Тритий - Tritium

Тритий,  3 H
Водород 3.svg
Общий
Условное обозначение 3 ч
Имена тритий, H-3, водород-3, T, 3 T
Протоны 1
Нейтронов 2
Данные о нуклидах
Природное изобилие 10 -18 в водороде
Период полураспада 12.32 года
Продукты распада 3 Он
Изотопная масса 3.01604928 u
Вращаться 1/2
Избыточная энергия 14 949,794 ± 0,001 кэВ
Связующая энергия 8 481,821 ± 0,004 кэВ
Режимы распада
Режим распада Энергия распада ( МэВ )
Бета-эмиссия 0,018590
Изотопы водорода
Полная таблица нуклидов

Тритий ( / т г ɪ т я ə м / или / т г ɪ ʃ я ə м / с древних греческих τρίτος (trítos)  «третий») или водород-3 (символ Т или 3 Н ) является редким и радиоактивный изотоп водорода . Ядро трития ( т , иногда называемый тритона ) содержит один протон и два нейтрона , в то время как ядро общего изотопа водорода-1 ( протия ) содержит только один протон, и что из водорода-2 ( дейтерий ) содержит один протон и один нейтрон.

Встречающийся в природе тритий крайне редко встречается на Земле. В атмосфере есть только следовые количества, образованные при взаимодействии ее газов с космическими лучами . Его можно получить искусственно путем облучения металлического лития или литийсодержащих керамических шариков в ядерном реакторе , и он является побочным продуктом с низким содержанием при нормальной работе ядерных реакторов.

Тритий используется в качестве источника энергии в радиолюминесцентных лампах для часов, прицелов, многочисленных инструментов и инструментов, и даже в таких новинках, как самосветящиеся брелки для ключей. Он используется в медицинских и научных целях как радиоактивный индикатор . Тритий также используется в качестве ядерного топлива для термоядерного синтеза, наряду с большим количеством дейтерия , в реакторах токамаков и в водородных бомбах .

История

Тритий был впервые обнаружен в 1934 году Эрнестом Резерфордом , Марком Олифантом и Полом Хартеком после бомбардировки дейтерия дейтронами (протоном и нейтроном, составляющими ядро ​​дейтерия). Дейтерий - еще один изотоп водорода. Однако в их эксперименте не удалось выделить тритий, что было завершено в 1939 году Луисом Альваресом и Робертом Корногом , которые также осознали радиоактивность трития. Уиллард Либби признал, что тритий можно использовать для радиометрического датирования воды и вина .

Разлагаться

Хотя тритий имеет несколько различных экспериментально определенных значений периода полураспада , Национальный институт стандартов и технологий перечисляет 4500 ± 8 дней ( 12,32 ± 0,02 года ). Он распадается на гелий-3 в результате бета-распада, как в этом ядерном уравнении:

3
1
ЧАС
 
→  3
2
Он1+
 

е-
 

ν
е

при этом выделяется 18,6  кэВ энергии. Электроны «S кинетическая энергия изменяется, при среднем 5,7 к, в то время как остальная энергия уносятся почти незаметное электронное антинейтрино . Бета-частицы трития могут проникать только через 6,0 мм воздуха, и они неспособны пройти через самый верхний мертвый слой кожи человека. Необычно низкая энергия, выделяемая при бета-распаде трития, делает этот распад (наряду с распадом рения-187 ) подходящим для измерения абсолютной массы нейтрино в лаборатории (последний эксперимент - KATRIN ).

Низкая энергия излучения трития затрудняет обнаружение меченых тритием соединений, за исключением использования жидкостного сцинтилляционного счета .

Производство

Литий

Тритий чаще всего производится в ядерных реакторах путем нейтронной активации из лития-6 . Высвобождение и диффузия трития и гелия, образующихся при делении лития, может происходить внутри керамики, называемой керамикой-размножителем . Производство трития из лития-6 в такой керамике-размножителе возможно с нейтронами любой энергии и представляет собой экзотермическую реакцию, дающую 4,8 МэВ. Для сравнения, синтез дейтерия с тритием выделяет около 17,6 МэВ энергии. Для применения в предлагаемых термоядерных реакторах, таких как ИТЭР , разрабатываются гальки, состоящие из литийсодержащей керамики, включая Li 2 TiO 3 и Li 4 SiO 4 , для воспроизводства трития в гелиевом слое, охлаждаемом гелием, также известном как бланкет размножителя.

