス（2.23 g/cm3）
下限数量
数量濃度
管理区域内での空気中濃度限度
元素状水素
メタン
水
有機物（メタンを除く）
上記を除く化合物

48.8 mW/g
46.5 mW/g
88.7 mW/g

文献
----

----

1.68×10−14
59.6×1013［３］

2.4×10−3 m
2.5×10−6 m
1.6×10−6 m
1.7×10−6 m
1.3×10−6 m
5.5×10−7 m
5.1×10−7 m
4.1×10−7 m
2.5×10−6 m
2.6×10−6 m
1.5×10−6 m［４］
1×109 Bq
1×106 Bq/g
［４］
1×104 Bq/cm3
1×102 Bq/cm3
8×10−1 Bq/cm3
5×10−1 Bq/cm3
7×10−1 Bq/cm3

ESTAR により得ることができる［３］．ここでは，飛程とウムの !線の飛程がいかに短いかがわかる．トリチウムのして連続減速近似（Continuous Slowing Down Approxima-壊変に伴う放出エネルギーを求めると，1 TBq のトリチウtion，CSDA）［５，６］のものを使用する．この近似において，

ムでは 9.10×10−4 W/TBq となる．また，単位重量当たり粒子は連続して運動エネルギーを失い停止するとしておの放出エネルギーを表１に示す．

り，飛程は減速過程での移動距離となる．ESTAR で得ら

ここまで，いくつかの数値が出てきたが，特に覚えておれた空気中（密度 0.001185 g/cm3，１気圧，298 K）の飛程

くと便利な数値は，半減期≒４５００日，平均エネルギー≒

は，2.4×10−3 m である．水中での飛程は約１０００分の１の5.7 keV，1 GBq の ト リ チ ウ ム（HT，DT）の ガ ス 量＝−62.5×10m であり，空気に比べ密度が約１０００倍であるこ2.3 L・Pa である．とを反映している．固体物質中の飛程は，有機物質あるいは軽元素では約 2×10−6 m，金属元素では 5×10−7 m であ

２．
２ 化学物質としてのトリチウム

る．ESTAR で 20 keV の電子線の飛程もみることでトリチトリチウムは水素同位体であるので，水素としての化学３０６

Lecture Note

2. Important Points in Safe Handling of Tritium Compounds. Characteristics of Tritium in View from Hydrogen Isotopes or Radio Isotopes

M. Hara的性質を持っている．条件がそろえば HT，DT，T2 は，爆焼させ，水素同位体を水の化学形へと変換し，この水を乾発的に酸素と反応する．水素を含む物質中の水素とも交換

燥材で回収する方法である．酸素分圧の低い気相中からのする（同位体交換反応）．様々な物質へ溶け込むことがでトリチウム回収では，触媒として酸化銅を利用する．酸き，物質中を拡散，透過する．

化−吸着法は，広く利用されており，大気中からトリチウ

表１で見たように放射能当たりのトリチウム原子数は少ムを回収する方法として信頼性が高い．しかし，生体へのない．1 GBq のトリチウムガス（HT，DT）のガ ス量は影響が大きいトリチウム水を積極的に生成する回収方法で2.3 L・Paである．トリチウムガスを使うラインから１秒間ある．に 1 kBq のトリチウムが漏洩するとき，その際のトリチウ
ム の 外 部 へ の リ ー ク レ ー ト は 2.3×10−6 L・Pa・s−1＝

２．
３ トリチウムによる被ばくトリチウムの !線（18.6 keV の電子線）の飛程を ESTAR

2.3×10−9 m3・Pa・s−1 となる．
次にどれほどのトリチウムが容器表面に吸着するか検討［３］のデータより内挿して求めると，空気中で 7.3 mm 程度してみる．ここでは，計算を簡単にするために内容積 1 Lである．これは，トリチウムから体が 10 mm 以上離れてい（10 cm×10 cm×10 cm）の 鉄 製 の 容 器 を 考 え る．表 面

れば，トリチウムの !線による被ばくが起こらないことを粗さは考えずに，容器の表面は体心立方構造の（１１０）面意味している．さらに，有機物質中のトリチウムの !線ので 構 成 さ れ て い る と す る．鉄１原 子 が 占 め る 面 積 は

飛程は 7.5 μm 程度であり，人間の表皮の厚さ 20 μm に比べ（0.287×10−9）2/2＝5.8×10−20 m2 となる．よって，容器!!の内表面に現れている鉄原子の数は 1.7×１０16 となる．この飛程は十分短い．よって，トリチウムの取り扱いにおいて鉄原子は水酸基（−OH）と結合しているとする．さらに，込んでしまった際の内部被ばくは無視できない．表１に示

水酸基の水素が全てトリチウムで置換されていると仮定す

すように管理区域内での空気中濃度限度は，トリチウムのる と，そ の ト リ チ ウ ム の 量 は 1.7×１０16/（560.5×１０6）＝

化学形により異なる．この管理区域内での空気中濃度限度

3.0×107 Bq（＝30 MBq）となる．このトリチウムがすべては被ばくの観点より決められており，濃度限度が低いトリ外部被ばくは無視できる．一方，トリチウムを体内に取り3HTO で 脱 離 し た 際 の ガ ス 量 は 69.3 Pa・cm と な る．まチウム化合物ほど生体への影響が大きいことを示していた，表面のトリチウム密度は 50 kBq/cm2 と見積もられる．

