Тритий: что это такое, особенности, свойства и производство

Энергия реакций распада и синтеза в ядре атома давно нашла применение в науке и технике. Она используется в промышленности, оружии, геологии, на атомных электростанциях. Процессы ядерных реакций могут приносить как пользу, так и огромный вред. В статье речь пойдет о том, что это такое - тритий, как он добывается, о его использовании в атомной энергетике и какие опасности связаны с его применением.

Изотопы водорода

Прежде чем объяснить, что это такое тритий, необходимо познакомиться с понятием изотопа.

Атом любого вещества состоит из ядра и электронов (отрицательно заряженных частиц), движущихся по орбитам вокруг него. Ядро атома содержит положительно заряженные частицы - протоны, и частицы с нейтральным зарядом - нейтроны.

В обычном атоме число электронов и протонов совпадает, а вот количество нейтронов может отличаться. В этом случае элементы, имеющие разное число нейтронов в ядре, называются изотопами элемента.

Водород имеет заряд 1, то есть в нем содержится один электрон и один протон. Его изотопы - протий, дейтерий и тритий. Слово "протий" образовано от греческого слова "первый". Этот элемент имеет лишь один протон в ядре. По сути, он представляет собой привычный нам водород.

Дейтерий означает "второй". В его ядре имеется один протон и один нейтрон. А тритий переводится как "третий" и содержит в ядре опять же один протон, но два нейтрона.

Краткий ответ на вопрос "Тритий - что это такое?" выглядит так: это третий изотоп химического элемента водорода.

История открытия

Названия для изотопов 1Н и 2Н - протия и дейтерия - были предложены американским физиком Гарольдом Юри. Обнаружив существование дейтерия, ученые сразу предположили наличие третьего изотопа водорода, имеющего два нейтрона в ядре. Юри для исследований использовал метод спектрального анализа. Однако результатов он не дал. Оказалось, что концентрация трития слишком мала, чтобы его можно было обнаружить традиционными способами. В природе это вещество практически невозможно найти. Поэтому для исследований стали использоваться другие методы, например, масс-спектрометрия.

В 1934 году Эрнест Резерфорд сумел искусственно получить третий изотоп при помощи ядерных реакций. Само собой, название было выбрано заранее, и, по аналогии с протием и дейтерием, он стал называться тритием.

Свойства

В нормальных условиях физические свойства трития примерно такие же, как у обычного водорода. Он имеет газообразное состояние; вкус, запах и цвет отсутствуют. При понижении температуры до -250 °C он становится легкой бесцветной жидкостью. А при нагревании он напоминает снег.

Атомная масса трития равняется примерно 3 а.е.м.

Тритий является радиоактивным веществом. Период полураспада составляет 12 лет, что является очень удобным в исследованиях. Канал распада элемента - бета. Тритий превращается в изотоп гелий-3. При этом происходит испускание электронов и антинейтрино.

Дефект масс и энергия связи трития

Одним из ключевых в физике элементарных частиц является понятие энергии связи атомных ядер. Под энергией связи ядра трития понимают то количество энергии, которое необходимо, чтобы произошло расщепление его ядра на отдельные нуклоны. Поскольку ядра удерживаются так называемым сильным взаимодействием, требуется большое количество энергии, чтобы их расщепить.

Чтобы высчитать энергию связи ядра, необходимо знать массу субатомных частиц. Известно, что масса покоя ядра меньше суммарной массы нуклонов в его составе. Разницу между массами ядра и суммами его нуклонов называют дефектом масс.

Дефект массы трития, как и других ядер, рассчитывается по формуле:

Δm = (Z*m_p + N*m_n) - М_я, где

Z - число протонов;

N - число нейтронов;

m_p - масса протона;

m_n - масса нейтрона;

М_я - масса ядра.

Удельная энергия связи для элемента трития составляет 2 827,2 кэВ на нуклон.

Тритий в природе

Количество этого изотопа в природе является ничтожным. Связано это с его радиоактивностью, то есть нестабильностью ядра.

В природе он вырабатывается в основном в верхних слоях атмосферы. Его формирование осуществляется при сталкивании частиц космических лучей с ядрами атомов, например, азота. Поскольку тритий образуется в атмосфере, его источники на Земле - осадки (дождь и снег).

По подсчетам ученых, в чистом виде трития на Земле содержится едва ли более 1 кг. Поэтому его вырабатывают искусственно, в лабораторных условиях.

Производство трития

В настоящее время получение данного изотопа не представляет трудностей, но является чрезвычайно дорогостоящим процессом. Для изготовления одного килограмма вещества требуются затраты в размере 30 млн долларов.

В качестве сырья используют чаще всего литий. Реже - бериллий или бор. Литий подвергают нейтронному облучению на циклотроне. Затем его растворяют в воде, получая водород, в составе которого имеется тритий. Половина лития приходит в негодность в результате этого процесса и отравляется в утиль.

Для получения водорода с тритием из бериллия и бора их обрабатывают серной кислотой.

Еще одним способом получения изотопа является облучение тяжелой воды дейтронами. Тяжелая вода - вещество, образующееся из дейтерия (другое название - оксид дейтерия). После облучения такую воду подвергают электролизу и затем извлекают тритий.

В настоящее время элемент производится в основном на территории США, Канады и России.

Радиоактивность

Тритий является радиоактивным. При его распаде выделяется бета-излучение, представляющее собой поток электронов.

При внешнем облучении организма тритий не наносит серьезного вреда. Однако при попадании внутрь с водой, пищей или воздухом он может нанести существенный ущерб здоровью. Дело в том, что являясь изотопом водорода, тритий способен замещать его в химических соединениях. Таким образом, он попадает внутрь живых клеток и встраивается в их структуру. Это сказывается на генетической информации клетки.

Как было сказано, в природе тритий практически не встречается, поэтому едва ли может нанести вред живым организмам. Однако предприятия атомной промышленности становятся источником искусственной выработки этого изотопа. Атомные электростанции выбрасывают тритий в жидком и газообразном состоянии. Причина этого в том, что изотоп практически не фильтруется. В год на АЭС образуется до 4 кг трития. Результатом выбросов становится радиоактивное загрязнение почвы, воздуха и воды. Таким образом, он является потенциальным источником заражения живых организмов. Именно поэтому тритий был занесен в список контролируемых параметров при оценке качества питьевой воды.

Применение

Основное направление использования трития - атомная промышленность. Дело в том, что реакция слияния дейтерия и трития приводит к управляемому термоядерному синтезу. Энергия связи трития настолько велика, что в ходе термоядерных реакций вырабатывается в огромном количестве, в разы больше, чем при реакциях распада атомных ядер, поэтому управляемые термоядерные реакции могут стать главным источником энергии на Земле на многие годы. В связи с этим ученые в настоящее время работают над строительством термоядерного реактора, в котором процессы синтеза ядер происходили бы в крупных масштабах. Наиболее известный проект такого реактора - строящийся в настоящее время ITER (ИТЭР) во Франции.

Производство трития может успешно применяться для военных целей, например, при создании термоядерного оружия.

С использованием трития изготавливаются специальные светящиеся краски. Это обусловлено радиолюминесценцией - явлением свечения элемента при радиоактивном распаде. Светящиеся краски наносят на шкалы приборов, а также используются для изготовления брелоков и часов. Количество трития в них не настолько велико, чтобы нести угрозу для здоровья.

Тритий применяется в качестве индикатора химических реакций.

Наконец, этот изотоп используется для определения возраста объектов, которым не более 100 лет, например, вин.

Итак, что это такое - тритий? Выводы:

1. Тритий - изотоп водорода, имеющий в ядре один протон и два нейтрона.
2. Изотоп практически не встречается в природе, но успешно производится в лабораториях.
3. Тритий радиоактивен, и его использование может принести человечеству и пользу, и вред.