6
3
Ли
 

п
 
→  4
2
Он
 
2,05  МэВ  3
1
Т
 
2,75  МэВ  )

Нейтроны высоких энергий могут также производить тритий из лития-7 в эндотермической (чистое потребление тепла) реакции, потребляя 2,466 МэВ. Это было обнаружено, когда ядерное испытание Castle Bravo в 1954 году дало неожиданно высокий результат.

7
3
Ли
 

п
 
→  4
2
Он
 
3
1
Т
 

п

Бор

Облучающие бор-10 нейтронами высоких энергий также иногда производят тритий:

10
5
B
 

п
 
→  4
2
Он
 
3
1
Т

Более частым результатом захвата нейтронов бором-10 является 7
Ли
и одна альфа-частица .

Дейтерий

Тритий также производится в реакторах с тяжелым водным замедлителем, когда ядро дейтерия захватывает нейтрон. Эта реакция имеет довольно малое сечение поглощения , что делает тяжелую воду хорошим замедлителем нейтронов , а трития образуется относительно мало. Даже в этом случае очистка трития от замедлителя может быть желательной через несколько лет, чтобы снизить риск его утечки в окружающую среду. «Установка по удалению трития» компании Ontario Power Generation перерабатывает до 2500 тонн (2500 длинных тонн; 2800 коротких тонн) тяжелой воды в год и выделяет около 2,5 кг (5,5 фунтов) трития, делая его доступным для других целей. .

Сечение поглощения дейтерия тепловых нейтронов составляет около 0,52 миллибарн , тогда как сечение кислорода-16 (16
8
О
) составляет около 0,19 миллибарна, а кислорода-17 (17
8
О
) составляет около 240 миллибарн.

Деление

Тритий является редким продуктом деления ядер из урана-235 , плутоний-239 и уран-233 , с производством около одного атома на 10000 делений. Выделение или извлечение трития необходимо учитывать при эксплуатации ядерных реакторов , особенно при переработке ядерного топлива и хранении отработавшего ядерного топлива . Производство трития - это не цель, а побочный эффект. Некоторые атомные электростанции сбрасывают его в небольших количествах в атмосферу.

Ежегодный сброс трития с ядерных объектов
Место нахождения Ядерный объект Ближайшие
воды
Жидкость
(ТБк)
Steam
(ТБк)
Всего
(ТБк)
год
 Объединенное Королевство Атомная электростанция Хейшема B ирландское море 396 2.1 398 2019 г.
 Объединенное Королевство Перерабатывающий завод Селлафилд ирландское море 423 56 479 2019 г.
 Румыния Чернаводская атомная электростанция, блок 1 Черное море 140 152 292 2018 г.
 Франция Завод по переработке в Ла-Хаге Английский канал 11 400 60 11 460 2018 г.
 Южная Корея Атомная электростанция Вольсон и другие Японское море 211 154 365 2020 г.
 Тайвань Атомная электростанция Мааншань Лусонский пролив 35 год 9,4 44 год 2015 г.
 Китай Fuqing АЭС Тайваньский пролив 52 0,8 52 2020 г.
 Китай АЭС Санмэнь Восточно-Китайское море 20 0,4 20 2020 г.
 Канада Атомная генерирующая станция Брюса A, B Великие озера 756 994 1,750 2018 г.
 Канада Дарлингтонская атомная электростанция Великие озера 220 210 430 2018 г.
 Канада Пикеринг АЭС, блоки 1-4 Великие озера 140 300 440 2015 г.
 Соединенные Штаты Электростанция Diablo Canyon, энергоблоки1, 2 Тихий океан 82 2,7 84 2019 г.

Фукусима-дайити

В июне 2016 года Целевая группа по тритиевой воде выпустила отчет о состоянии трития в тритиевой воде на АЭС «Фукусима-дайити» в рамках рассмотрения вариантов окончательной утилизации хранящейся загрязненной охлаждающей воды. Это показало, что запасы трития на объекте в марте 2016 г. составили 760  ТБк (что эквивалентно 2,1 г трития или 14 мл чистой воды, содержащей тритий) в общей сложности 860 000 м 3 хранимой воды. В этом отчете также указывается на снижение концентрации трития в воде, извлекаемой из зданий и т. Д. Для хранения, что в десять раз снизилось за рассматриваемые пять лет (2011–2016 гг.), С 3,3 МБк / л до 0,3 МБк / л (после корректировки). для 5% годового распада трития).

Согласно отчету группы экспертов, рассматривающей наилучший подход к решению этой проблемы, « тритий можно выделить теоретически, но нет практической технологии разделения в промышленных масштабах. Соответственно, контролируемый выброс в окружающую среду считается лучшим способом. для очистки воды с низкой концентрацией трития ». После кампании по информированию общественности, спонсируемой правительством Японии, постепенный выброс в море тритиевой воды начнется в 2023 году. Этот процесс займет« десятилетия ». Китай отреагировал протестом.

Гелий-3

Продукт распада трития, гелий-3, имеет очень большое поперечное сечение (5330 барн) для реакции с тепловыми нейтронами , вытесняя протон, поэтому он быстро превращается обратно в тритий в ядерных реакторах .

3
2
Он
+
п
1
1
ЧАС
+ 3
1
Т

Космические лучи

Тритий возникает естественным образом из-за взаимодействия космических лучей с атмосферными газами. В наиболее важной для естественного производства реакции быстрый нейтрон (который должен иметь энергию более 4,0  МэВ ) взаимодействует с атмосферным азотом :

14
7
N
 

п
 
→  12
6
C
 
3
1
Т

Во всем мире производство трития из природных источников составляет 148  петабеккерелей в год. Глобальный равновесный запас трития, созданный из природных источников, остается примерно постоянным и составляет 2 590 петабеккерелей. Это связано с фиксированной производительностью и потерями, пропорциональными запасам.

История производства

Согласно отчету 1996 года из Института энергетических и экологических исследований на Департамент энергетики США , всего 225 кг (496 фунтов) трития были произведены в Соединенных Штатах с 1955 по 1996 год она непрерывно распадается на гелий-3, общее оставшееся количество на момент составления отчета составляло около 75 кг (165 фунтов).

Тритий для американского ядерного оружия производился в специальных тяжеловодных реакторах на сайте Savannah River Site до их закрытия в 1988 году. С Договором о сокращении стратегических наступательных вооружений (СНВ) после окончания холодной войны существующих запасов было достаточно для новых, меньших размеров. количество ядерного оружия в течение некоторого времени.

Производство трития было возобновлено облучением стержней, содержащих литий (заменой обычных регулирующих стержней, содержащих бор , кадмий или гафний ), на реакторах промышленной атомной станции Уоттс-Бар с 2003 по 2005 год с последующим извлечением трития из стержней на заводе. новая установка по извлечению трития на площадке Саванна-Ривер начинается в ноябре 2006 года. Утечка трития из стержней во время работы реактора ограничивает количество, которое может быть использовано в любом реакторе, без превышения максимально допустимых уровней трития в теплоносителе.

Характеристики

Тритий имеет атомную массу 3,01604928  ед . Двухатомный тритий (
Т
2 или3
ЧАС
2 ) представляет собой газ при стандартной температуре и давлении . В сочетании с кислородом образует жидкость, называемую тритиевой водой (
Т
2
О
).

Тритий в удельная активность составляет 9,650 кюри на грамм (3,57 × 10 14  Бк / г).

Тритий занимает видное место в исследованиях ядерного синтеза из-за его благоприятного поперечного сечения реакции и большого количества энергии (17,6 МэВ), вырабатываемой при его реакции с дейтерием:

3
1
Т
 
2
1
D
 
→  4
2
Он
 

п

Все атомные ядра содержат протоны как свои единственные электрически заряженные частицы. Поэтому они отталкивают друг друга, потому что отталкиваются одинаковые заряды. Однако, если атомы имеют достаточно высокую температуру и давление (например, в ядре Солнца), то их случайные движения могут преодолеть такое электрическое отталкивание (называемое кулоновской силой ), и они могут подойти достаточно близко для сильного ядерного отталкивания. сила вступила в силу, превратив их в более тяжелые атомы.

Ядро трития, содержащее один протон и два нейтрона, имеет тот же заряд, что и ядро ​​обычного водорода, и испытывает такую ​​же электростатическую силу отталкивания, когда приближается к другому ядру атома. Однако нейтроны в ядре трития увеличивают сильную ядерную силу притяжения, когда подносятся достаточно близко к другому ядру атома. В результате тритий легче соединяется с другими легкими атомами, чем обычный водород.

То же самое, хотя и в меньшей степени, касается дейтерия. Вот почему коричневые карлики (так называемые «несостоявшиеся» звезды ) не могут использовать обычный водород, но они объединяют небольшую часть ядер дейтерия.

Радиолюминесцентные тритиевые пузырьки 1,8 кюри (67  ГБк ) 6 на 0,2 дюйма (152,4 мм × 5,1 мм) представляют собой тонкие стеклянные пузырьки, заполненные газом тритием, внутренние поверхности которых покрыты люминофором . Показанный здесь флакон совершенно новый.

Как и другие изотопы водорода , тритий трудно удержать. Резина, пластик и некоторые виды стали в некоторой степени проницаемы. Это вызвало опасения по поводу того, что, если тритий использовался в больших количествах, в частности для термоядерных реакторов , он может способствовать радиоактивному загрязнению , хотя его короткий период полураспада должен предотвратить значительное долгосрочное накопление в атмосфере.

Высокие уровни испытаний ядерного оружия в атмосфере, которые имели место до вступления в силу Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, оказались неожиданно полезными для океанографов. Высокие уровни оксида трития, внесенного в верхние слои океанов, с тех пор использовались для измерения скорости смешения верхних слоев океанов с их нижними уровнями.

Риск для здоровья

Тритий - изотоп водорода, который позволяет ему легко связываться с гидроксильными радикалами , образуя меченную тритием воду ( H T O ), и с атомами углерода. Поскольку тритий является бета-излучателем с низкой энергией , он не опасен снаружи (его бета-частицы не могут проникнуть через кожу), но он может представлять радиационную опасность при вдыхании, попадании в организм с пищей или водой или при абсорбции через кожу. HTO имеет короткий биологический период полураспада в организме человека, составляющий от 7 до 14 дней, что снижает общие эффекты однократного проглатывания и предотвращает долгосрочное биоаккумулирование HTO из окружающей среды. Биологический период полураспада тритированной воды в организме человека, который является мерой оборота воды в организме, меняется в зависимости от сезона. Исследования биологического периода полураспада свободного трития в воде у рабочих, занимающихся профессиональной радиацией, в прибрежном районе Карнатаки, Индия, показывают, что биологический период полураспада в зимний сезон вдвое больше, чем в летний.

Загрязнение окружающей среды

Тритий просочился с 48 из 65 ядерных объектов США. В одном случае протекающая вода содержала 7,5 микрокюри (280 кБк) трития на литр, что в 375 раз превышает предел EPA для питьевой воды.

Комиссия по ядерному регулированию США заявляет, что при нормальной работе в 2003 г. 56 реакторов с водой под давлением высвободили 40 600 кюри (1,50 ПБк) трития (максимум: 2080 Ки; минимум: 0,1 Ки; средний: 725 Ки), а 24 реактора с кипящей водой высвободили 665 кюри. (24,6 ТБк) (максимум: 174 Ки; минимум: 0 Ки; в среднем: 27,7 Ки) в жидких сточных водах.

По данным Агентства по охране окружающей среды США , недавно было обнаружено, что самосветящиеся знаки выхода, неправильно размещенные на муниципальных свалках, загрязняют водные пути.

Нормативные ограничения

Законодательные пределы содержания трития в питьевой воде сильно различаются от страны к стране. Некоторые цифры приведены ниже:

Нормы содержания трития в питьевой воде по странам
Страна Предел трития
(Бк / л)
Австралия 76 103
Япония 60 000
Финляндия 100
Всемирная организация здравоохранения 10 000
Швейцария 10 000
Россия 7 700
Канада (Онтарио) 7 000
Соединенные Штаты 740

Американский предел рассчитан для получения дозы 4,0  миллибэр (или 40  микрозивертов в единицах СИ ) в год. Это примерно 1,3% от естественного радиационного фона (примерно 3000 мкЗв).

Использовать

Биологические радиометрические анализы

Тритий использовался для биологических радиометрических анализов в процессе, похожем на радиоуглеродное датирование . Например, в одной статье [ 3 H] ретинилацетат прослеживали через тело крыс Sprague-Dawley .

Автономное освещение

Швейцарские военные часы с освещенным тритием циферблатом

Бета-частицы, испускаемые радиоактивным распадом небольшого количества трития, вызывают свечение химических веществ, называемых люминофором .

Эта радиолюминесценция используется в осветительных приборах с автономным питанием, называемых беталайтами , которые используются для ночного освещения прицелов огнестрельного оружия, часов, знаков выхода , фонарей для карт, навигационных компасов (таких как нынешние военные компасы США M-1950 ), ножей и множество других устройств. По состоянию на 2000 год коммерческий спрос на тритий составлял 400 граммов в год, а стоимость составляла приблизительно 30 000 долларов США за грамм.

Ядерное оружие

Тритий - важный компонент ядерного оружия. Он используется для повышения эффективности и мощности ядерных бомб и стадий деления водородных бомб в процессе, известном как « форсирование », а также во внешних нейтронных инициаторах для такого оружия.

Нейтронный инициатор

Это устройства, встроенные в ядерное оружие, которые создают импульс нейтронов, когда бомба взрывается, чтобы инициировать реакцию деления в делящейся активной зоне (яме) бомбы после того, как она сжимается до критической массы с помощью взрывчатых веществ. Приводимый в действие сверхбыстрым переключателем, таким как критрон , небольшой ускоритель частиц доводит ионы трития и дейтерия до энергии выше 15  кэВ или около того, необходимых для синтеза дейтерия и трития, и направляет их в металлическую мишень, где тритий и дейтерий адсорбируются в виде гидридов . Нейтроны термоядерного синтеза высокой энергии излучаются во всех направлениях. Некоторые из них поражают ядра плутония или урана в яме первичной обмотки, инициируя ядерную цепную реакцию . Количество произведенных нейтронов велико в абсолютных числах, что позволяет яме быстро достичь нейтронных уровней, которые в противном случае потребовали бы гораздо большего количества поколений цепной реакции, хотя все еще небольшого по сравнению с общим количеством ядер в яме.

Повышение

Перед детонацией несколько граммов тритий-дейтериевого газа вводятся в полую « яму » делящегося плутония или урана. На ранних стадиях цепной реакции деления выделяется достаточно тепла и сжатия, чтобы начать синтез дейтерия и трития, затем и деление, и синтез протекают параллельно, деление способствует синтезу, продолжая нагрев и сжатие, а синтез помогает делению с высокоэнергетическим ( 14,1  МэВ ) нейтронов. По мере того, как топливо для деления истощается и также взрывается наружу, оно падает ниже плотности, необходимой для того, чтобы само по себе оставаться критическим, но нейтроны ядерного синтеза заставляют процесс деления прогрессировать быстрее и продолжаться дольше, чем это было бы без ускорения. Повышение выхода происходит в основном за счет увеличения деления. Энергия, выделяемая самим термоядерным синтезом, намного меньше, потому что количество термоядерного топлива намного меньше. Эффекты повышения включают:

  • повышенный выход (для того же количества топлива деления, по сравнению с детонацией без наддува)
  • возможность переменного выхода за счет изменения количества термоядерного топлива
  • позволяя бомбе потреблять меньшее количество очень дорогого расщепляющегося материала, а также исключая риск преддетонации близлежащими ядерными взрывами
  • не такие строгие требования к установке имплозии, позволяющие использовать меньшее и более легкое количество взрывчатых веществ

Тритий в боеголовке постоянно подвергается радиоактивному распаду, поэтому становится недоступным для синтеза. Кроме того, продукт его распада , гелий-3, поглощает нейтроны, если подвергаться воздействию нейтронов, испускаемых ядерным делением. Это потенциально компенсирует или обращает намеченный эффект трития, который должен был генерировать много свободных нейтронов, если при распаде трития накопилось слишком много гелия-3. Поэтому необходимо периодически пополнять запасы трития в бомбардировщиках. Ориентировочно необходимое количество составляет 4 грамма на боеголовку. Для поддержания постоянного уровня трития в бомбу необходимо подавать около 0,20 грамма на боеголовку в год.

Один моль дейтерий-тритиевого газа будет содержать около 3,0 грамма трития и 2,0 грамма дейтерия. Для сравнения: 20 молей плутония в ядерной бомбе составляют около 4,5 кг плутония-239 .

Тритий во вторичных компонентах водородной бомбы

Поскольку тритий подвергается радиоактивному распаду, и его также трудно удержать физически, гораздо больший вторичный заряд тяжелых изотопов водорода, необходимый в настоящей водородной бомбе, использует твердый дейтерид лития в качестве источника дейтерия и трития, производя тритий in situ во время вторичного воспламенения.

Во время детонации первичной ступени бомбы деления в термоядерном оружии (ступень Теллера-Уллама ) свеча зажигания , цилиндр из 235 U / 239 Pu в центре ступени (ов) синтеза, начинает деление в цепной реакции, от избыточных нейтронов, направляемых из первичной обмотки. Нейтроны, высвобождающиеся при делении свечи зажигания, расщепляют литий-6 на тритий и гелий-4, а литий-7 расщепляется на гелий-4, тритий и один нейтрон. Когда происходят эти реакции, стадия синтеза сжимается фотонами от первичной обмотки и деления оболочки 238 U или 238 U / 235 U, окружающей стадию синтеза. Следовательно, на стадии термоядерного синтеза при взрыве устройства образуется собственный тритий. При очень высокой температуре и давлении взрыва часть трития затем превращается в синтез с дейтерием, и эта реакция высвобождает еще больше нейтронов.

Поскольку этот процесс синтеза требует чрезвычайно высокой температуры для воспламенения, и он производит все меньше и менее энергичных нейтронов (только деление, синтез дейтерия и трития и 7
3
Ли
расщепление - чистые производители нейтронов), дейтерид лития не используется в форсированных бомбах, а скорее используется в многоступенчатых водородных бомбах.

Управляемый ядерный синтез

Тритий является важным топливом для управляемого ядерного синтеза в конструкциях термоядерных реакторов как с магнитным, так и с инерционным удержанием . Экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР и Национальный центр зажигания (NIF) будут использовать дейтерий-тритиевое топливо. Реакция дейтерия и трития является благоприятной, поскольку она имеет наибольшее сечение термоядерного синтеза (около 5,0  барн ) и достигает этого максимального сечения при самой низкой энергии (около 65  кэВ в центре масс) любого потенциального термоядерного топлива.

Испытания системы Ассамблея тритий (TSTA) был объект в Национальной лаборатории в Лос - Аламосе , посвященный разработке и демонстрации технологий , необходимых для сплавления соответствующих обработки дейтерий-тритий.

Аналитическая химия

Иногда в качестве радиоактивной метки используется тритий . Его преимущество состоит в том, что почти все органические химические вещества содержат водород, что позволяет легко найти место для размещения трития в исследуемой молекуле. Его недостаток состоит в том, что он дает сравнительно слабый сигнал.

Источник электроэнергии

Тритий можно использовать в бетавольтаическом устройстве для создания атомной батареи для выработки электроэнергии .

Использование в качестве океанического транзитного индикатора

Помимо хлорфторуглеродов , тритий может действовать как временный индикатор и может «очерчивать» биологические, химические и физические пути в мировом океане из-за его эволюционирующего распределения. Таким образом, тритий использовался в качестве инструмента для изучения циркуляции и вентиляции океана и для таких целей обычно измеряется в единицах трития, где 1 TU определяется как отношение 1 атома трития к 10 18 атомам водорода, приблизительно равное 0,118 Бк / литр. Как отмечалось ранее, испытания ядерного оружия, в первую очередь в высокоширотных регионах Северного полушария, в конце 1950-х - начале 1960-х годов привели к попаданию большого количества трития в атмосферу, особенно в стратосферу . До этих ядерных испытаний на поверхности Земли было всего от 3 до 4 килограммов трития; но за послетестовый период эти суммы выросли на 2–3 порядка. Некоторые источники сообщили, что естественные фоновые уровни были превышены примерно на 1000 ТЕ в 1963 и 1964 годах, и изотоп используется в северном полушарии для оценки возраста подземных вод и построения гидрогеологических имитационных моделей. Согласно недавним научным источникам, уровни в атмосфере на пике испытаний оружия приближаются к 1000 ТЕ, а уровни дождевой воды до выпадения осадков составляют от 5 до 10 ТЕ. В 1963 году на острове Валентия в Ирландии было зарегистрировано 2000 ТЕ осадков.

Северо-атлантический океан

Находясь в стратосфере (период после испытаний), тритий взаимодействовал с молекулами воды и окислялся до них и присутствовал в большей части быстро производимых дождевых осадков, что сделало тритий прогностическим инструментом для изучения эволюции и структуры гидрологического цикла, а также вентиляция и формирование водных масс в северной части Атлантического океана.

Данные о бомбах трития использовались из программы Transient Tracers in the Ocean (TTO), чтобы количественно оценить скорость пополнения и опрокидывания для глубоководных районов Северной Атлантики.

