Енергія реакцій розпаду і синтезу в ядрі атома давно знайшла застосування в науці і техніці. Вона використовується у промисловості, зброю, геології, на атомних електростанціях. Процеси ядерних реакцій можуть приносити як користь, так і величезної шкоди. В статті мова піде про те, що це таке – тритій, як він видобувається, про його використання в атомній енергетиці і які небезпеки пов’язані з його застосуванням.
Ізотопи водню
Перш ніж пояснити, що це таке тритій, необхідно познайомитися з поняттям ізотопу.
Атом будь-якої речовини складається з ядра і електронів (негативно заряджених частинок), що рухаються по орбітах навколо нього. Ядро атома містить позитивно заряджені частинки – протони, і частинки з нейтральним зарядом – нейтрони.
У звичайному атомі кількість електронів і протонів збігається, а ось кількість нейтронів може відрізнятися. У цьому випадку елементи, що мають різне число нейтронів у ядрі, елемента називаються ізотопами.
Водень має заряд 1, тобто в ньому міститься один електрон і один протон. Його ізотопи – протій, дейтерій і тритій. Слово “протій” утворене від грецького слова “перший”. Цей елемент має лише один протон в ядрі. По суті, він являє собою звичний нам водень.
Дейтерій означає “другий”. В його ядрі є один протон і один нейтрон. А тритій перекладається як “третій” і містить в ядрі знову ж один протон, але два нейтрона.
Коротка відповідь на питання “Тритій – що це таке?” виглядає так: це третій ізотоп хімічного елемента гідрогену.
Історія відкриття
Назви для ізотопів 1Н і 2Н – протію та дейтерію – були запропоновані американським фізиком Гарольдом Юрі. Виявивши існування дейтерію, вчені відразу припустили наявність третього ізотопу водню, має два нейтрона в ядрі. Юрі для досліджень використовував метод спектрального аналізу. Однак результатів він не дав. Виявилося, що концентрація тритію занадто мала, щоб його можна було виявити традиційними способами. У природі ця речовина практично неможливо знайти. Тому для досліджень стали використовуватися інші методи, наприклад, мас-спектрометрія.
У 1934 році Ернест Резерфорд зумів штучно отримати третій ізотоп за допомогою ядерних реакцій. Само собою, назву було вибрано заздалегідь, і, за аналогією з протием та дейтерієм, він став називатися тритієм.
Властивості
В нормальних умовах фізичні властивості тритію приблизно такі ж, як у звичайного водню. Він має газоподібний стан; смак, запах та колір відсутні. При зниженні температури до -250 °C він стає легкою безбарвною рідиною. А при нагріванні він нагадує сніг.
Атомна маса тритію дорівнює приблизно 3 а.е.м.
Тритій є радіоактивною речовиною. Період напіврозпаду становить 12 років, що є дуже зручним у дослідженнях. Канал розпаду елемента – бета. Тритій перетворюється на ізотоп гелій-3. При цьому відбувається випущення електронів і антинейтрино.
Дефект маси і енергія зв’язку тритію
Одним із ключових у фізиці елементарних частинок є поняття енергії зв’язку атомних ядер. Під енергією зв’язку ядра тритію розуміють ту кількість енергії, яка необхідна, щоб відбулося розщеплення його ядра на окремі нуклони. Оскільки ядра утримуються так званим сильним взаємодією, потрібна велика кількість енергії, щоб їх розщепити.
Щоб вирахувати енергію зв’язку ядра, необхідно знати масу субатомних частинок. Відомо, що маса спокою ядра менше сумарної маси нуклонів в його складі. Різницю між масами ядра і сумами його нуклонів називають дефектом мас.
Дефект маси тритію, як і інших ядер, розраховується за формулою:
Δm = (Z*mp + N*mn) – Ма, де
Z – число протонів;
N – число нейтронів;
mp – маса протона;
mn – маса нейтрона;
Ма – маса ядра.
Питома енергія зв’язку для елемента тритію становить 2 827,2 кев на нуклон.
