Tritium - Tritium

Tritium,  3 H
Vodík 3. svg
Všeobecné
Symbol 3 H
Jména tritium, H-3, vodík-3, T, 3 T
Protony 1
Neutrony 2
Nuklidová data
Přirozená hojnost 10 −18 ve vodíku
Poločas rozpadu 12,32 let
Produkty rozpadu 3 On
Hmotnost izotopů 3,01604928 u
Roztočit 1/2
Přebytečná energie 14,949,794 ± 0,001 keV
Vazebná energie 8 481 821 ± 0,004 keV
Režimy rozpadu
Režim rozpadu Energie rozpadu ( MeV )
Beta emise 0,018590
Izotopy vodíku
Kompletní tabulka nuklidů

Tritium ( / t r ɪ t i ə m / nebo / t r ɪ ʃ i ə m / z starořečtina τρίτος (trítos)  'třetí'), nebo vodík-3 (symbol T , nebo 3 H ) je vzácné a radioaktivní izotop vodíku . Jádro tritia ( t , někdy nazývá triton ) obsahuje jeden proton a dva neutrony , zatímco jádro společného izotopu vodíku-1 ( protium ) obsahuje pouze jeden proton, a to vodík-2 ( deuterium ) obsahuje jeden proton a jeden neutron.

Přirozeně se vyskytující tritium je na Zemi extrémně vzácné. Atmosféra má pouze stopová množství, vzniká interakcí jejích plynů s kosmickými paprsky . Může být uměle vyroben ozařováním lithiových kovů nebo lithiových ložisek keramických oblázků v jaderném reaktoru a při běžném provozu jaderných reaktorů je vedlejším produktem s malým množstvím.

Tritium se používá jako zdroj energie v radioluminiscenčních světlech pro hodinky, zaměřovače zbraní, řadu nástrojů a nástrojů a dokonce i pro novinky, jako jsou například samostatně svítící přívěsky na klíče. Používá se v lékařském a vědeckém prostředí jako radioaktivní stopovač . Tritium se také používá jako palivo pro jadernou fúzi spolu s hojnějším deuteriem v tokamakových reaktorech a vodíkových bombách .

Dějiny

Tritium bylo poprvé detekováno v roce 1934 Ernestem Rutherfordem , Markem Oliphantem a Paulem Harteckem po bombardování deuteria deuterony (proton a neutron, obsahující deuteriové jádro). Deuterium je další izotop vodíku. Jejich experiment však nemohl izolovat tritium, což bylo provedeno v roce 1939 Luisem Alvarezem a Robertem Cornogem , kteří si také uvědomili radioaktivitu tritia. Willard Libby uznal, že tritium lze použít k radiometrickému datování vody a vína .

Rozklad

Zatímco tritium má několik různých experimentálně stanovených hodnot poločasu , Národní institut pro standardy a technologie uvádí 4500 ± 8 dní ( 12,32 ± 0,02 let ). To se rozkládá do hélia-3 od beta rozpadem , jako v tomto jaderném rovnice:

3
1
H
 
→  3
2
On1+
 

E-
 

ν
E

a uvolňuje při tom 18,6  keV energie. Elektron to kinetická energie se mění, s průměrně 5,7 keV, zatímco zbývající energie je vyhrán téměř nedetekovatelné elektronové antineutrino . Částice beta z tritia mohou proniknout pouze asi 6,0 mm vzduchu a nejsou schopny projít mrtvou vnější vrstvou lidské kůže. Neobyčejně nízká energie uvolněná v rozpadu beta tritia činí rozpad (spolu s energií rhenia-187 ) vhodným pro měření absolutní hmotnosti neutrin v laboratoři (nejnovější experiment je KATRIN ).

Nízká energie záření tritia ztěžuje detekci sloučenin značených tritiem, kromě použití kapalného scintilačního počítání .

Výroba

Lithium

Tritium se nejčastěji vyrábí v jaderných reaktorech podle neutronové aktivace z lithium-6 . Uvolňování a difúze tritia a helia produkované štěpením lithia může probíhat v keramice označované jako chovatelská keramika . Výroba tritia z lithia-6 v takové chovatelské keramice je možná s neutrony jakékoli energie a je to exotermická reakce poskytující 4,8 MeV. Pro srovnání, fúze deuteria s tritiem uvolní asi 17,6 MeV energie. Pro aplikace v navrhovaných reaktorech fúzní energie, jako je ITER , jsou vyvíjeny oblázky sestávající z lithium -ložiskové keramiky, včetně Li 2 TiO 3 a Li 4 SiO 4 , pro chov tritia v heliem chlazeném oblázkovém loži, známém také jako chovatelská deka.