Бомба-тритий также попадает в глубокий океан вокруг Антарктики. Большая часть содержащейся в бомбе тритиевой воды (HTO) в атмосфере может попасть в океан в результате следующих процессов:

(а) осадки
(б) парообмен
(в) речной сток

Эти процессы делают HTO отличным индикатором для временных шкал до нескольких десятилетий.

Используя данные этих процессов за 1981 год, изоповерхность 1 TU находится на глубине от 500 до 1000 метров в субтропических регионах, а затем простирается на 1500–2000 метров к югу от Гольфстрима из-за рециркуляции и вентиляции в верхней части Атлантического океана. . К северу изоповерхность углубляется и достигает дна абиссальной равнины, которая напрямую связана с вентиляцией дна океана в течение 10–20 лет.

В Атлантическом океане также очевиден профиль трития у Бермудских островов в период с конца 1960-х до конца 1980-х годов. Максимум трития распространяется вниз от поверхности (1960-е годы) до 400 метров (1980-е годы), что соответствует скорости углубления примерно 18 метров в год. Также наблюдается увеличение содержания трития на глубине 1500 метров в конце 1970-х и на 2500 метров в середине 1980-х годов, оба из которых соответствуют похолоданиям на глубокой воде и связанной с ними глубоководной вентиляции.

Из исследования 1991 года профиль трития был использован в качестве инструмента для изучения перемешивания и распространения вновь образованных глубоководных вод Северной Атлантики (НАДВ), что соответствует увеличению содержания трития до 4 ТЕ. Этот NADW имеет тенденцию перетекать через пороги, которые отделяют Норвежское море от Северной Атлантики, а затем течет на запад и к экватору глубокими пограничными течениями. Этот процесс был объяснен крупномасштабным распределением трития в глубинах Северной Атлантики в период с 1981 по 1983 год. Субполярный круговорот имеет тенденцию опресняться (вентилироваться) за счет NADW и напрямую связан с высокими значениями трития (> 1,5 TU). . Также было очевидно уменьшение трития в глубоком западном пограничном потоке в 10 раз от Лабрадорского моря к тропикам , что указывает на потерю трития в глубину океана из-за турбулентного перемешивания и рециркуляции.

Тихий и Индийский океаны

В исследовании 1998 года пробы концентрации трития в морской воде и атмосферном водяном паре (на высоте 10 метров над поверхностью) были отобраны в следующих местах: море Сулу , залив Фримантл , Бенгальский залив , залив Пенанг и Малаккский пролив. . Результаты показали, что концентрация трития в поверхностной морской воде была самой высокой в ​​заливе Фримантл (приблизительно 0,40 Бк / литр), что можно отнести к смешанным стокам пресной воды с близлежащих земель из-за больших количеств, обнаруженных в прибрежных водах. Обычно более низкие концентрации обнаруживались между 35 и 45 градусами южной широты и вблизи экватора . Результаты также показали, что (в целом) количество трития уменьшилось с годами (до 1997 г.) из-за физического распада бомбового трития в Индийском океане . Что касается водяного пара, то концентрация трития была примерно на порядок выше, чем концентрация в морской воде на поверхности (от 0,46 до 1,15 Бк / литр). Следовательно, на тритий в водяном паре не влияет концентрация морской воды на поверхности; таким образом, был сделан вывод, что высокие концентрации трития в паре являются прямым следствием нисходящего движения природного трития из стратосферы в тропосферу (следовательно, океанский воздух показал зависимость от изменения широты).

В северной части Тихого океана тритий (введенный как бомбовый тритий в северном полушарии) распространился в трех измерениях. Подповерхностные максимумы наблюдались в средних и низких широтах, что свидетельствует о латеральном перемешивании (адвекции) и диффузионных процессах по линиям постоянной потенциальной плотности ( изопикналам ) в верхних слоях океана. Некоторые из этих максимумов даже хорошо коррелируют с экстремумами солености . Чтобы получить структуру океанской циркуляции, концентрации трития были нанесены на карту на трех поверхностях с постоянной плотностью потенциала (23,90, 26,02 и 26,81). Результаты показали, что тритий был хорошо перемешан (от 6 до 7 TU) на изопикнале 26,81 в субарктическом циклоническом круговороте, и, по-видимому, имел место медленный обмен трития (по сравнению с более мелкими изопикналами) между этим круговоротом и антициклоническим круговоротом в сторону юг; кроме того, тритий на поверхностях 23.90 и 26.02, по-видимому, медленнее обменивался между центральным круговоротом северной части Тихого океана и экваториальными областями.