Тритій у природі
Кількість цього ізотопу в природі є нікчемним. Пов’язано це з його радіоактивністю, тобто нестабільністю ядра.
У природі він виробляється в основному у верхніх шарах атмосфери. Його формування здійснюється при зіткненні частинок космічних променів з ядрами атомів, наприклад, азоту. Оскільки тритій утворюється в атмосфері, його джерела на Землі – опади (дощ, сніг).
За підрахунками вчених, в чистому вигляді тритію на Землі міститься ледве більше 1 кг. Тому його виробляють штучно в лабораторних умовах.
Виробництво тритію
В даний час отримання даного ізотопу не представляє труднощів, але є надзвичайно дорогим процесом. Для виготовлення одного кілограма речовини потрібні витрати в розмірі 30 млн доларів.
В якості сировини використовують найчастіше літій. Рідше – берилій або бор. Літій піддають нейтронного опромінення на циклотроні. Потім його розчиняють у воді, отримуючи водень, в складі якого є тритій. Половина літію приходить в непридатність в результаті цього процесу і отруюється в утиль.
Для отримання водню з тритієм з берилію і бору їх обробляють сірчаною кислотою.
Ще одним способом отримання ізотопу є опромінення важкої води дейтронами. Важка вода – речовина, яка утворюється з дейтерію (інша назва – оксид дейтерію). Після опромінення таку воду піддають електролізу і потім витягують тритій.
В даний час елемент виробляється в основному на території США, Канади і Росії.
Радіоактивність
Тритій є радіоактивним. При його розпаді виділяється бета-випромінювання представляє собою потік електронів.
При зовнішньому опроміненні організму тритій не завдає серйозної шкоди. Проте при потраплянні всередину з водою, їжею або повітрям він може завдати істотної шкоди здоров’ю. Справа в тому, що будучи ізотопом водню, тритій здатний заміщати його в хімічних сполуках. Таким чином, він потрапляє всередину живих клітин і вбудовується в їх структуру. Це позначається на генетичну інформацію клітини.
Як було сказано, в природі тритій практично не зустрічається, тому навряд чи може завдати шкоди живим організмам. Однак підприємства атомної промисловості стають джерелом штучної вироблення цього ізотопу. Атомні електростанції викидають тритій в рідкому і газоподібному стані. Причина цього в тому, що ізотоп практично не фільтрується. У рік на АЕС утворюється до 4 кг тритію. Результатом викидів стає радіоактивне забруднення ґрунту, повітря і води. Таким чином, він є потенційним джерелом зараження живих організмів. Саме тому тритій був занесений в список контрольованих параметрів при оцінці якості питної води.
Застосування
Основний напрямок використання тритію – атомна промисловість. Справа в тому, що реакція злиття дейтерію і тритію призводить до керованого термоядерного синтезу. Енергія зв’язку тритію настільки велика, що в ході термоядерних реакцій виробляється у величезній кількості, в рази більше, ніж при реакціях розпаду атомних ядер, тому керовані термоядерні реакції можуть стати головним джерелом енергії на Землі на багато років. У зв’язку з цим вчені в даний час працюють над будівництвом термоядерного реактора, в якому процеси синтезу ядер відбувалися б у великих масштабах. Найбільш відомий проект такого реактора – будується в даний час ITER (ІТЕР) у Франції.
Виробництво тритію може успішно застосовуватися для військових цілей, наприклад, створення термоядерної зброї.
З використанням тритію виготовляються спеціальні фарби, що світяться. Це обумовлено радиолюминесценцией – явищем світіння елемента при радіоактивному розпаді. Світяться фарби наносять на шкали приладів, а також використовуються для виготовлення брелоків і годин. Кількість тритію в них не настільки велике, щоб нести загрозу для здоров’я.
Тритій застосовується в якості індикатора хімічних реакцій.
Нарешті, цей ізотоп використовується для визначення віку об’єктів, яким не більш 100 років, наприклад, вин.
Отже, що це таке – тритій? Висновки:
