Tritium - Wêreldensiklopedie - Ek wil alles weet - 2020
tritium (chemiese simbool T of 3H) is 'n radioaktiewe isotoop van waterstof. Die kern van tritium (soms 'n Triton) bevat een proton en twee neutrone, terwyl die kern van protium (die volopste waterstofisotoop) een proton bevat en geen neutrone nie. Tritium straal lae-energie-betastraling uit wat nie die menslike vel kan binnedring nie, en hierdie isotoop is slegs gevaarlik as dit ingeasem of ingeneem word.
Die eienskappe van tritium maak dit bruikbaar vir verskillende toepassings. Byvoorbeeld, dit word gebruik in sommige self-verligting horlosies, passers, sleutel kettings, en geweer toerusting vir vuurwapens. Dit word soms as 'n radioaktiewe etiket in molekules gebruik om hul reaksies en biochemiese weë op te spoor. Dit word wyd gebruik in kernwapens vir die bevordering van 'n splitsingsbom of die primêre splitsing van 'n termonukleêre wapen. Tritium is ook 'n belangrike brandstof vir beheerde kernfusie-reaksies.
Die bestaan ​​van tritium is eers in die laat 1920's voorspel deur Walter Russell met behulp van sy "spiraal" periodieke tabel. Dit is in 1934 vervaardig uit Ernest Rutherford, 'n ander isotoop van waterstof, wat saam met Mark Oliphant en Paul Harteck gewerk het. Rutherford kon egter nie tritium isoleer nie, 'n werk wat aan Luis Alvarez en Robert Cornog oorgelaat is, wat tereg afgelei het dat die stof radioaktief was. Willard F. Libby het ontdek dat tritium gebruik kan word vir die datering van water en daarom wyn.
Die radio-aktiewe verval van tritium kan geklassifiseer word as beta-bederf (β-verval). Die kernreaksie kan soos volg geskryf word:
Elke sodanige reaksie lewer helium-3, 'n elektron en 'n byna onopspoorbare elektron-antineutrino, saam met ongeveer 18,6 kW energie. Die elektron het 'n gemiddelde kinetiese energie van 5,7 keV, terwyl die oorblywende energie deur die elektron-antineutrino gelei word.
Alhoewel eksperimente ietwat verskillende waardes vir die halfleeftyd van tritium aangedui het, beveel die Amerikaanse Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie (NIST) 'n waarde van 4500 ± 8 dae (ongeveer 12,32 jaar) aan.1
Die lae-energie beta-bestraling van tritium kan nie die menslike vel binnedring nie, dus is tritium slegs gevaarlik as dit ingeasem of ingeneem word. Hierdie lae energie maak dit moeilik om tritium-gemerkte verbindings op te spoor, behalwe met behulp van vloeibare scintillasietelling.
Natuurlike en kunsmatige produksie
In die natuur word tritium geproduseer deur die wisselwerking van kosmiese strale met atmosferiese gasse. In die belangrikste reaksie vir natuurlike tritiumproduksie, is 'n vinnige neutron (van energie groter as 4 MeV)2) interaksie met atmosferiese stikstof-14 om koolstof-12 en tritium te produseer, soos volg:
Vanweë die relatiewe kort halfleeftyd van tritium, versamel tritium wat op hierdie manier geproduseer word nie oor geologiese tydskale nie, en is die natuurlike oorvloed daarvan onbeduidend.
In kernreaktors kan tritium geproduseer word deur die neutronaktivering van litium-6, met behulp van neutrone van enige energie. Die reaksie is eksotermies, wat 4,8 MeV energie oplewer, wat meer as een kwart van die energie is wat geproduseer kan word deur die samesmelting van 'n triton met 'n deuteron.
63Li + n → 42He (2,05 MeV) + 31T (2,75 MeV)
Hoë-energie neutrone kan ook tritium uit litium-7 produseer in 'n endotermiese reaksie, wat 2,466 MeV energie verbruik. Hierdie reaksie is ontdek toe die kerntoets van Castle Bravo uit 1954 'n onverwagse hoë opbrengs opgelewer het.3
Wanneer neutrone met hoë energie bestraal word, word boor-10 bestraal, word daar soms tritium geproduseer.4 (Die meer algemene resultaat van die opname van boron-10 neutrone is 7Li en 'n enkele alfa-deeltjie.5)
Reaksies wat hoë neutronenergieë benodig, is nie aantreklike produksiemetodes nie.
