Tritio
Tritio (o del griego antiguo τρίτος (trítos) 'tercero') o hidrógeno-3 (símbolo T o 3H) es un isótopo raro y radiactivo de hidrógeno con una vida media de unos 12 años. El núcleo del tritio (t, a veces llamado tritón) contiene un protón y dos neutrones, mientras que el núcleo del isótopo común hidrógeno-1 (protio) contiene un protón y cero neutrones, y el del hidrógeno-2 (deuterio) contiene un protón y un neutrón.
El tritio natural es extremadamente raro en la Tierra. La atmósfera solo tiene pequeñas cantidades, formadas por la interacción de sus gases con los rayos cósmicos. Se puede producir artificialmente al irradiar litio metálico o guijarros cerámicos que contienen litio en un reactor nuclear y es un subproducto de baja abundancia en las operaciones normales de los reactores nucleares.
El tritio se utiliza como fuente de energía en luces radioluminiscentes para relojes, miras de armas, numerosos instrumentos y herramientas, e incluso artículos novedosos como llaveros con iluminación automática. Se utiliza en un entorno médico y científico como marcador radiactivo. El tritio también se usa como combustible de fusión nuclear, junto con el deuterio más abundante, en reactores tokamak y en bombas de hidrógeno.
Historia
El tritio fue detectado por primera vez en 1934 por Ernest Rutherford, Mark Oliphant y Paul Harteck después de bombardear deuterio con deuterones (un protón y un neutrón, que forman un núcleo de deuterio). El deuterio es otro isótopo del hidrógeno. Sin embargo, su experimento no pudo aislar el tritio, lo cual fue realizado en 1939 por Luis Alvarez y Robert Cornog, quienes también se dieron cuenta de la radiactividad del tritio. Willard Libby reconoció que el tritio podría usarse para la datación radiométrica del agua y el vino.
Descomposición
Si bien el tritio tiene varios valores diferentes determinados experimentalmente de su vida media, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología enumera 4500 ± 8 días ( 12,32 ± 0,02 años). Se desintegra en helio-3 por desintegración beta según esta ecuación nuclear:
3
1H→ 32He + e) + .
y libera 18,6 keV de energía en el proceso. La energía cinética del electrón varía, con un promedio de 5,7 keV, mientras que la energía restante se la lleva el antineutrino electrónico casi indetectable. Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo unos 6,0 milímetros (0,24 pulgadas) de aire y son incapaces de atravesar la capa muerta más externa de la piel humana. Debido a su baja energía en comparación con otras partículas beta, la cantidad de Bremsstrahlung generada también es menor. La energía inusualmente baja liberada en la desintegración beta del tritio hace que la desintegración (junto con la del renio-187) sea apropiada para mediciones de masa absoluta de neutrinos en el laboratorio (el experimento más reciente es KATRIN).
La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el recuento de centelleo líquido.
Producción
Litio
El tritio se produce con mayor frecuencia en los reactores nucleares mediante la activación neutrónica del litio-6. La liberación y difusión de tritio y helio producidos por la fisión de litio puede tener lugar dentro de las cerámicas denominadas cerámicas reproductoras. La producción de tritio a partir de litio-6 en dichas cerámicas reproductoras es posible con neutrones de cualquier energía, aunque la sección transversal es mayor cuando los neutrones incidentes tienen menor energía, llegando a más de 900 barns para neutrones térmicos. Esta es una reacción exotérmica, que produce 4,8 MeV. En comparación, la fusión de deuterio con tritio libera alrededor de 17,6 MeV de energía. Para aplicaciones en reactores de energía de fusión propuestos, como ITER, guijarros que consisten en cerámicas que contienen litio, incluidos Li2TiO3 y Li4SiO4, se están desarrollando para la reproducción de tritio dentro de un lecho de guijarros enfriado con helio, también conocido como manta reproductora.
63Li + n → 42He () 2.05 MeV ) + 3
1T() 2.75 MeV )
Los neutrones de alta energía también pueden producir tritio a partir de litio-7 en una reacción endotérmica (que consume calor neto), con un consumo de 2,466 MeV. Esto se descubrió cuando la prueba nuclear Castle Bravo de 1954 produjo un rendimiento inesperadamente alto.
73Li + n → 42He + 3
1T+ n
Boro
Los neutrones de alta energía que irradian boro-10 también producirán ocasionalmente tritio:
105B + n → 242He + 3
1T
Un resultado más común de la captura de neutrones con boro-10 es 7< /sup>
Li
y una única partícula alfa.
Especialmente en los reactores de agua a presión que solo termalizan parcialmente los neutrones, la interacción entre los neutrones relativamente rápidos y el ácido bórico agregado como calzo químico produce cantidades pequeñas pero no despreciables de tritio.