6
3
Li
 

n
 
→  4
2
On
 
2,05  MeV  3
1
T
 
2,75  MeV  )

Vysokoenergetické neutrony mohou také produkovat tritium z lithia-7 v endotermické (čisté spotřebě tepla) reakci, která spotřebuje 2,466 MeV. To bylo objeveno, když jaderný test Castle Bravo z roku 1954 přinesl nečekaně vysoký výnos.

7
3
Li
 

n
 
→  4
2
On
 
3
1
T
 

n

Boron

Vysokoenergetické neutrony ozařující bór-10 budou také příležitostně produkovat tritium:

10
5
B
 

n
 
→  4
2
On
 
3
1
T

Běžnějším výsledkem zachycení neutronů borem-10 je 7
Li
a jedna alfa částice .

Deuterium

Tritium se také vyrábí v reaktorech moderovaných těžkou vodou, kdykoli jádro deuteria zachytí neutron. Tato reakce má docela malý absorpční průřez , což z těžké vody dělá dobrého moderátora neutronů a produkuje se relativně málo tritia. I tak může být čištění tritia od moderátora po několika letech žádoucí, aby se snížilo riziko jeho úniku do životního prostředí. „Zařízení na odstraňování tritia“ společnosti Ontario Power Generation zpracovává až 2 500 tun (2 500 dlouhých tun; 2 800 čistých tun) těžké vody ročně a oddělí přibližně 2,5 kg (5,5 lb) tritia, čímž je k dispozici pro další použití .

Absorpční průřez deuteria pro tepelné neutrony je asi 0,52 milibarnu , zatímco pro kyslík-16 (16
8
Ó
) je asi 0,19 milibarů a kyslíku-17 (17
8
Ó
) je asi 240 milibarnů.

Štěpení

Tritium je neobvyklý produkt jaderného štěpení z uranu-235 , plutonium-239 a uranu-233 , s produkcí asi jednoho atomu na 10.000 fissions. Uvolnění nebo využití tritia je třeba zvážit při provozu jaderných reaktorů , zejména při přepracování jaderných paliv a při skladování vyhořelého jaderného paliva . Výroba tritia není cílem, ale spíše vedlejším účinkem. Některé jaderné elektrárny jej v malém množství vypouštějí do atmosféry.

Roční vypouštění tritia z jaderných zařízení
Umístění Jaderné zařízení Nejbližší
vody
Kapalina
(TBq)
Steam
(TBq)
Celkem
(TBq)
rok
 Spojené království Heyshamská jaderná elektrárna B irské moře 396 2.1 398 2019
 Spojené království Zařízení na přepracování Sellafield irské moře 423 56 479 2019
 Rumunsko Blok jaderné elektrárny Cernavodă 1 Černé moře 140 152 292 2018
 Francie Závod na přepracování v La Haagu anglický kanál 11 400 60 11 460 2018
 Jižní Korea Jaderná elektrárna Wolseong a další Japonské moře 211 154 365 2020
 Tchaj -wan Maanshanská jaderná elektrárna Luzonský průliv 35 9.4 44 2015
 Čína Jaderná elektrárna Fuqing Taiwanský průliv 52 0,8 52 2020
 Čína Jaderná elektrárna Sanmen Východočínské moře 20 0,4 20 2020
 Kanada Bruce Nuclear Generating Station A, B Velká jezera 756 994 1750 2018
 Kanada Jaderná elektrárna Darlington Velká jezera 220 210 430 2018
 Kanada Pickering jednotky jaderné elektrárny 1-4 Velká jezera 140 300 440 2015
 Spojené státy Elektrárny Diablo Canyon1, 2 Tichý oceán 82 2.7 84 2019

Fukušima Daiichi

V červnu 2016 pracovní skupina Tritiated Water vydala zprávu o stavu tritia v tritiované vodě v jaderné elektrárně Fukušima Daiichi , jako součást zvažování možností konečného odstranění uskladněné kontaminované chladicí vody. To identifikovalo, že držení tritia na místě v březnu 2016 bylo 760  TBq (ekvivalent 2,1 g tritia nebo 14 ml čisté tritiované vody) v celkem 860 000 m 3 skladované vody. Tato zpráva také identifikovala snižující se koncentraci tritia ve vodě extrahované z budov atd. Pro skladování, přičemž za posuzovaných pět let (2011–2016) činila desetinásobný pokles, 3,3 MBq/L až 0,3 MBq/L (po korekci za 5% roční rozpad tritia).

Podle zprávy panelu odborníků zvažujícího nejlepší přístup k řešení tohoto problému „ Tritium by bylo možné teoreticky oddělit, ale neexistuje žádná praktická separační technologie v průmyslovém měřítku. V souladu s tím se říká, že nejlepším způsobem je řízené uvolňování do životního prostředí. k úpravě vody s nízkou koncentrací tritia. “Po veřejné informační kampani sponzorované japonskou vládou začne v roce 2023 postupné uvolňování tritiované vody do moře. Proces bude trvat„ desetiletí “. Čína reagovala protestem.

Hélium-3

Produkt rozpadu tritia, helium-3, má velmi velký průřez (5330 stodol) pro reakci s tepelnými neutrony , které vylučují proton, a proto se v jaderných reaktorech rychle převádí zpět na tritium .

3
2
On
+
n
1
1
H
+ 3
1
T

Kosmické paprsky

Tritium se přirozeně vyskytuje v důsledku interakce kosmických paprsků s atmosférickými plyny. V nejdůležitější reakci pro přirozenou produkci reaguje rychlý neutron (který musí mít energii větší než 4,0  MeV ) s atmosférickým dusíkem :

14
7
N.
 

n
 
→  12
6
C
 
3
1
T

Celosvětově je produkce tritia z přírodních zdrojů 148  petabecquerelů ročně. Globální rovnovážný inventář tritia vytvořený přírodními zdroji zůstává přibližně konstantní na 2 590 petabecquerelech. Je to dáno pevnou výrobní rychlostí a ztrátami úměrnými zásobám.

Výrobní historie

Podle zprávy z roku 1996 z Ústavu pro energetiku a životní prostředí Výzkum na US Department of Energy , jen 225 kg (496 lb) tritia byly vyrobeny ve Spojených státech od roku 1955 do roku 1996. Vzhledem k tomu, že neustále se rozkládá do hélia-3, celkové zbývající množství bylo v době zprávy asi 75 kg (165 lb).

Tritium pro americké jaderné zbraně bylo vyráběno ve speciálních těžkých vodních reaktorech v lokalitě řeky Savannah až do jejich uzavření v roce 1988. Díky Smlouvě o omezení strategických zbraní (START) po skončení studené války byly stávající zásoby dostatečné pro nové, menší nějakou dobu počet jaderných zbraní.

Výroba tritia byla obnovena ozářením tyčinek obsahujících lithium (nahrazující obvyklé kontrolní tyče obsahující bór , kadmium nebo hafnium ) v reaktorech komerční jaderné elektrárny Watts Bar v letech 2003 až 2005 s následnou extrakcí tritia z tyčí při nové zařízení na těžbu tritia v lokalitě řeky Savannah, které začíná v listopadu 2006. Únik tritia z tyčí během provozu reaktoru omezuje počet, který lze použít v jakémkoli reaktoru, aniž by došlo k překročení maximálních povolených úrovní tritia v chladivu.

Vlastnosti

Tritium má atomovou hmotnost 3,01604928  u . Diatomické tritium (
T
2 nebo3
H
2 ) je plyn při standardní teplotě a tlaku . V kombinaci s kyslíkem tvoří kapalinu zvanou tritiovaná voda (
T
2
Ó
).

Tritium je specifická aktivita je 9,650 curie na gram (3,57 x 10 14  Bq / g).

Tritium je ve studiích jaderné fúze prominentní kvůli jeho příznivému reakčnímu průřezu a velkému množství energie (17,6 MeV) produkované jeho reakcí s deuteriem:

3
1
T
 
2
1
D
 
→  4
2
On
 

n

Všechna atomová jádra obsahují protony jako jediné elektricky nabité částice. Odrazují se proto navzájem, protože podobné náboje se odpuzují. Pokud však mají atomy dostatečně vysokou teplotu a tlak (například v jádru Slunce), pak jejich náhodné pohyby mohou překonat takové elektrické odpuzování (nazývané Coulombova síla ) a mohou se dostatečně přiblížit silné jaderné síla se projeví a spojí je do těžších atomů.

Jádro tritia, obsahující jeden proton a dva neutrony, má stejný náboj jako jádro běžného vodíku a při přiblížení k jinému atomovému jádru zažívá stejnou elektrostatickou odpudivou sílu. Neutrony v jádru tritia však zvyšují přitažlivou silnou jadernou sílu, když jsou dostatečně blízko k jinému atomovému jádru. Výsledkem je, že tritium může snáze splynout s jinými lehkými atomy ve srovnání se schopností běžného vodíku toho dosáhnout.

Totéž platí, i když v menší míře, o deuteriu. To je důvod, proč hnědí trpaslíci (takzvané „neúspěšné“ hvězdy ) nemohou využívat běžný vodík, ale spojují malou menšinu jader deuteria.