Helium-3, geproduseer tydens die beta-verval van tritium, het 'n baie groot dwarssnit vir die (n, p) reaksie met termiese neutrone. Dit word vinnig soos volg omgeskakel na tritium in 'n kernreaktor:
Tritium is soms 'n direkte produk van kernsplyting, met 'n opbrengs van ongeveer 0,01 persent (een per 10.000 splitsing).67 Dit beteken dat tritiumvrystelling of herwinning oorweeg moet word by kernverwerking selfs in gewone gebruikte kernbrandstof, waar tritiumproduksie nie 'n doel was nie.
Tritium word ook in reaktore met swaar water gemodereer wanneer deuterium 'n neutron vasvang. Hierdie reaksie het 'n baie klein deursnit (daarom is swaar water so 'n goeie neutronmoderator), en relatief min tritium word geproduseer. Nietemin kan die skoonmaak van tritium van die moderator na etlike jare wenslik wees om die risiko van ontsnapping na die omgewing te verminder. Die Tritium-verwyderingsfasiliteit van Ontario Power Generation kan tot 2,5 duisend ton (2,500 Mg) swaar water per jaar verwerk, met ongeveer 2,5 kg tritium.8
Volgens die 1996-verslag van die Instituut vir Energie en Omgewingsnavorsing (IEER) oor die Amerikaanse departement van energie, word slegs 225 kg tritium sedert 1955 in die VSA geproduseer. Aangesien tritium voortdurend in helium-3 verval, word die die voorraad was ten tyde van die verslag ongeveer 75 kg.3
Tritium vir Amerikaanse kernwapens is in spesiale swaarwaterreaktore op die Savannahrivier-terrein geproduseer tot en met die sluiting daarvan in 1988. Met die Verdrag vir Strategiese Wapenvermindering na die einde van die Koue Oorlog was bestaande voorrade voldoende vir die nuwe, kleiner aantal kernwapens. vir 'n geruime tyd. Produksie is hervat met bestraling van litiumbevattende stawe (vervang die gewone boorbevattende beheerstawe) by die kommersiële Watts Bar Kernopwekkingstasie in 2003-2005, gevolg deur die onttrekking van tritium uit die stawe by die nuwe Tritium-ekstraksiefasiliteit by SRS vanaf in November 2006.9
Tritium het 'n atoommassa van 3.0160492. Dit is 'n gas (T2 of 3H2) by standaardtemperatuur en druk. Dit word gekombineer met suurstof om 'n vloeistof te vorm, genaamd getritiseerde water, T2O, of gedeeltelik afgewaterde water, THO.
Tritium figureer prominent in studies oor kernfusie vanweë die gunstige reaksiedoorsnit en die groot hoeveelheid energie (17.6 MeV) wat geproduseer word deur die reaksie met deuterium:
Alle atoomkerne, wat bestaan ​​uit protone en neutrone, stoot mekaar af vanweë hul positiewe lading. As die atome egter 'n hoë genoeg temperatuur en druk het (byvoorbeeld in die kern van die son), kan hul ewekansige bewegings sulke elektriese afstoting (die Coulomb-krag genoem) oorkom, en hulle kan naby genoeg kom vir die sterk kern dwing om in werking te tree en hulle in swaarder atome saam te smelt.
Die tritiumkern, wat een proton en twee neutrone bevat, het dieselfde lading as die kern van gewone waterstof, en dit ondervind dieselfde elektrostatiese afstotende krag as dit naby 'n ander atoomkern gebring word. Die neutrone in die tritiumkern verhoog egter die aantreklike sterk kernkrag wanneer dit naby 'n ander atoomkern gebring word. Gevolglik kan tritium makliker met ander ligte atome versmelt, in vergelyking met die gewone waterstof se vermoë om dit te doen.
Dieselfde is waar, hoewel in 'n mindere mate, van deuterium. Dit is waarom bruin dwerge (sogenaamde mislukte sterre) nie waterstof kan verbrand nie, maar hulle verbrand inderdaad deuterium.
Hierdie "gasagtige tritium-ligbron", ongeveer 1,5 jaar oud, is 'n glasfles gevul met tritiumgas. Die binneste oppervlak van die flacon is met 'n fosfor bedek, wat gloei terwyl dit deur die tritium vrygestel word.
Soos waterstof, is tritium moeilik om te beperk. Rubber, plastiek en sommige soorte staal is almal ietwat deurlaatbaar. Dit wek kommer dat as tritium in hoeveelheid gebruik word, veral vir smeltreaktors, dit kan bydra tot radio-aktiewe besoedeling, hoewel die kort halfleeftyd daarvan beduidende langdurige opeenhoping in die atmosfeer moet voorkom.
Atmosferiese kerntoetse (voor die gedeeltelike toetsverbodverdrag) was vir die oseanograwe onverwags nuttig, aangesien die skerp styging in die tritiumvlakke in die oppervlak oor die jare gebruik kon word om die vermengingstempo van die onderste en boonste seevlakke te meet.
Die wettige perke vir drinkwater in tritium kan wissel. Enkele syfers word hieronder gegee.
Kanada: 7.000 Becquerel per liter (Bq / L).
Verenigde State: 740 Bq / L of 20.000 picoCurie per liter (pCi / L) (Wet op Veilige Drinkwater)
Wêreldgesondheidsorganisasie: 10.000 Bq / L.
Europese Unie: 'ondersoekende' limiet van 100 * Bq / L.
Die Amerikaanse limiet word bereken om 'n dosis van vier mrem (of 40 mikrosieferte in SI-eenhede) per jaar te lewer.
'N Horlosie met tritium verlig.
Die elektrone wat deur klein hoeveelhede tritium vrygestel word, kan fosfor gloei. Hierdie verskynsel word gebruik in selfaangedrewe beligtingstoestelle, genaamd trasers, wat nou in horlosies en uitgangstekens gebruik word. Dit word ook in sekere lande gebruik om gloeiende sleutelhangers en kompasse te vervaardig. In die afgelope jaar is dieselfde proses gebruik om selfverligte geweerbesienswaardighede vir vuurwapens, veral semi-outomatiese handwapens, te maak. Die tritium neem die plek van radium in, wat beenkanker kan veroorsaak. Sulke gebruike van radium word al dekades lank in die meeste lande verbied.
Volgens die voormelde IEER-verslag is die kommersiële vraag na tritium ongeveer 400 gram per jaar.
Tritium word soms as 'n radioaktiewe etiket in molekules gebruik om hul reaksies en weë op te spoor. Aangesien waterstof in byna alle organiese chemikalieë voorkom, is dit maklik om 'n plek te vind om tritium op die molekule wat ondersoek word, te plaas. Die nadeel van die gebruik van tritium is dat dit 'n relatief swak sein lewer.
Tritium word wyd gebruik in kernwapens vir die bevordering van 'n splitsingsbom of die splitsing primêr van 'n termonukleêre wapen. Voor ontploffing word 'n klein hoeveelheid (enkele gram) tritium-deuteriumgas in die hol "pit" van splytige plutonium of uraan ingespuit. Die vroeë stadiums van die splitsingskettingreaksie lewer genoeg hitte en kompressie om DT-fusie te begin. Daarna gaan beide fisie en samesmelting parallel, en die fisie help die samesmelting deur voortgesette verhitting en kompressie, en die versmelting help om die fisie met baie energieke (14.1 MeV) neutrone. Namate die splitsingsbrandstof leeg raak en ook na buite ontplof, val dit onder die digtheid wat nodig is om vanself krities te bly, maar die samesmeltingsneutrone laat die splitsingsproses vinniger verloop en hou langer aan as wat dit sou doen sonder om 'n hupstoot te gee. Verhoogde opbrengs (in vergelyking met die gebruik van splitsingsbrandstof sonder om die hupstoot te gee) is oorweldigend te wyte aan die toename in splyting; die energie wat deur die fusie vrygestel word, is baie kleiner omdat die hoeveelheid smeltbrandstof baie kleiner is.
Benewens die verskaffing van verhoogde opbrengste, bied tritium die moontlikheid van veranderlike opbrengste deur die hoeveelheid smeltbrandstof te verander. Miskien nog meer beduidend is dat tritium die wapen (of primêr van 'n wapen) toelaat om 'n kleiner hoeveelheid fissiele materiaal te hê (wat die risiko van voorafbestemming deur nabygeleë kernontploffings uitskakel) en meer ontspanne vereistes vir inploffing, wat 'n kleiner implosiestelsel moontlik maak.