Deuterio
El tritio también se produce en reactores moderados por agua pesada cada vez que un núcleo de deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una sección transversal de absorción bastante pequeña, lo que hace que el agua pesada sea un buen moderador de neutrones y se produce relativamente poco tritio. Aun así, puede ser deseable limpiar el tritio del moderador después de varios años para reducir el riesgo de que se escape al medio ambiente. La 'Instalación de eliminación de tritio' de Ontario Power Generation procesa hasta 2500 toneladas (2500 toneladas largas; 2800 toneladas cortas) de agua pesada al año y separa alrededor de 2,5 kg (5,5 lb) de tritio, dejándolo disponible para otros usos. Los reactores CANDU suelen producir 130 gramos (4,6 oz) de tritio al año, que se recupera en la Instalación de recuperación de tritio de Darlington (DTRF) adjunta a la Estación generadora nuclear de Darlington de 3512 MW eléctrica. La producción total en DTRF entre 1989 y 2011 fue de 42,5 kilogramos (94 lb), con una actividad de 409 megacuries (15 100 PBq), que promedia alrededor de 2 kilogramos (4,4 lb) por año.
La sección eficaz de absorción del deuterio para los neutrones térmicos es de aproximadamente 0,52 milibarns, mientras que la del oxígeno-16 (16
8< /span>O
) es de aproximadamente 0,19 milibarnes y el del oxígeno-17 (17
8< /sub>O
) es de aproximadamente 240 milibarns. Mientras que 16
O es, con mucho, el isótopo de oxígeno más común tanto en el oxígeno natural como en el agua pesada, según el método utilizado para el isótopo. separación, el agua pesada puede ser de leve a notablemente mayor en 17
< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">O y 18O contenido. Debido tanto a la captura de neutrones como a las reacciones (n,α) (la última de las cuales produce 14C, un emisor beta indeseable de larga duración de < span style="display:inline-block;margin-bottom:-0.3em;vertical-align:0.5em;line-height:1em;font-size:80%;text-align:left">17
O) son "consumidores de neutrones" y por lo tanto son indeseables en un moderador de un reactor de uranio natural que necesita mantener la absorción de neutrones fuera del combustible tan baja como sea posible. Algunas instalaciones que eliminan el tritio también eliminan (o al menos reducen el contenido de) 17
O y 18
O, que puede, al menos en principio, utilizarse para el etiquetado de isótopos.
India, que también tiene una gran flota de reactores de agua pesada presurizada (inicialmente tecnología CANDU pero desde que indigenizaron y desarrollaron la tecnología IPHWR), también elimina al menos parte del tritio producido en el moderador/refrigerante de sus reactores, pero debido a la naturaleza de doble uso del tritio y el programa de bombas nucleares de la India, hay menos información disponible públicamente sobre esto que para Canadá.
Fisión
El tritio es un producto poco común de la fisión nuclear de uranio-235, plutonio-239 y uranio-233, con una producción de aproximadamente un átomo por cada 10 000 fisiones. Las principales vías de producción de tritio incluyen algún tipo de fisión ternaria. Es necesario considerar la liberación o recuperación de tritio en la operación de reactores nucleares, especialmente en el reprocesamiento de combustibles nucleares y en el almacenamiento de combustible nuclear gastado. La producción de tritio no es un objetivo, sino un efecto secundario. Algunas centrales nucleares lo descargan a la atmósfera en pequeñas cantidades. La voloxidación es un paso adicional opcional en el reprocesamiento nuclear que elimina los productos de fisión volátiles (como todos los isótopos de hidrógeno) antes de que comience un proceso acuoso. En principio, esto permitiría la recuperación económica del tritio producido, pero incluso si el tritio solo se elimina y no se usa, tiene el potencial de reducir la contaminación por tritio en el agua utilizada, reduciendo la radiactividad liberada cuando se descarga el agua, ya que el agua tritiada no se puede eliminar. de "ordinario" agua excepto por separación de isótopos.
| Ubicación | Instalaciones nucleares | Más cerca aguas | Líquido (TBq) | Steam (TBq) | Total (TBq) | Total (mg) | año |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Reino Unido | Estación de energía nuclear de Heysham B | Irish Sea | 396 | 2.1 | 398 | 1.115 | 2019 |
| Reino Unido | Sellafield reprocessing facility | Irish Sea | 423 | 56 | 479 | 1,342 | 2019 |
 Rumania | Unidad de Energía Nuclear de Cernavodă 1 | Mar Negro | 140 | 152 | 292 | 872 | 2018 |
 Francia | Planta de reprocesamiento de La Haya | Canal de inglés | 11.400 | 60 | 11.460 | 32,100 | 2018 |
 Corea del Sur | Wolseong Nuclear Power Plant y otros | Mar de Japón | 211 | 154 | 365 | 1.022 | 2020 |
 Taiwán | Maanshan Nuclear Power Plant | Estrecho de Luzón | 35 | 9.4 | 44 | 123 | 2015 |
 China | Fuqing Nuclear Power Plant | Estrecho de Taiwán | 52 | 0,8 | 52 | 146 | 2020 |
| China | Estación de energía nuclear de Sanmen | China oriental Mar | 20 | 0,4 | 20 | 56 | 2020 |
 Canadá | Bruce Nuclear Generating Station A, B | Grandes Lagos | 756 | 994 | 1.750 | 4.901 | 2018 |
| Canadá | Darlington Nuclear Generating Station | Grandes Lagos | 220 | 210 | 430 | 1.204 | 2018 |
| Canadá | Unidades de la estación nuclear de Pickering 1-4 | Grandes Lagos | 140 | 300 | 440 | 1.232 | 2015 |
 Estados Unidos | Unidades de Energía del Cañón Diablo1, 2 | Océano Pacífico | 82 | 2.7 | 84 | 235 | 2019 |
Dada la actividad específica del tritio a 9650 curies por gramo (357 TBq/g), un TBq equivale a aproximadamente 2,8 miligramos (0,043 gr).