Radioluminiscenční 1,8 curie (67  GBq ) tritiové lahvičky 6 x 0,2 palce (152,4 mm × 5,1 mm) jsou tenké skleněné lahvičky plněné tritiem, jejichž vnitřní povrchy jsou potaženy fosforem . Zde zobrazená lahvička je zcela nová.

Stejně jako ostatní izotopy vodíku je tritium obtížné omezit. Pryž, plast a některé druhy oceli jsou poněkud propustné. To vyvolalo obavy, že pokud by bylo tritium používáno ve velkém množství, zejména pro fúzní reaktory , mohlo by to přispět k radioaktivní kontaminaci , ačkoli jeho krátký poločas by měl zabránit významné dlouhodobé akumulaci v atmosféře.

Vysoká úroveň zkoušek atmosférických jaderných zbraní, která proběhla před přijetím Smlouvy o zákazu částečných jaderných zkoušek, se ukázala oceánografům neočekávaně užitečná. Vysoké hladiny oxidu tritia zaváděného do horních vrstev oceánů se v následujících letech používají k měření rychlosti míchání horních vrstev oceánů s jejich nižšími hladinami.

Zdravotní rizika

Tritium je izotop vodíku, který mu umožňuje snadno se vázat na hydroxylové radikály za vzniku tritiované vody ( H T O ) a atomů uhlíku. Vzhledem k tomu, že tritium je nízkoenergetický beta zářič , není z vnějšího hlediska nebezpečný (jeho částice beta nemohou proniknout kůží), ale může být radiačním nebezpečím při vdechnutí, požití potravou nebo vodou nebo při absorpci kůží. HTO má v lidském těle krátký biologický poločas 7 až 14 dní, což snižuje celkové účinky jednorázového požití a vylučuje dlouhodobou bioakumulaci HTO z prostředí. Biologický poločas rozdrcené vody v lidském těle, který je mírou obratu vody v těle, se mění v závislosti na ročním období. Studie biologického poločasu radiačních pracovníků z povolání pro volné vodní tritium v ​​pobřežní oblasti Karnataka v Indii ukazují, že biologický poločas v zimní sezóně je dvakrát vyšší než v letní sezóně.

Kontaminace životního prostředí

Tritium uniklo ze 48 ze 65 jaderných lokalit v USA. V jednom případě unikající voda obsahovala 7,5 mikrocuri (280 kBq) tritia na litr, což je 375násobek limitu EPA pro pitnou vodu.

Americká jaderná regulační komise uvádí, že za normálního provozu v roce 2003 uvolnilo 56 tlakovodních reaktorů 40 600 curie (1,50 PBq) tritia (maximum: 2 080 Ci; minimum: 0,1 Ci; průměr: 725 Ci) a 24 vařících vodních reaktorů uvolnilo 665 curies (24,6 TBq) (maximum: 174 Ci; minimum: 0 Ci; průměr: 27,7 Ci), v kapalných odpadních vodách.

Podle americké agentury pro ochranu životního prostředí bylo nedávno zjištěno, že samoosvětlovací výjezdové značky nevhodně uložené na komunálních skládkách kontaminují vodní cesty.

Regulační limity

Právní limity pro tritium v pitné vodě se v jednotlivých zemích velmi liší. Některé údaje jsou uvedeny níže:

Limity pitné vody pro tritium podle zemí
Země Limit tritia
(Bq/l)
Austrálie 76,103
Japonsko 60 000
Finsko 100
Světová zdravotnická organizace 10 000
Švýcarsko 10 000
Rusko 7 700
Kanada (Ontario) 7 000
Spojené státy 740

Americký limit je vypočítán tak, aby ročně poskytl dávku 4,0  miliremů (nebo 40  mikrosievertů v jednotkách SI ). To je asi 1,3% přirozeného záření pozadí (zhruba 3 000 μSv).

Použití

Biologické radiometrické testy

Tritium bylo použito pro biologické radiometrické testy, v procesu podobném radiokarbonovému datování . Například v jednom papíru, [ 3 H] retinylacetát byla sledovat od těla krys Sprague-Dawley .

Osvětlení s vlastním pohonem

Švýcarské vojenské hodinky s obličejem osvětleným tritiem

Částice beta emitované radioaktivním rozpadem malého množství tritia způsobují záři chemikálií nazývaných luminofory .

Tato radioluminiscence se používá v osvětlovacích zařízeních s vlastním pohonem zvaných betalights , která se používají k nočnímu osvětlení zaměřovačů střelných zbraní, hodinek, výjezdních značek , mapových světel, navigačních kompasů (jako jsou současné vojenské kompasy M-1950 USA ), nožů a řada dalších zařízení. Od roku 2000 je komerční poptávka po tritiu 400 gramů ročně a cena je přibližně 30 000 USD za gram.

Nukleární zbraně

Tritium je důležitou součástí jaderných zbraní. Používá se ke zvýšení účinnosti a výtěžku štěpných bomb a fází štěpení vodíkových bomb v procesu známém jako " posilování ", stejně jako u externích iniciátorů neutronů pro takové zbraně.

Iniciátor neutronů

Jedná se o zařízení začleněná do jaderných zbraní, která produkují puls neutronů, když je bomba odpálena, aby zahájila štěpnou reakci ve štěpném jádru (jámě) bomby poté, co je výbušninami stlačena na kritickou hmotnost . Ovládán ultrarychlým přepínačem jako krytron , malý urychlovač částic pohání ionty tritia a deuteria na energie nad 15  keV nebo tak potřebné pro fúzi deuterium-tritium a nasměruje je do kovového cíle, kde jsou tritium a deuterium adsorbovány jako hydridy . Fúzní neutrony s vysokou energií z výsledné fúze vyzařují všemi směry. Některá z těchto úderů plutoniová nebo uranová jádra v jámě primáře vyvolávají jadernou řetězovou reakci . Množství produkovaných neutronů je v absolutních číslech velké, což umožňuje jámě rychle dosáhnout hladin neutronů, které by jinak vyžadovaly mnohem více generací řetězové reakce, byť stále malé ve srovnání s celkovým počtem jader v jámě.

Posílení

Před detonací je do duté „ jámy “ štěpného plutonia nebo uranu vstříknuto několik gramů plynu tritium-deuterium . Počáteční fáze štěpné řetězové reakce dodávají dostatek tepla a komprese k zahájení fúze deuterium-tritium, pak štěpení i fúze probíhají paralelně, štěpení napomáhá fúzi pokračováním zahřívání a komprese a fúze napomáhá štěpení s vysoce energetickými ( 14,1  MeV ) neutrony. Jak se štěpné palivo vyčerpává a také exploduje směrem ven, klesá pod hustotu potřebnou k tomu, aby zůstalo samo o sobě kritické, ale fúzní neutrony urychlují proces štěpení a pokračují déle, než by se zvyšovaly. Zvýšený výnos pochází v drtivé většině ze zvýšení štěpení. Energie uvolněná samotnou fúzí je mnohem menší, protože množství fúzního paliva je mnohem menší. Účinky posílení zahrnují:

  • zvýšený výnos (pro stejné množství štěpného paliva ve srovnání s detonací bez posilování)
  • možnost proměnlivého výtěžku změnou množství fúzního paliva
  • umožňuje bombě vyžadovat menší množství velmi drahého štěpného materiálu - a také eliminuje riziko předzvěsti blízkých jaderných výbuchů
  • ne tak přísné požadavky na nastavení imploze, což umožňuje použití menšího a lehčího množství výbušnin

Tritium v hlavici neustále prochází radioaktivním rozpadem, a proto se stává nedostupným pro fúzi. Kromě toho jeho produkt rozpadu , helium-3, absorbuje neutrony, pokud jsou vystaveny těm, které jsou emitovány jaderným štěpením. To potenciálně kompenzuje nebo obrací zamýšlený účinek tritia, které mělo generovat mnoho volných neutronů, pokud se z rozpadu tritia nahromadilo příliš mnoho helia-3. Proto je nutné pravidelně doplňovat tritium v ​​posílených bombách. Odhadované potřebné množství je 4 gramy na hlavici. K udržení konstantních hladin tritia musí být do bomby dodáno asi 0,20 gramu na hlavici za rok.

Jeden mol plynu deuterium-tritium by obsahoval asi 3,0 gramů tritia a 2,0 gramu deuteria. Pro srovnání, 20 molů plutonia v jaderné bombě tvoří asi 4,5 kilogramu plutonia-239 .

Tritium v ​​sekundárních vodíkových bombách

Vzhledem k tomu, že tritium podléhá radioaktivnímu rozpadu a je také obtížné ho fyzicky omezit, mnohem větší sekundární dávka těžkých izotopů vodíku potřebná ve skutečné vodíkové bombě používá jako zdroj deuteria a tritia pevný deuterid lithný , který během sekundárního zapalování produkuje tritium in situ .