Aangesien tritium in die oorlogskop voortdurend verval, is dit nodig om dit periodiek aan te vul. Die geskatte hoeveelheid benodig is vier gram per spuitkop.10 Om konstante voorraad te hou, moet 0,22 gram per spuitkop per jaar geproduseer word.
Aangesien tritium vinnig verval en moeilik is om te bevat, gebruik die veel groter sekondêre lading van 'n termonukleêre wapen in plaas daarvan litiumdeuteride (LiD) as die samesmeltingsbrandstof. Tydens ontploffing verdeel neutrone litium-6 in helium-4 en tritium; die tritium smelt dan met deuterium, wat meer neutrone oplewer. Aangesien hierdie proses 'n hoër temperatuur benodig vir ontsteking, en dit lewer minder en minder energieke neutrone (slegs D-D-versmelting en 7Li-splitsing is netto neutronprodusente), LiD word slegs vir sekondêres gebruik, nie om hupstoot te gee nie.
Tritium is 'n belangrike brandstof vir gekontroleerde kernfusie in magnetiese opsluiting en traagheids-opsluiting fusiereaktors. Die eksperimentele versmeltingsreaktor ITER en die National Ignition Facility (NIF) gebruik Deuterium-Tritium (D-T) brandstof. Die D-T-reaksie word bevoordeel omdat dit die grootste smelt-deursnit het (~ piek van 5 skure) en hierdie maksimum deursnit bereik met die laagste energie (~ 65 keV massa-sentrum) van enige potensiële smeltbrandstof.
↑ L. L. Lucas en M. P. Unterweger (2000), uitgebreide oorsig en kritiese evaluering van die halfleeftyd van Tritium National Institute of Standards and Technology. 9 Junie 2008 herwin.
↑ P. G. Young en D. G. Foster, jr. (1972), 'n evaluering van die neutrale en gamma-straalproduksie kruisafdelings vir stikstof Los Alamos wetenskaplike laboratorium. 9 Junie 2008 herwin.
↑ 3.0 3.1 Hisham Zerriffi (1996), IEER Tritium-verslag IEER. 9 Junie 2008 herwin.
↑ G. C. Jones, PRW Tritium Issues-vergaderings.lle.rochester.edu. 9 Junie 2008 herwin.
↑ Carey Sublette (2006), Afdeling 12.0 Nuttige tabelle Kernwapenargief. 9 Junie 2008 herwin.
↑ 2005, Tritium (Waterstof-3), Feitenblad vir menslike gesondheid Argonne Nasionale Laboratorium. 9 Junie 2008 herwin.
↑ O. Serot, C. Wagemans, en J. Heyse (2005), Nuwe resultate oor die produksie van helium en tritiumgas vanaf ternêre splitsing INTERNASIONALE KONFERENSIE OOR KERNDATA VIR WETENSKAP EN TEGNOLOGIE. AIP-konferensieverrigtinge. 769: 857-860. 9 Junie 2008 herwin.
↑ 2008, die Kanadese FAQ oor kernkrag - Afdeling D: Veiligheid en aanspreeklikheid FAQ oor kernkrag, Kanada. 9 Junie 2008 herwin.
↑ Feiteblad SRS. 9 Junie 2008 herwin.
↑ IEER Tritium-verslag IEER. 9 Junie 2008 herwin.
Clayton, Donald. 2003. Handboek van isotope in die kosmos: waterstof tot gallium. Cambridge Planetêre Wetenskap. Cambridge, die Verenigde Koninkryk: Cambridge University Press. ISBN 0521823811
Hassanein, Ahmed. 2002. Waterstof- en heliumherwinning by materiale wat in die gesig staar teen plasma. NATO Science Series II: Wiskunde, Fisika en Chemie. Kindle uitgawe. New York, NY: Springer. ISBN 978-1402005121
Mook, Willem G. 2005. Inleiding tot Isotipe-hidrologie: stabiele en radioaktiewe isotope van waterstof, suurstof en koolstof. Danvers, MA: Taylor & Francis. ISBN 0415398053