Fukushima Daiichi
En junio de 2016, el Grupo de trabajo sobre agua tritiada publicó un informe sobre el estado del tritio en el agua tritiada en la planta nuclear Fukushima Daiichi, como parte de la consideración de opciones para la eliminación final del agua de refrigeración contaminada almacenada. Esto identificó que la retención de tritio in situ en marzo de 2016 fue de 760 TBq (equivalente a 2,1 g de tritio o 14 mL de agua pura tritiada) en un total de 860 000 m3 de agua almacenada. Este informe también identificó la reducción de la concentración de tritio en el agua extraída de los edificios, etc. para el almacenamiento, observando una disminución del factor de diez durante los cinco años considerados (2011–2016), de 3,3 MBq/L a 0,3 MBq/L (después de la corrección para la desintegración anual del 5% del tritio).
Según un informe de un panel de expertos que consideró el mejor enfoque para abordar este problema, "el tritio podría separarse teóricamente, pero no existe una tecnología de separación práctica a escala industrial. En consecuencia, se dice que una liberación ambiental controlada es la mejor manera de tratar el agua con baja concentración de tritio." Después de una campaña de información pública patrocinada por el gobierno japonés, la liberación gradual al mar del agua tritiada comenzará en 2023. El proceso llevará "décadas" completar. China reaccionó con protesta.
Helio-3
El helio-3, producto de desintegración del tritio, tiene una sección transversal muy grande (5330 graneros) para reaccionar con neutrones térmicos y expulsar un protón; por lo tanto, se vuelve a convertir rápidamente en tritio en los reactores nucleares.
32He + n → 11H + 3
1T
Rayos cósmicos
El tritio se produce naturalmente debido a la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. En la reacción más importante para la producción natural, un neutrón rápido (que debe tener una energía superior a 4,0 MeV) interactúa con el nitrógeno atmosférico:
147N + n → 126C + 3
1T
A nivel mundial, la producción de tritio a partir de fuentes naturales es de 148 petabecquerelios al año. El inventario de equilibrio global de tritio creado por fuentes naturales se mantiene aproximadamente constante en 2590 petabecquereles. Esto se debe a una tasa de producción fija y pérdidas proporcionales al inventario.
Historial de producción
Según un informe de 1996 del Instituto de Investigación Ambiental y Energética del Departamento de Energía de los EE. UU., solo se produjeron 225 kg (496 lb) de tritio en los Estados Unidos entre 1955 y 1996. Dado que se descompone continuamente en helio- 3, la cantidad total restante era de unos 75 kg (165 lb) en el momento del informe.
El tritio para las armas nucleares estadounidenses se produjo en reactores especiales de agua pesada en el sitio del río Savannah hasta su cierre en 1988. Con el Tratado de Reducción de Armas Estratégicas (START) después del final de la Guerra Fría, los suministros existentes fueron suficientes para el nuevo y menor número de armas nucleares durante algún tiempo.
La producción de tritio se reanudó con la irradiación de barras que contenían litio (en sustitución de las barras de control habituales que contenían boro, cadmio o hafnio), en los reactores de la planta nuclear comercial Watts Bar de 2003 a 2005, seguida de la extracción de tritio de las varillas en la nueva instalación de extracción de tritio en el sitio de Savannah River a partir de noviembre de 2006. La fuga de tritio de las varillas durante las operaciones del reactor limita el número que se puede usar en cualquier reactor sin exceder los niveles máximos permitidos de tritio en el refrigerante.
Propiedades
El tritio tiene una masa atómica de 3,01604928 u. Tritio diatómico (T2 o 3H2) es un gas a temperatura y presión estándar. Combinado con oxígeno, forma un líquido llamado agua tritiada (T2O).
La actividad específica del tritio es de 9650 curies por gramo (3,57×1014 Bq/g).
El tritio ocupa un lugar destacado en los estudios de fusión nuclear debido a su sección eficaz de reacción favorable y a la gran cantidad de energía (17,6 MeV) que se produce a través de su reacción con el deuterio:
3
1T+ 21D → 42He + n
Todos los núcleos atómicos contienen protones como sus únicas partículas cargadas eléctricamente. Por lo tanto, se repelen entre sí porque las cargas iguales se repelen. Sin embargo, si los átomos tienen una temperatura y una presión lo suficientemente altas (por ejemplo, en el núcleo del Sol), entonces sus movimientos aleatorios pueden superar esa repulsión eléctrica (llamada fuerza de Coulomb) y pueden acercarse lo suficiente para la energía nuclear fuerte. la fuerza surta efecto, fusionándolos en átomos más pesados.
El núcleo de tritio, que contiene un protón y dos neutrones, tiene la misma carga que el núcleo de hidrógeno común y experimenta la misma fuerza de repulsión electrostática cuando se acerca a otro núcleo atómico. Sin embargo, los neutrones en el núcleo de tritio aumentan la fuerza de atracción nuclear fuerte cuando se acercan lo suficiente a otro núcleo atómico. Como resultado, el tritio puede fusionarse más fácilmente con otros átomos ligeros, en comparación con la capacidad del hidrógeno común para hacerlo.
Lo mismo ocurre, aunque en menor medida, con el deuterio. Esta es la razón por la que las enanas marrones (las llamadas estrellas 'fallidas') no pueden utilizar hidrógeno ordinario, pero fusionan la pequeña minoría de núcleos de deuterio.
Al igual que los otros isótopos de hidrógeno, el tritio es difícil de confinar. El caucho, el plástico y algunos tipos de acero son algo permeables. Esto ha suscitado preocupaciones de que si el tritio se usa en grandes cantidades, en particular para los reactores de fusión, puede contribuir a la contaminación radiactiva, aunque su corta vida media debería evitar una acumulación significativa a largo plazo en la atmósfera.
Los altos niveles de pruebas de armas nucleares atmosféricas que tuvieron lugar antes de la promulgación del Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas Nucleares demostraron ser inesperadamente útiles para los oceanógrafos. Los altos niveles de óxido de tritio introducidos en las capas superiores de los océanos se han utilizado en los años transcurridos desde entonces para medir la tasa de mezcla de las capas superiores de los océanos con sus niveles inferiores.
Riesgos para la salud
El tritio es un isótopo del hidrógeno, lo que le permite unirse fácilmente a los radicales hidroxilo, formando agua tritiada (HTO) y átomos de carbono. Dado que el tritio es un emisor beta de baja energía, no es peligroso externamente (sus partículas beta no pueden penetrar la piel), pero puede ser un riesgo de radiación si se inhala, se ingiere a través de los alimentos o el agua, o se absorbe a través de la piel. HTO tiene una vida media biológica corta en el cuerpo humano de 7 a 14 días, lo que reduce los efectos totales de la ingestión de un solo incidente y evita la bioacumulación a largo plazo de HTO del medio ambiente. La vida media biológica del agua tritiada en el cuerpo humano, que es una medida de la renovación del agua corporal, varía según la estación. Los estudios sobre la vida media biológica de los trabajadores de radiación ocupacional para el tritio de agua libre en una región costera de Karnataka, India, muestran que la vida media biológica en la temporada de invierno es el doble que la de la temporada de verano. Si se sospecha o se conoce la exposición al tritio, beber agua no contaminada ayudará a reemplazar el tritio del cuerpo. El aumento de la sudoración, la micción o la respiración puede ayudar al cuerpo a expulsar el agua y, por lo tanto, el tritio que contiene. Sin embargo, se debe tener cuidado de que no se produzca ni deshidratación ni agotamiento de los electrolitos del cuerpo, ya que las consecuencias para la salud de esas cosas (particularmente a corto plazo) pueden ser más graves que las de la exposición al tritio.
Contaminación ambiental
Se ha filtrado tritio de 48 de los 65 sitios nucleares de EE. UU. En un caso, el agua filtrada contenía 7,5 microcuries (280 kBq) de tritio por litro, que es 375 veces el límite actual de la EPA para el agua potable y 28 veces el límite recomendado por la Organización Mundial de la Salud. Esto equivale a 0,777 nanogramos por litro (5,45×10−8 gr/imp gal) o aproximadamente 0,8 partes por billón.
La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. afirma que, en funcionamiento normal en 2003, 56 reactores de agua a presión emitieron 40 600 curies (1 500 000 GBq) de tritio (máximo: 2080 Ci (77 000 GBq); mínimo: 0,1 Ci (3,7 GBq); promedio: 725 Ci (26.800 GBq)) y 24 reactores de agua en ebullición emitieron 665 Ci (24,6 TBq) (máximo: 174 Ci (6.400 GBq); mínimo: 0 Ci; promedio: 27,7 Ci (1.020 GBq)), en efluentes líquidos. 40.600 Curie de tritio equivalen aproximadamente a 4,207 gramos (0,1484 oz)
Según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., recientemente se descubrió que las señales de salida autoiluminables que se desechan incorrectamente en los vertederos municipales contaminan las vías fluviales.