Глубину проникновения бомбового трития можно разделить на 3 отдельных слоя:

Слой 1
Слой 1 является самым мелким слоем и включает в себя самый глубокий вентилируемый слой зимой; он получил тритий в результате радиоактивных осадков и потерял часть из-за адвекции и / или вертикальной диффузии и содержит примерно 28% от общего количества трития.
Слой 2
Слой 2 находится ниже первого слоя, но выше изопикны 26,81 и больше не является частью смешанного слоя. Его 2 источника - это диффузия вниз от смешанного слоя и боковые расширения, выходящие на поверхность (к полюсу); он содержит около 58% всего трития.
Слой 3
Слой 3 представляет воды, которые глубже изопикны обнажения и могут получать тритий только за счет вертикальной диффузии; он содержит оставшиеся 14% всего трития.

Система реки Миссисипи

Ядерные осадки от испытаний оружия времен холодной войны осели в Соединенных Штатах по всей системе реки Миссисипи . Концентрации трития можно использовать для понимания времени пребывания в континентальных гидрологических системах (в отличие от обычных океанических гидрологических систем), которые включают поверхностные воды, такие как озера, ручьи и реки. Изучение этих систем также может предоставить обществам и муниципалитетам информацию для сельскохозяйственных целей и общего качества речной воды.

В исследовании 2004 года, несколько рек были приняты во внимание при рассмотрении концентраций трития (начиная с 1960 - х годов) на всей территории бассейна реки Миссисипи: реки Огайо (самый большой вклад в поток реки Миссисипи), реки Миссури и реки Арканзас . Наибольшие концентрации трития были обнаружены в 1963 году во всех местах отбора проб по всем этим рекам и хорошо коррелируют с пиковыми концентрациями в осадках, вызванных испытаниями ядерной бомбы в 1962 году. В целом самые высокие концентрации наблюдались в реке Миссури (1963 год) и превышали 1200 TU, тогда как самые низкие концентрации были обнаружены в реке Арканзас (никогда не превышали 850 TU и менее 10 TU в середине 1980-х годов).

Используя данные по тритию в реках, можно выделить несколько процессов: прямой сток и отток воды из подземных водоемов. Используя эти процессы, становится возможным моделировать реакцию речных бассейнов на переходный индикатор трития. Двумя наиболее распространенными моделями являются следующие:

Поршневой подход
сигнал трития появляется сразу; а также
Подход с использованием хорошо перемешанного коллектора
концентрация на выходе зависит от времени пребывания воды в бассейне

К сожалению, обе модели не воспроизводят тритий в речных водах; Таким образом, была разработана двухчленная модель смешения, состоящая из двух компонентов: компонента быстрого потока (недавние осадки - «поршневые») и компонента, при котором воды находятся в бассейне более 1 года («хорошо перемешанный резервуар». ). Следовательно, концентрация трития в бассейне становится функцией времени пребывания в бассейне, стоков (радиоактивный распад) или источников трития, а также входной функции.

Для реки Огайо данные по тритию показали, что около 40% стока составляли осадки со временем пребывания менее 1 года (в бассейне Огайо), а более старые воды имели время пребывания около 10 лет. Таким образом, короткое время пребывания (менее 1 года) соответствовало компоненту «быстрого потока» модели двухчленного смешения. Что касается реки Миссури, результаты показали, что время пребывания составляло приблизительно 4 года с составляющей быстрого потока, составляющей около 10% (эти результаты связаны с рядом плотин в районе реки Миссури).

Что касается массового потока трития через главный ствол реки Миссисипи в Мексиканский залив , данные показали, что примерно 780 граммов трития вытекло из реки в залив в период с 1961 по 1997 год, в среднем 7,7 ПБк / г. А текущие потоки через реку Миссисипи составляют от 1 до 2 граммов в год, в отличие от потоков до периода до бомбардировки примерно 0,4 грамма в год.

Смотрите также

Сноски

использованная литература

внешние ссылки


Зажигалка:
дейтерий
Тритий является
изотоп из водорода
Тяжелее:
водород-4
Продукт распада :
водород-4
Цепочка распада
трития
Распадается на:
гелий-3