三重水素

三重水素（さんじゅうすいそ）またはトリチウム（、記号: T）は、質量数が3である水素の同位体、すなわち陽子1つと中性子2つから構成される核種であり、半減期12.32年でHeへとβ崩壊する放射性同位体である。
重水素（H）と三重水素（H）とを併せて重水素（heavy hydrogen）と呼ばれることがある。三重水素核は三重陽子 () とも呼ばれる。
三重水素は、その質量が軽水素の約3倍、二重水素の約1.5倍と差が大きいことから、物理的性質も大きく異なる。一方、化学的性質は最外殻電子の数（水素の場合は1）によって決まる要素が大きいため、三重水素の化学的性質は軽水素や重水素とほぼ同じであることが多い。同位体効果の項も参照。
概要.
自然界に最も多く存在する「普通」の水素は、原子核が単独の陽子から成る軽水素（H）であり、原子核が陽子1つと中性子1つから成る重水素（H）も安定核のため豊富に存在する (自然界の水素同位体の0.0115%) のに対し、三重水素は不安定なため天然には微量しか存在しない。とはいえ、半減期12.32年は軽い元素の放射性同位体としては比較的長いもので、天然においても一定量が常に存在している。たとえば体重60 kg程度の人の場合、50ベクレル程度のトリチウムを体内に保有している。水素には質量数が4から7の同位体もあるが、いずれも半減期が10-22秒以下と極めて不安定で実験室外には存在しないため、多くの場合には三重水素が事実上唯一の水素の放射性同位体として扱われている。
三重水素は、地球環境においては、酸素と結びついたトリチウム水（HTO）として水に混在しており、水圏中に気相、液相、固相の形態で広く拡散分布している。大気中においては、トリチウム水蒸気（HTO）、トリチウム水素（HT）および炭化トリチウム（CH3T）の3つの化学形で、それぞれ水蒸気、水素、炭化水素と混在している。なお、海水中の三重水素濃度は通常、数 Bq/Lより少ない。
三重水素は、宇宙線と大気との反応により、地球全体で年間約72 PBq（7.2京ベクレル）ほど天然に生成される。加えて、過去の核実験により環境中に大量に放出され、未だに残っている三重水素（フォールアウト・トリチウム）、原子力発電所または核燃料再処理施設などの原子炉関連施設から大気圏や海洋へ計画放出された三重水素（施設起源トリチウム）が地球上で観測される三重水素の主たる起源である。
高純度の液体トリチウムは、核融合反応のD-T反応を起こす上で必須の燃料であり、水素爆弾の原料の一つとしても利用される。
体内では均等分布で、生物的半減期が短く、エネルギーも低い。こうしたことから三重水素は最も毒性の少ない放射性核種の1つと考えられ、生物影響の面からは従来比較的軽視されてきた。しかし一方で、三重水素を大量に取扱う製造の技術者の、内部被曝による致死例が2例報告されている。三重水素の生物圏に与える影響については、環境放射能安全研究年次計画において研究課題として取り上げられたことなどもあり、長期の研究実績に基づいた報告書が公表されている。
名称.
三重水素は歴史的経緯から固有の名称が与えられている。三重水素にはトリチウム（、元素記号: T）という別名がつけられており、独自の元素記号も設定されている。これはギリシャ語で「三番目」を意味するτρίτος(trítosトリトス）に由来する。T という元素記号は三重水素という水素の同位体に対して特別に割り当てられた元素記号である。このようにある元素の同位体に対して特別な元素記号が与えられているものとしては、他には二重水素に対する D やトロン（ラドン220）に対する Tn などがある。
トリチウムという別名には、幾つかの表記ゆれが存在する。例として、トリチュウム、トリチューム。
通常の元素の同位体の記号と同様に、元素記号の左肩に質量数を付与し、元素名の後に質量数を付与して水素3（すいそ-、、記号: H）とすることもあるが、この名称及び表記はあまり使われない。
物理的特徴.
三重水素は弱いβ線（18.6 keV以下）を放射しながらβ崩壊を起こし、ヘリウム3 (He) へと変わるベータ放射体（beta-emitter）で、半減期は12.32年である。
formula_1
電子は、5.7 keV の平均運動エネルギーを持ち、残りのエネルギーは反電子ニュートリノによって奪われる。三重水素から発する低いエネルギーのβ線は人間の皮膚を貫通できず、外部被曝の危険性がほとんどないため、その酸化物であるトリチウム水（HTO）は放射性夜光塗料の材料などに用いられている。また、この低いエネルギーであるがゆえに、三重水素の標識化合物は、液体シンチレーション計測法でないと検知することができない。
熱核反応（核融合反応）の燃料として.
二重水素（D）と三重水素（T）の核融合反応である熱核反応（D-T反応）は、二重水素同士の熱核反応（D-D反応）に比べて反応に必要な温度・圧力条件が低い。
<chem display="block" style="margin-left: 1.6em">^3_1H + ^2_1H -> ^4_2He + n</chem>
そのため、1952年の核実験にてエニウェトク環礁の一つの小島を消滅させた水爆の原理の中では、D-D反応を起こすための中間の起爆反応として用いられた。現在では、三重水素は、ITERをはじめとする核融合実験炉においては核燃料として研究されている。
トリチウムの生成.
三重水素（トリチウム）は原子炉においては、炉内の重水（HDO）の二重水素（D）が中性子捕獲することでトリチウム水（HTO）の形で生成される。
ほかには、ウラン235 (U) 或いはプルトニウム239 (Pu) が中性子と反応した時に起こる三体核分裂によっても生じる。また、制御棒に使用されるホウ素同位体 B が、高速中性子を捕獲することでも生じる。
<chem display="block" style="margin-left: 1.6em">^{10}_5B + n -> 2^4_2He + ^3_1H</chem>
生成量は原子炉ごとに異なるとされるが、一年間の運転で加圧水型軽水炉内には約200兆ベクレル (2 × 10 Bq)、沸騰水型軽水炉では約20兆ベクレル (2 × 10 Bq) が蓄積する。しかしながら、トリチウム水（HTO）は、化学的性質が水（H2O, HHO）とほぼ同一であるため、化学的には水とトリチウム水を分離することはできない。ただし物理的な同位体効果を利用した分離技術は確立されており、トリチウム含有水の蒸留や電気分解、同位体交換法など、いくつか分離方法が存在する。しかしそれでも大量かつ極めて低濃度の水からトリチウム水だけ、分離してまとまった量を回収することはコスト的に非常に困難である。
トリチウム水からトリチウムを単離するのは上述のとおり極めて難しいため、高い純度のトリチウムを得るにあたっては回収しやすい形で人工的に生成する必要がある。比較的良く知られたトリチウムの生成方法としては、原子炉内でリチウム Li に中性子を当て（中性子捕獲させ）、トリチウムとヘリウム4(He)に分裂させた上で得るという方法がある。しかし、リチウムはイオン化傾向が高く、少量の水と接触するだけで激しく反応するなどの性質があり危険であるため、反応性はなくすがリチウムのトリチウムにはなる性質は残す合金を作るといった研究が行われている。東京工業大学でリチウムと鉛の合金が適しているといった研究結果が出されている。また、この合金だと鉛に当たった中性子は2倍に増えるため、通常より多くのトリチウムが生産されることも期待されている。
formula_2
formula_3
ただし、この方法の場合、十分な量のトリチウムを生成するためには中性子がその分相当量必要となり、やはりトリチウムの価格がデューテリウム（二重水素）に比べて高くなる。
自然界での生成.
宇宙線の中性子または陽子が大気中の窒素または酸素と核反応し、地表面積あたり毎秒0.2 個/cm⋅sec 程度の割合で三重水素が生成している。地球の表面積を 5.1×10 mとすると、トリチウムの年間生成量は約72 PBq (P=10)となる。放射性崩壊と天然生成量が平衡にある時、その同位対比は地表に存在する水素原子の 10 に相当し、これを1 TU（Tritium Unit）と定めている。
<chem display="block" style="margin-left: 1.6em">^{14}N + ^1n -> ^3H + ^{12}C</chem>
<chem display="block" style="margin-left: 1.6em">^{16}O + ^1n -> ^3H + ^{14}N</chem>
製造.
1996年のエネルギー・環境研究所（Institute for Energy and Environmental Research）によるアメリカ合衆国エネルギー省に関する報告書によると米国の核兵器用トリチウムはサバンナ・リバー・サイトで製造され、1955年の操業開始から1988年の施設閉鎖までに225 kgが生産され、1996年時点で約75 kgが残った。
商用のトリチウムはカナダのCANDU型原子炉の重水素減速材中で生成するトリチウムを使用している。カナダ・オンタリオ州にある重水からトリチウムを除去する施設では年間2500トンまで重水を処理でき、約2.5 kgのトリチウムを分離してこれを販売している。
用途.
トリチウムは1グラムあたり300万円（2004年）と高価なため、これに見合う用途に限られる。