Límites reglamentarios
Los límites legales de tritio en el agua potable varían mucho de un país a otro. Algunas cifras se dan a continuación:
Tritium drinking water limits by country País Límite de tritio
(Bq/L)Australia 76,103 Japón 60.000 Finlandia 30.000 Organización Mundial de la Salud 10.000. Suiza 10.000. Rusia 7.700 Canadá (Ontario) 7.000 Estados Unidos 740 Noruega 100
El límite estadounidense se calcula para producir una dosis de 4,0 milirems (o 40 microsieverts en unidades SI) por año. Esto es aproximadamente el 1,3 % de la radiación de fondo natural (aproximadamente 3000 μSv). A modo de comparación, la dosis equivalente de plátano (BED) se establece en 0,1 μSv, por lo que el límite legal en los EE. UU. se establece en 400 BED.
Usar
Ensayos radiométricos biológicos
El tritio se ha utilizado para ensayos radiométricos biológicos, en un proceso similar a la datación por radiocarbono. Por ejemplo, en un artículo, se rastreó [3H] acetato de retinilo a través del cuerpo de ratas Sprague-Dawley.
Iluminación autoalimentada
Las partículas beta emitidas por la desintegración radiactiva de pequeñas cantidades de tritio hacen que unas sustancias químicas llamadas fósforos brillen.
Esta radioluminiscencia se utiliza en dispositivos de iluminación autoalimentados llamados betalights, que se utilizan para la iluminación nocturna de miras de armas de fuego, relojes, señales de salida, luces de mapas, brújulas de navegación (como M -1950 brújulas militares estadounidenses), cuchillos y una variedad de otros dispositivos. A partir del año 2000, la demanda comercial de tritio es de 400 gramos (0,88 lb) por año y el costo es de $30 000 por gramo ($850 000/oz) o más.
Armas nucleares
El tritio es un componente importante en las armas nucleares. Se utiliza para mejorar la eficiencia y el rendimiento de las bombas de fisión y las etapas de fisión de las bombas de hidrógeno en un proceso conocido como "impulso" así como en iniciadores de neutrones externos para dichas armas.
Iniciadora de neutrones
(feminine)Estos son dispositivos incorporados en las armas nucleares que producen un pulso de neutrones cuando se detona la bomba para iniciar la reacción de fisión en el núcleo fisionable (pozo) de la bomba, después de que los explosivos la comprimen a una masa crítica. Accionado por un interruptor ultrarrápido como un krytron, un pequeño acelerador de partículas impulsa los iones de tritio y deuterio a energías superiores a los 15 keV necesarios para la fusión de deuterio-tritio y los dirige hacia un objetivo de metal donde el tritio y el deuterio se adsorben como hidruros. Los neutrones de fusión de alta energía de la fusión resultante se irradian en todas las direcciones. Algunos de estos golpean núcleos de plutonio o uranio en el pozo primario, iniciando una reacción nuclear en cadena. La cantidad de neutrones producidos es grande en números absolutos, lo que permite que el pozo alcance rápidamente niveles de neutrones que, de lo contrario, necesitarían muchas más generaciones de reacción en cadena, aunque aún son pequeños en comparación con el número total de núcleos en el pozo.
Impulso
Antes de la detonación, se inyectan unos pocos gramos de gas tritio-deuterio en el "pozo" hueco; de plutonio o uranio fisionable. Las primeras etapas de la reacción en cadena de la fisión suministran suficiente calor y compresión para iniciar la fusión de deuterio-tritio; luego, tanto la fisión como la fusión proceden en paralelo, la fisión ayuda a la fusión al continuar el calentamiento y la compresión, y la fusión ayuda a la fisión con neutrones de alta energía (14,1 MeV). A medida que el combustible de fisión se agota y también explota hacia afuera, cae por debajo de la densidad necesaria para mantenerse crítico por sí mismo, pero los neutrones de fusión hacen que el proceso de fisión progrese más rápido y dure más de lo que sería sin impulso. El aumento del rendimiento proviene abrumadoramente del aumento de la fisión. La energía liberada por la fusión en sí es mucho menor porque la cantidad de combustible de fusión es mucho menor. Los efectos del refuerzo incluyen:
- mayor rendimiento (por la misma cantidad de combustible de fisión, en comparación con la detonación sin aumentar)
- la posibilidad de rendimiento variable por variar la cantidad de combustible de fusión
- permitiendo que la bomba requiera una cantidad menor del material fisible muy caro – y también eliminando el riesgo de predetonación por explosiones nucleares cercanas
- no tan estrictos requisitos en la configuración de la implosión, lo que permite una cantidad más pequeña y más liviana de elevados explosivos para ser utilizado
El tritio en una ojiva sufre una descomposición radiactiva continua, por lo que deja de estar disponible para la fusión. Además, su producto de desintegración, el helio-3, absorbe neutrones si se expone a los emitidos por la fisión nuclear. Esto potencialmente compensa o revierte el efecto previsto del tritio, que era generar muchos neutrones libres, si se ha acumulado demasiado helio-3 a partir de la descomposición del tritio. Por lo tanto, es necesario reponer periódicamente el tritio en las bombas potenciadas. La cantidad estimada necesaria es de 4 gramos (0,14 oz) por ojiva. Para mantener niveles constantes de tritio, se deben suministrar a la bomba alrededor de 0,20 gramos (0,0071 oz) por ojiva por año.