る．元素状水素（HT，DT，T2）では 1×104 Bq/cm3 であこのようにトリチウムを放射能の観点から見ると，材料表るのに対し，水の化学形では 0.8 Bq/cm3 と１２５００分の１で面に多くのトリチウムが吸着できることがわかる．

ある．言い換えると，被ばくの観点からはトリチウム水 1

次に，この鉄製の容器の表面の水酸基がトリチウムで置Bq の飛散は，12500 Bq の元素状トリチウムの飛散と同等換されているところへ，298 K で1 kPaの水蒸気を含む空気であることを示す．取り扱うトリチウムの化学形に応じてを 1 bar（100 kPa）導入するとする．この時，どのようなこ被ばく管理を行う必要がある．とが起こるか考えてみる．水蒸気の導入により鉄表面のトリチウムを体内に取り込む経路として，吸入，経口摂Fe-OT と H2O の同位体交換反応が起こる．
（g）!Fe-OH+HTO（g）
Fe-OT+H2O

取，吸収の３つが主となる．吸入は作業環境中の大気に含まれるトリチウムを呼吸により取り込む経路であり，この（４）

軽減には作業環境の換気，フード等の利用による希釈と隔簡単のため同位体効果を考えないとすれば，この平衡反応離が有効である．これらは，いずれもハードウェアによりは水素とトリチウムの入れ替えなので，系内のトリチウム達成できる．経口摂取は，呼吸以外の口を介した体内へのから見ると，導入された H2O（g）による希釈と考えること取り込みであり，飲食，口周辺へのトリチウムの付着などができる．つまり，平衡達成後は，鉄表面上の[T]/[H]比とが原因である．管理区域では飲食は禁止されているので，気相中の[T]/[H]比は等しくなる．交換反応前の鉄表面に存通常の使用状況では起こりえない．口周辺へのトリチウム在するトリチウムの原子数は 1.7×1016 である．導入した空の付着による取り込みは，実験者の無意識の動作，癖など

気中の水分子の数は 2.4×1020 で，そこに含まれる水素原子により起こりえる．例えば，トリチウム実験中にゴム手袋20は4.8×10 である．当初，表面上のトリチウム濃度は１００％をしたまま口周辺に触ることが挙げられる．これは，教育，であったのが，平衡到達後は 3.5×10−3％ となる．平衡到達作業訓練を通して軽減できるものである．吸収で問題とな

後に 鉄 表 面 に 残 存す る ト リ チ ウ ム の 原 子 数 は 6.0×10

11るのは，主に皮膚からのトリチウム水の吸収である．
体内にトリチウム（主にトリチウム水）が取り込まれるで，このトリチウムの原子数は1 kBqに対応する．また，表2面のトリチウム密度は 1.7 Bq/cm となる．水蒸気を含むガと，２時間ほどで体内のトリチウム濃度が均一となる．こスの導入は，効率的なトリチウムの除染技術であることがのため，取り込みが疑われたときは，取り込みの可能性が分かる．一方，トリチウムを使用していた配管を保守のたある作業を終えた後，２時間ほど待って試料の採取を行め大気開放を行うと，多くのトリチウムが気相中に放出さう．取り込まれたトリチウムは，時間とともに体外へ排出れることとなる．トリチウムを使用していた配管の開放作される．この排出の速さは人により差があるものの，１０日

業は，この点に注意して作業計画を立てる必要がある．

間ほどで取り込まれたトリチウムの半分は排出される．すなわち，トリチウム水として取り込んだ場合のトリチウム気相中へ放出されたトリチウムの回収は，一般的に酸化の生物学的半減期は約１０日間である．

−吸着法（湿式法）で行われる．この方法は，トリチウムを含む全ての分子（HT，CH3T，有機物）を触媒により燃
３０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

Monographie BIPM-5 (Bureau International des Poidset Mesures 2006).
https://www.bipm.org/utils/common/pdf/monographieRI/Monographie̲BIPM-5̲Tables̲Vol3.pdf［２］G. Audi and A.H. Wapstra, Nucl. Phys. A 595, 409 (1995).
［３］M.J. Berger et al., Stopping−Power & Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions, NIST Standard Reference
Database 124 (Physical measurement laboratory, 2017).
DOI:https://dx.doi.org/10.18434/T4NC7P［４］放射線を放出する同位元素の数量等を定める件，２０００（平成１２）
年１０月２３日，科学技術庁告示第５号．
［５］飯田孝夫：保健物理 33, 345 (1998).
［６］H. Nikjoo et al., Interaction of radiation with matter (CRCpress, 2012).

２．
４ まとめ
トリチウムは水素同位体であり，水素としての性質を持
つ，!壊変を起こす放射性同位体である．また，放出される!線の運動エネルギーが平均で 5.68 keV しかなく測定の難しい放射性同位体である．被ばくの影響はトリチウムの化学形により異なり，実験中の化学形の変化にも気を配る必要がある．初めての実験で，これらに配慮してすべての実
験計画を立てるのは困難である．
トリチウム使用施設の職員に積極的に相談をしてほしい．

参考文献［１］M. -M. Bé et al., Table of radionuclides (Vol 3- A = 3-244),!!!!!!!!!!

はらまさ原正 憲

のり

富山大学 学術研究部理学系 准教授．トリチウムの貯蔵と供給，トリチウムの安全取扱，トリチウムの測定などの研究を水素同位体科学研究センターで行っております．

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