Během detonace primárního štěpného pumového stupně v termonukleární zbrani ( Teller-Ullam staging ) se zapalovací svíčka , válec 235 U/ 239 Pu ve středu fúzního stupně (stupňů), začne štěpit v řetězové reakci, z přebytečných neutronů směřovaných z primárního. Neutrony uvolněné štěpením zapalovací svíčky rozdělovaly lithium-6 na tritium a helium-4, zatímco lithium-7 se dělilo na helium-4, tritium a jeden neutron. Jak k těmto reakcím dochází, je fúzní stupeň stlačen fotony z primárního a štěpného pláště 238 U nebo 238 U/ 235 U obklopujícího fúzní stupeň. Fúzní stádium proto při detonaci zařízení plodí vlastní tritium. V extrémním horku a tlaku výbuchu je část tritia nucena fúzi s deuteriem a tato reakce uvolní ještě více neutronů.

Protože tento fúzní proces vyžaduje extrémně vysokou teplotu pro zapálení a produkuje stále méně energetických neutronů (pouze štěpení, fúze deuterium-tritium a 7
3
Li
štípání jsou výrobci čistých neutronů), deuterid lithný se nepoužívá u posilovaných bomb, ale spíše u vícestupňových vodíkových bomb.

Řízená jaderná fúze

Tritium je důležitým palivem pro řízenou jadernou fúzi jak v konstrukci reaktorů s magnetickým uzavřením, tak v inerciálním uvěznění . Experimentální fúzní reaktor ITER a National Ignition Facility (NIF) budou využívat palivo deuterium-tritium. Reakce deuterium-tritium je příznivá, protože má největší fúzní průřez (asi 5,0  stodoly ) a tohoto maximálního průřezu dosahuje při nejnižší energii (asi 65  keV těžiště) jakéhokoli potenciálního fúzního paliva.

Systems Shromáždění test Tritium (TSTA) byl prostor v Los Alamos National Laboratory věnuje rozvoji a demonstraci technologií potřebných pro fúzní relevantní zpracování deuteria a tritia.

Analytická chemie

Tritium se někdy používá jako radioznačka . Má tu výhodu, že téměř všechny organické chemikálie obsahují vodík, což usnadňuje nalezení místa, kde by se tritium na zkoumanou molekulu dostalo. Má tu nevýhodu, že produkuje poměrně slabý signál.

Zdroj elektrické energie

Tritium lze použít v betavoltaickém zařízení k vytvoření atomové baterie pro výrobu elektřiny .

Použijte jako oceánský přechodný indikátor

Kromě chlorfluoruhlovodíků může tritium působit jako přechodný indikátor a díky své vyvíjející se distribuci má schopnost „nastínit“ biologické, chemické a fyzikální cesty po celém světovém oceánu. Tritium bylo tedy použito jako nástroj ke zkoumání cirkulace a ventilace oceánů a pro tyto účely se obvykle měří v tritiových jednotkách, kde 1 TU je definována jako poměr 1 atomu tritia k 10 18 atomům vodíku, přibližně rovných 0,118 Bq/ litr. Jak již bylo uvedeno dříve, testování jaderných zbraní, zejména v oblastech s vysokou šířkou severní polokoule, v průběhu konce padesátých a počátkem šedesátých let minulého století zavedlo do atmosféry, zejména do stratosféry, velké množství tritia . Před těmito jadernými testy bylo na zemském povrchu jen asi 3 až 4 kilogramy tritia; ale tyto částky vzrostly během období po testu o 2 nebo 3 řády. Některé zdroje uváděly, že přirozené úrovně pozadí byly v letech 1963 a 1964 překročeny přibližně o 1 000 TU a izotop se používá na severní polokouli k odhadu stáří podzemních vod a konstrukci hydrogeologických simulačních modelů. Nedávné vědecké zdroje odhadují atmosférické hladiny ve výšce testování zbraní tak, aby se přiblížily 1 000 TU a úrovně dešťové vody před spadem se pohybovaly mezi 5 a 10 TU. V roce 1963 zaznamenal ostrov Valentia Irsko 2 000 TU srážek.

Severní Atlantský oceán

Zatímco ve stratosféře (období po testu) tritium interagovalo a oxidovalo na molekuly vody a bylo přítomno ve velké části rychle produkovaných srážek, čímž se tritium stalo prognostickým nástrojem pro studium vývoje a struktury hydrologického cyklu i větrání a tvorba vodních mas v severním Atlantiku.

Data z bomby a tritia byla použita z programu Transient Tracers in the Ocean (TTO) za účelem kvantifikace rychlostí doplňování a převrácení hlubinných vod v severním Atlantiku.

Bomb-tritium také vstupuje do hlubokého oceánu kolem Antarktidy. Většina bomby tritiované vody (HTO) v celé atmosféře může vstoupit do oceánu následujícími procesy:

a) srážky
b) výměna páry
c) odtok řeky

Díky těmto procesům je HTO skvělým sledovačem pro časové rozsahy až po několik desetiletí.

S využitím údajů z těchto procesů za rok 1981 leží povrchová plocha 1 TU mezi 500 a 1 000 metry hluboko v subtropických oblastech a poté se rozprostírá 1 500–2 000 metrů jižně od Golfského proudu díky recirkulaci a větrání v horní části Atlantského oceánu . Na severu se isosurface prohlubuje a dosahuje na dno propastné nížiny, což přímo souvisí s větráním dna oceánu v časových měřítcích 10–20 let.

V Atlantském oceánu je také patrný profil tritia poblíž Bermud mezi koncem 60. a koncem 80. let minulého století. Dochází k šíření maxima tritia směrem dolů z povrchu (šedesátá léta) na 400 metrů (osmdesátá léta), což odpovídá rychlosti prohlubování přibližně 18 metrů za rok. Koncem 70. let dochází také k nárůstu tritia v hloubce 1 500 metrů a v polovině 80. let ve výšce 2 500 metrů, přičemž oba odpovídají událostem ochlazování v hluboké vodě a s tím spojené hloubkové vodní ventilaci.

Ze studie v roce 1991 byl tritiový profil použit jako nástroj pro studium míchání a šíření nově vytvořené severoatlantické hluboké vody (NADW), což odpovídá nárůstu tritia na 4 TU. Tento NADW má tendenci se přelévat přes prahy, které dělí Norské moře od severního Atlantského oceánu a poté proudí na západ a rovníkem směrem v hlubokých hraničních proudech. Tento proces byl vysvětlen prostřednictvím rozsáhlé distribuce tritia v hlubokém severním Atlantiku v letech 1981 až 1983. Subpolární gyre má tendenci být osvěžován (větrán) NADW a je přímo spojen s vysokými hodnotami tritia (> 1,5 TU) . Zjevný byl také pokles tritia v hlubokém západním hraničním proudu o faktor 10 od Labradorského moře do tropů , což svědčí o ztrátě nitra oceánu v důsledku turbulentního míchání a recirkulace.

Tichý a indický oceán

Ve studii z roku 1998 byly koncentrace tritia v povrchové mořské vodě a atmosférické vodní páře (10 metrů nad povrchem) odebrány na následujících místech: Sulu , Fremantle Bay , Bengálský záliv , Penang Bay a Malacký průliv . Výsledky ukázaly, že koncentrace tritia v povrchové mořské vodě byla nejvyšší v zálivu Fremantle Bay (přibližně 0,40 Bq/litr), což by mohlo být akreditováno pro směšování odtoku sladké vody z okolních zemí kvůli velkému množství nalezenému v pobřežních vodách. Obvykle byly nižší koncentrace nalezeny mezi 35 a 45 stupni jižní šířky a poblíž rovníku . Výsledky také ukázaly, že (obecně) tritium v ​​průběhu let (až do roku 1997) pokleslo v důsledku fyzického rozpadu bombového tritia v Indickém oceánu . Pokud jde o vodní páru, koncentrace tritia byla přibližně o jeden řád větší než koncentrace povrchové mořské vody (v rozmezí od 0,46 do 1,15 Bq/litr). Tritium vodní páry proto není ovlivněno koncentrací povrchové mořské vody; proto byly vysoké koncentrace tritia v páře uzavřeny jako přímý důsledek pohybu přirozeného tritia směrem dolů ze stratosféry do troposféry (oceánský vzduch proto vykazoval závislost na zeměpisné šířce).

V severním Tichém oceánu se tritium (představené jako bombové tritium na severní polokouli) rozšířilo ve třech rozměrech. Ve středních a nízkých zeměpisných šířkách existovala podpovrchová maxima, což svědčí o laterálních směšovacích (advektivních) a difúzních procesech podél linií konstantní potenciální hustoty ( isopycnals ) v horním oceánu. Některá z těchto maxim dokonce dobře korelují s extrémy slanosti . Aby se získala struktura pro oceánskou cirkulaci, byly koncentrace tritia mapovány na 3 površích s konstantní potenciální hustotou (23,90, 26,02 a 26,81). Výsledky ukázaly, že tritium bylo dobře promícháno (při 6 až 7 TU) na 26,81 isopycnal v subarktické cyklonální gyre a zdálo se, že mezi tímto gyre a anticyklonální gyre k jižní; také se zdálo, že se tritium na povrchu 23,90 a 26,02 vyměňuje pomaleji mezi centrální vírou severního Pacifiku a rovníkovými oblastmi.

Hloubkovou penetraci bombového tritia lze rozdělit do 3 odlišných vrstev:

Vrstva 1
Vrstva 1 je nejmělčí vrstva a zahrnuje nejhlubší, větranou vrstvu v zimě; obdržel tritium prostřednictvím radioaktivního spadu a část ztratil v důsledku advekce a/nebo vertikální difúze a obsahuje přibližně 28% z celkového množství tritia.
Vrstva 2
Vrstva 2 je pod první vrstvou, ale nad 26,81 je isopycnal a již není součástí smíšené vrstvy. Jeho 2 zdroje jsou difúze směrem dolů od smíšené vrstvy a boční expanze vyčnívající vrstvy (směrem k pólu); obsahuje asi 58% celkového tritia.
Vrstva 3
Vrstva 3 je reprezentativní pro vody, které jsou hlubší než výchoz isopynální a mohou přijímat tritium pouze vertikální difúzí; obsahuje zbývajících 14% celkového tritia.

Říční systém Mississippi

Jaderný spad z testování zbraní z dob studené války se usadil ve Spojených státech v celém říčním systému Mississippi . Koncentrace tritia lze použít k porozumění dobám pobytu kontinentálních hydrologických systémů (na rozdíl od obvyklých oceánských hydrologických systémů), které zahrnují povrchové vody, jako jsou jezera, potoky a řeky. Studium těchto systémů může také poskytnout společnostem a obcím informace pro zemědělské účely a celkovou kvalitu říční vody.

Ve studii z roku 2004 bylo při zkoumání koncentrací tritia (počínaje šedesátými léty) v povodí řeky Mississippi vzato v úvahu několik řek: řeka Ohio (největší vstup do toku řeky Mississippi), řeka Missouri a řeka Arkansas . Největší koncentrace tritia byly nalezeny v roce 1963 na všech vzorkovaných místech v těchto řekách a dobře korelují s vrcholovými koncentracemi srážek v důsledku testů jaderné bomby v roce 1962. Celkově nejvyšší koncentrace se vyskytovaly v řece Missouri (1963) a byly větší než 1 200 TU, zatímco nejnižší koncentrace byly nalezeny v řece Arkansas (nikdy vyšší než 850 TU a menší než 10 TU v polovině 80. let).

Pomocí tritiových dat z řek lze identifikovat několik procesů: přímý odtok a odtok vody z nádrží podzemní vody. Pomocí těchto procesů je možné modelovat reakci povodí na přechodný tritiový indikátor. Dva z nejběžnějších modelů jsou následující:

Pístový tok
signál tritia se objeví okamžitě; a
Dobře promíchaný přístup k nádrži
koncentrace odtoku závisí na době zdržení vody v povodí

Oba modely bohužel nedokáží reprodukovat tritium v ​​říčních vodách; proto byl vyvinut dvoučlenný míchací model, který se skládá ze 2 složek: složky s rychlým tokem (nedávné srážky-„píst“) a složky, kde vody pobývají v pánvi déle než 1 rok („dobře promíchaná nádrž“) ). Koncentrace tritia v pánvi se proto stává funkcí dob zdržení v pánvi, propadů (radioaktivního rozpadu) nebo zdrojů tritia a vstupní funkce.

U řeky Ohio tritiová data naznačovala, že asi 40% toku bylo složeno ze srážek s dobou zdržení kratší než 1 rok (v povodí Ohia) a starší vody se skládaly z dob zdržení přibližně 10 let. Krátké doby zdržení (méně než 1 rok) tedy odpovídaly komponentě „prompt-flow“ dvoučlenného míchacího modelu. Pokud jde o řeku Missouri, výsledky ukázaly, že doby pobytu byly přibližně 4 roky, přičemž složka rychlého toku byla přibližně 10% (tyto výsledky jsou způsobeny sérií přehrad v oblasti řeky Missouri).

Pokud jde o hmotnostní tok tritia hlavním kmenem řeky Mississippi do Mexického zálivu , údaje naznačují, že z řeky a do zálivu vytékalo v letech 1961 až 1997 přibližně 780 gramů tritia, v průměru 7,7 PBq/ rok A současné toky přes řeku Mississippi jsou asi 1 až 2 gramy ročně, na rozdíl od toků před bombardováním zhruba 0,4 gramu ročně.

Viz také

Poznámky pod čarou

Reference

externí odkazy


Zapalovač:
deuterium
Tritium je
izotop z vodíku
Těžší:
vodík-4
Produkt rozpadu :
vodík-4
Rozpad řetězce
tritia
Rozkládá se na:
helium-3