Un mol de gas de deuterio-tritio contendría alrededor de 3,0 gramos (0,11 oz) de tritio y 2,0 gramos (0,071 oz) de deuterio. En comparación, los 20 moles de plutonio en una bomba nuclear consisten en aproximadamente 4,5 kilogramos (9,9 lb) de plutonio-239.
Tritio en secundarios de bombas de hidrógeno
Dado que el tritio sufre una desintegración radiactiva y también es difícil de confinar físicamente, la carga secundaria mucho más grande de isótopos pesados de hidrógeno necesaria en una verdadera bomba de hidrógeno utiliza deuterio de litio sólido como fuente de deuterio y tritio, produciendo el tritio in situ durante la ignición secundaria.
Durante la detonación de la etapa de bomba de fisión primaria en un arma termonuclear (etapa Teller-Ulam), la bujía, un cilindro de 235U/239Pu en la centro de la(s) etapa(s) de fusión, comienza a fisionarse en una reacción en cadena, debido al exceso de neutrones canalizados desde el primario. Los neutrones liberados por la fisión de la bujía dividen el litio-6 en tritio y helio-4, mientras que el litio-7 se divide en helio-4, tritio y un neutrón. A medida que ocurren estas reacciones, la etapa de fusión es comprimida por fotones del primario y la fisión de la chaqueta 238U o 238U/235U que rodea la etapa de fusión. Por lo tanto, la etapa de fusión genera su propio tritio a medida que el dispositivo detona. En el calor y la presión extremos de la explosión, parte del tritio se fusiona con el deuterio, y esa reacción libera aún más neutrones.
Dado que este proceso de fusión requiere una temperatura extremadamente alta para la ignición, y produce cada vez menos neutrones energéticos (solo fisión, fusión de deuterio-tritio y 7
3Li
son productores netos de neutrones), el deuteruro de litio no se usa en bombas potenciadas, sino en bombas de hidrógeno de etapas múltiples.
Fusión nuclear controlada
El tritio es un combustible importante para la fusión nuclear controlada, tanto en diseños de reactores de fusión por confinamiento magnético como por confinamiento inercial. La Instalación Nacional de Ignición (NIF) utiliza combustible de deuterio-tritio, y también lo hará el reactor de fusión experimental ITER. La reacción deuterio-tritio es favorable ya que tiene la sección transversal de fusión más grande (alrededor de 5,0 barns) y alcanza esta sección transversal máxima con la energía más baja (alrededor de 65 keV en el centro de masa) de cualquier combustible de fusión potencial.
El Tritium Systems Test Assembly (TSTA) era una instalación en el Laboratorio Nacional de Los Álamos dedicada al desarrollo y demostración de tecnologías requeridas para el procesamiento de deuterio-tritio relevante para la fusión.
Química analítica
El tritio se usa a veces como radiomarcador. Tiene la ventaja de que casi todas las sustancias químicas orgánicas contienen hidrógeno, lo que facilita encontrar un lugar para poner tritio en la molécula que se investiga. Tiene la desventaja de producir una señal comparativamente débil.
Fuente de energía eléctrica
El tritio se puede usar en un dispositivo betavoltaico para crear una batería atómica para generar electricidad.
Utilizar como marcador transitorio oceánico
Además de los clorofluorocarbonos, el tritio puede actuar como marcador transitorio y tiene la capacidad de "delinear" los caminos biológicos, químicos y físicos a través de los océanos del mundo debido a su distribución en evolución. Por lo tanto, el tritio se ha utilizado como una herramienta para examinar la circulación y la ventilación oceánicas y, para tales fines, generalmente se mide en unidades de tritio, donde 1 TU se define como la relación de 1 átomo de tritio con 1018 átomos de hidrógeno., aproximadamente igual a 0,118 Bq/litro. Como se señaló anteriormente, las pruebas de armas nucleares, principalmente en las regiones de latitudes altas del hemisferio norte, a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960, introdujeron grandes cantidades de tritio en la atmósfera, especialmente en la estratosfera. Antes de estas pruebas nucleares, solo había entre 3 y 4 kilogramos de tritio en la superficie de la Tierra; pero estas cantidades aumentaron en 2 o 3 órdenes de magnitud durante el período posterior a la prueba. Algunas fuentes informaron que los niveles naturales de fondo se excedieron en aproximadamente 1000 TU en 1963 y 1964 y el isótopo se usa en el hemisferio norte para estimar la edad del agua subterránea y construir modelos de simulación hidrogeológicos. Fuentes científicas recientes han estimado que los niveles atmosféricos en el punto álgido de las pruebas de armas se aproximan a las 1000 TU y los niveles de agua de lluvia antes de la caída están entre 5 y 10 TU. En 1963, la isla de Valentia, Irlanda, registró 2000 TU de precipitación.
Océano Atlántico Norte
Mientras estaba en la estratosfera (período posterior a la prueba), el tritio interactuó con las moléculas de agua y se oxidó a ellas, y estuvo presente en gran parte de la lluvia producida rápidamente, lo que convirtió al tritio en una herramienta de pronóstico para estudiar la evolución y la estructura del ciclo hidrológico como así como la ventilación y formación de masas de agua en el Océano Atlántico Norte.
Se utilizaron datos de bombas de tritio del programa Transient Tracers in the Ocean (TTO) para cuantificar las tasas de reabastecimiento y vuelco para aguas profundas ubicadas en el Atlántico Norte.
La bomba de tritio también entra en las profundidades del océano alrededor de la Antártida. La mayor parte del agua tritiada bomba (HTO) en toda la atmósfera puede ingresar al océano a través de los siguientes procesos:
- a) Precipitación
- b) Cambio de vapor
- c) Desplazamiento del río
Estos procesos hacen que HTO sea un gran rastreador para escalas de tiempo de hasta unas pocas décadas.
Usando los datos de estos procesos para 1981, la isosuperficie de 1 TU se encuentra entre 500 y 1000 metros de profundidad en las regiones subtropicales y luego se extiende hasta 1500–2000 metros al sur de la Corriente del Golfo debido a la recirculación y la ventilación en la parte superior de el océano Atlántico. Hacia el norte, la isosuperficie se profundiza y llega al suelo de la llanura abisal, que está directamente relacionada con la ventilación del suelo oceánico en escalas de tiempo de 10 a 20 años.
También es evidente en el Océano Atlántico el perfil de tritio cerca de las Bermudas entre fines de la década de 1960 y fines de la década de 1980. Hay una propagación descendente del máximo de tritio desde la superficie (década de 1960) hasta 400 metros (década de 1980), lo que corresponde a una tasa de profundización de aproximadamente 18 metros por año. También hay aumentos de tritio a 1.500 metros de profundidad a fines de la década de 1970 y 2.500 metros a mediados de la década de 1980, los cuales corresponden a eventos de enfriamiento en aguas profundas y ventilación de aguas profundas asociada.
A partir de un estudio realizado en 1991, el perfil de tritio se utilizó como herramienta para estudiar la mezcla y dispersión de las aguas profundas del Atlántico Norte (NADW) recién formadas, lo que corresponde a aumentos de tritio a 4 TU. Este NADW tiende a derramarse sobre umbrales que dividen el Mar de Noruega del Océano Atlántico Norte y luego fluye hacia el oeste y hacia el ecuador en corrientes fronterizas profundas. Este proceso se explicó a través de la distribución de tritio a gran escala en las profundidades del Atlántico Norte entre 1981 y 1983. El giro subpolar tiende a ser refrescado (ventilado) por el NADW y está directamente relacionado con los altos valores de tritio (> 1,5 TU). También fue evidente la disminución de tritio en la corriente límite occidental profunda por un factor de 10 desde el mar de Labrador hasta los trópicos, lo que indica una pérdida en el interior del océano debido a la mezcla turbulenta y la recirculación.
Océanos Pacífico e Índico
En un estudio de 1998, se tomaron muestras de las concentraciones de tritio en el agua de mar superficial y el vapor de agua atmosférico (10 metros sobre la superficie) en los siguientes lugares: el mar de Sulu, la bahía de Fremantle, la bahía de Bengala, la bahía de Penang y el Estrecho de Malaca. Los resultados indicaron que la concentración de tritio en la superficie del agua de mar era más alta en la Bahía de Fremantle (aproximadamente 0,40 Bq/litro), lo que podría atribuirse a la mezcla de escorrentía de agua dulce de tierras cercanas debido a las grandes cantidades encontradas en las aguas costeras. Por lo general, se encontraron concentraciones más bajas entre los 35 y 45 grados de latitud sur y cerca del ecuador. Los resultados también indicaron que (en general) el tritio ha disminuido a lo largo de los años (hasta 1997) debido a la descomposición física del tritio de las bombas en el Océano Índico. En cuanto al vapor de agua, la concentración de tritio fue aproximadamente un orden de magnitud mayor que las concentraciones de agua de mar en la superficie (entre 0,46 y 1,15 Bq/litro). Por lo tanto, el tritio del vapor de agua no se ve afectado por la concentración de agua de mar en la superficie; por lo tanto, se concluyó que las altas concentraciones de tritio en el vapor eran una consecuencia directa del movimiento descendente del tritio natural desde la estratosfera a la troposfera (por lo tanto, el aire del océano mostró una dependencia del cambio latitudinal).
En el Océano Pacífico Norte, el tritio (introducido como bomba de tritio en el hemisferio norte) se extendió en tres dimensiones. Hubo máximos subsuperficiales en las regiones de latitud media y baja, lo que es indicativo de mezcla lateral (advección) y procesos de difusión a lo largo de líneas de densidad potencial constante (isopicnas) en la parte superior del océano. Algunos de estos máximos incluso se correlacionan bien con los extremos de salinidad. Para obtener la estructura de la circulación oceánica, las concentraciones de tritio se mapearon en 3 superficies de densidad potencial constante (23,90, 26,02 y 26,81). Los resultados indicaron que el tritio estaba bien mezclado (entre 6 y 7 TU) en la isopicna 26,81 en el giro ciclónico subártico y parecía haber un intercambio lento de tritio (en relación con las isopicnas menos profundas) entre este giro y el giro anticiclónico hacia el sur; además, el tritio en las superficies 23.90 y 26.02 parecía intercambiarse a un ritmo más lento entre el giro central del Pacífico Norte y las regiones ecuatoriales.
La profundidad de penetración de la bomba de tritio se puede separar en tres capas distintas:
- Capa 1
- Capa 1 es la capa más baja e incluye la capa más profunda y ventilada en invierno; ha recibido tritio a través de caída radiactiva y perdió algunos debido a la advección y/o difusión vertical y contiene aproximadamente el 28% de la cantidad total de tritio.
- Capa 2
- Capa 2 está por debajo de la primera capa pero por encima del 26.81 isopycnal y ya no es parte de la capa mixta. Sus dos fuentes se difunden hacia abajo desde la capa mixta y las expansiones laterales afloran estratos (poleward); contiene alrededor del 58% del tritio total.
- Capa 3
- Capa 3 es representativo de aguas que son más profundas que el isopycnal de aflora y sólo puede recibir tritio a través de la difusión vertical; contiene el 14% restante del tritio total.
Sistema del río Mississippi
Las consecuencias nucleares de las pruebas de armas de la Guerra Fría se asentaron en los Estados Unidos a lo largo del sistema del río Mississippi. Las concentraciones de tritio se pueden utilizar para comprender los tiempos de residencia de los sistemas hidrológicos continentales (a diferencia de los sistemas hidrológicos oceánicos habituales) que incluyen aguas superficiales como lagos, arroyos y ríos. El estudio de estos sistemas también puede proporcionar a las sociedades y municipios información para fines agrícolas y la calidad general del agua del río.
En un estudio de 2004, se tomaron en cuenta varios ríos durante el examen de las concentraciones de tritio (a partir de la década de 1960) en toda la cuenca del río Mississippi: el río Ohio (la mayor entrada al flujo del río Mississippi), el río Missouri y el río Arkansas. Las mayores concentraciones de tritio se encontraron en 1963 en todos los lugares muestreados a lo largo de estos ríos y se correlacionan bien con las concentraciones máximas en la precipitación debido a las pruebas de bombas nucleares en 1962. Las concentraciones más altas en general ocurrieron en el río Missouri (1963) y fueron mayores que 1.200 TU mientras que las concentraciones más bajas se encontraron en el río Arkansas (nunca más de 850 TU y menos de 10 TU a mediados de la década de 1980).
Se pueden identificar varios procesos utilizando los datos de tritio de los ríos: escorrentía directa y salida de agua de los depósitos de agua subterránea. Usando estos procesos, es posible modelar la respuesta de las cuencas fluviales al trazador transitorio de tritio. Dos de los modelos más comunes son los siguientes:
- Enfoque de flujo de pistón
- la señal de tritio aparece inmediatamente; y
- Enfoque del embalse bien mezclado
- la concentración de salida depende del tiempo de residencia del agua de la cuenca
Desafortunadamente, ambos modelos no logran reproducir el tritio en las aguas de los ríos; por lo tanto, se desarrolló un modelo de mezcla de dos miembros que consta de dos componentes: un componente de flujo rápido (precipitación reciente - "pistón") y un componente donde las aguas residen en la cuenca por más de 1 año (& #34;depósito bien mezclado"). Por lo tanto, la concentración de tritio en la cuenca se convierte en una función de los tiempos de residencia dentro de la cuenca, los sumideros (desintegración radiactiva) o las fuentes de tritio, y la función de entrada.
Para el río Ohio, los datos de tritio indicaron que aproximadamente el 40 % del caudal estaba compuesto por precipitaciones con tiempos de residencia de menos de un año (en la cuenca de Ohio) y las aguas más antiguas consistían en tiempos de residencia de unos diez años. Por lo tanto, los tiempos de residencia cortos (menos de un año) correspondieron al "pronto-flujo" componente del modelo de mezcla de dos miembros. En cuanto al río Missouri, los resultados indicaron que los tiempos de residencia fueron de aproximadamente cuatro años con un componente de flujo rápido de alrededor del 10 % (estos resultados se deben a la serie de represas en el área del río Missouri).
En cuanto al flujo másico de tritio a través del cauce principal del río Mississippi hacia el golfo de México, los datos indicaron que aproximadamente 780 gramos de tritio salieron del río hacia el golfo entre 1961 y 1997, un promedio de 7,7 PBq/año. Y los flujos actuales a través del río Mississippi son de aproximadamente 1 a 2 gramos por año en comparación con los flujos del período anterior a la bomba de aproximadamente 0,4 gramos por año.
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