Quelltext der Seite Tritium

{{Begriffsklärungshinweis}}

{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel  = [[Datei:Mol-Tritium.png|100px|Struktur von Tritium]]
| Suchfunktion    = T2
| Andere Namen    = 
* Überschwerer Wasserstoff
* Superschwerer Wasserstoff
* Wasserstoff-3
* Triplogen (veraltet)
| Summenformel    = T<sub>2</sub> <small>(molekulare Form)</small>
| CAS             = * {{CASRN|15086-10-9|KeinCASLink=1}}
* {{CASRN|10028-17-8|Q54973755}} (Ditritium)
| EG-Nummer       = 233-070-8
| ECHA-ID         = 100.030.052
| PubChem         = 24824
| Beschreibung    = farbloses Gas<ref name="HoWi">{{Holleman-Wiberg|Auflage=102|Startseite=274}}</ref>
| Molare Masse    = * 6,032099 g·[[mol]]<sup>−1</sup> (Mol T–T)
* 3,0160495 [[Atomare Masseneinheit|u]] ([[Atommasse|T-Atom]])
| Aggregat        = [[gas]]förmig
| Dichte          = 
| Schmelzpunkt    = 20,65 [[Kelvin|K]] (−252,5 [[Grad Celsius|°C]])<ref name="HoWi" />
| Siedepunkt      = 25,05 K (−248,1 °C)<ref name="HoWi" />
| Dampfdruck      = 215,98 h[[Pascal (Einheit)|Pa]] (am Schmelzpunkt)<ref name="HoWi" />
| Löslichkeit     = 
| Quelle GHS-Kz   = NV
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|/}}
| GHS-Signalwort  = 
| H               = {{H-Sätze|/}}
| EUH             = {{EUH-Sätze|/}}
| P               = {{P-Sätze|/}}
| Quelle P        = 
| Radioaktiv      = ja
}}

'''Tritium''' ({{IPA|ˈtʁiːt͡si̯ʊm}}, von {{grcS|τρίτος}} ''trítos'' ‚der Dritte‘), auch '''<sup>3</sup>H''', '''überschwerer Wasserstoff''' oder '''superschwerer Wasserstoff'''  ist ein in der Natur in Spuren vorkommendes [[Isotop]] des [[Wasserstoff]]s. Sein auch [[Triton (Physik)|Triton]] genannter [[Atomkern]] besteht aus einem [[Proton]] und zwei [[Neutron]]en. Tritium ist ein radioaktiver [[Betastrahler]]. Es zerfällt mit einer [[Halbwertszeit]] von 12,32 Jahren zu stabilem [[Helium-3]] (<sup>3</sup>He).

== Namensgebung ==
[[File:Hydrogen 3.svg|thumb|upright=1.4|Position von Tritium auf der [[Nuklidkarte]]]]
Aufgrund der großen Bedeutung der Wasserstoffisotope und weil die Massen sich stark unterscheiden, hat man den Isotopen nicht nur eigene Namen gegeben, sondern den Isotopen Deuterium und Tritium auch eigene Elementsymbole: Für <sup>2</sup>H kann man auch D schreiben, und T für <sup>3</sup>H. In diesem Fall steht H dann speziell für <sup>1</sup>H.

Bei anderen Elementen ist das Massenverhältnis zwischen den Isotopen weit geringer (am größten ist es noch bei dem Isotopenpaar <sup>3</sup>He und <sup>4</sup>He, nämlich 1:1,327). Daher gibt es für diese keine eigenen Namen und Symbole.

==Geschichte==
Als Entdecker gelten [[Ernest Rutherford]], [[Mark Oliphant]] und [[Paul Harteck]] (1934), die es aus [[Deuterium]] erzeugten.<ref>Oliphant, Harteck, Rutherford, ''Transmutation Effects observed with Heavy Hydrogen'', Nature, Band 133, 1934, S. 413</ref><ref>Oliphant, Harteck, Rutherford, ''Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen'', Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Band 144, 1934, S. 692</ref> Der Nachweis über einen magnetooptischen Effekt (Allison-Effekt) durch [[Wendell Latimer]] 1933 geriet in den Hintergrund, nachdem dieser Effekt noch im selben Jahr in Misskredit geriet. Isoliert wurde es 1939 zuerst von [[Luis W. Alvarez]] und Robert Cornog, die auch dessen Radioaktivität erkannten.<ref>Alvarez, Cornog, ''Helium and Hydrogen of Mass 3'', Physical Review, Band 56, 1939, S. 613.</ref> [[Willard Libby]] erkannte in den 1950er Jahren, dass man Tritium für radiometrische Datierungen von Wasser und Wein benutzen konnte.<ref>Sheldon Kaufman, Willard Libby: The Natural Distribution of Tritium, Physical Review, Band 93, 1954, S. 1337.</ref>

== Entstehung ==
=== Natürliche Herkunft ===
Tritium entsteht auf natürliche Weise vor allem in der [[Stratosphäre]]. Schnelle Protonen der [[Kosmische Strahlung|kosmischen Strahlung]] bilden durch [[Spallation#Nukleare Spallation|Spallation]] teilweise direkt Tritium, vor allem aber sekundäre Neutronen, die in der Stratosphäre und oberen Troposphäre in Reaktionen mit Stickstoff Tritium bilden:

:<math>{}^{14}_{\ 7} \mathrm {N} \ + \ {}^{1}_{0} \mathrm {n} \ \rightarrow \ {}^{12}_{\ 6} \mathrm {C} \ + \ {}^{3}_{1} \mathrm {H} </math>

kurz:
:<math>\mathrm{^{14}N\ +\ n \longrightarrow \ ^{12}C\ +\ T}</math>

Tritium bildet zunächst HT (Tritiumwasserstoff), diffundiert (sofern in der Stratosphäre entstanden) zur [[Tropopause]], oxidiert in der Troposphäre mit einer Zeitkonstanten von 6,5 Jahren durch photochemische Reaktionen zu HTO (T-haltiges Wasser) und regnet dann vergleichsweise schnell aus. Aus Bildung und radioaktivem Zerfall stellt sich ein [[Fließgleichgewicht]] ein, wodurch sich in der [[Biosphäre]] ständig ca. 3,5 kg Tritium aus natürlicher Produktion befinden,<ref name="Lal_Peters">D. Lal, B. Peters: ''Cosmic ray produced radioactivity on the earth.'' In: ''Handbuch der Physik.'' Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S.&nbsp;551–612.</ref> zu 99 % in oberflächennahen Schichten der Ozeane.<ref>Jürgen Sültenfuß: ''[http://epic.awi.de/26436/1/BerPolarforsch1998256.pdf Das Radionuklid Tritium im Ozean: Meßverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer.]'' In: ''Ber. Polarforsch.'' 256, 1998, {{ISSN|0176-5027}}, S.&nbsp;3 (PDF; 5,8&nbsp;MB).</ref>

=== Nebenprodukt der Kernspaltung ===
In mit [[Schweres Wasser|schwerem Wasser]] [[Moderator (Physik)|moderierten]] Reaktoren (siehe z.&nbsp;B. [[CANDU]]) fällt Tritium in einer Menge von rund 1&nbsp;kg pro 5&nbsp;[[Wattstunde#Gigawattjahr|GWa (Gigawattjahre)]] – das sind etwa 150 [[Joule|Peta-Joule]] erzeugter elektrischer Energie – als unvermeidliches Nebenprodukt an.<ref>Albert Fiege: ''Tritium''. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992. {{ISSN|0303-4003}}.</ref> Die Extraktion aus dem Kühlwasser ist aufwändig, da hierzu eine [[Isotopentrennung]] erforderlich ist.

Auch im Kühlmittel des Primärkreises vieler [[Druckwasserreaktor]]en bildet sich Tritium, da dem Wasser eine gewisse Menge an [[Borsäure]] zur Steuerung der Reaktivität im Reaktorkern beigesetzt wird. Die erwünschte Reaktion ist dabei, dass Bor-10 ein Neutron absorbiert, und dann sofort in ein Alpha-Teilchen und Lithium-7 zerfällt.<ref>[http://atom.kaeri.kr/nuchart/getEvaf.jsp?mat=525&lib=endfb7.1 Neutronenabsorptionsquerschnitte für Bor-10]</ref> Eine unerwünschte Nebenreaktion ist jedoch, dass Bor-11 ein Neutron absorbiert und dann in Tritium und Beryllium-9 zerfällt.<ref>[http://atom.kaeri.kr/nuchart/getEvaf.jsp?mat=528&lib=endfb7.1 Neutronenabsorptionsquerschnitte für Bor-11]</ref>

Tritium ist außerdem ein weniger häufiges Nebenprodukt bei der Kernspaltung von spaltbaren Atomkernen wie <sup>235</sup>U, <sup>239</sup>Pu oder <sup>233</sup>U und entsteht dabei mit einer Häufigkeit von ungefähr 1 Tritiumkern pro 10<sup>4</sup> Spaltungen. Das Tritium entsteht bei 7 % der ternären Zerfälle, also wenn das Ausgangsnuklid in drei anstatt zwei Bruchstücke gespalten wird.<ref>[http://www.woestheinrich.de/resources/34_1.pdf Emission von ternären Teilchen aus Spaltungsreaktionen] {{Webarchiv|text=Archivlink |url=http://www.woestheinrich.de/resources/34_1.pdf |wayback=20111119152639 }} Dissertation, S.&nbsp;9 (PDF; 1,6&nbsp;MB).</ref><ref>O. Serot, C. Wagemans, J. Heyse: ''New Results on Helium and Tritium Gas Production From Ternary Fission.'' In: ''International conference on nuclear data for science and technology. AIP Conference Proceedings.'' 2005, 769, S.&nbsp;857–860, {{DOI|10.1063/1.1945141}}.</ref> In der Regel verbleibt dieses Tritium zusammen mit den anderen Spaltprodukten in den Brennelementen. Bei einem Unfall mit [[Kernschmelze]] oder bei der [[Wiederaufarbeitung]] von Kernbrennstoffen kann es aber freigesetzt werden.<ref>{{Webarchiv|url=http://www2.um.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/57636/26.03.2013_Anfrage_Krohlas_Anlage%203_Landtagsdrucksache.pdf |wayback=20141129053600 |text=Stellungnahme des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg.}} In: ''baden-wuerttemberg.de'', 2013 (PDF)</ref>

=== Produktion aus Lithium ===
Tritium kann durch Reaktion von <sup>6</sup>Li mit Neutronen hergestellt werden:

:<math>\mathrm{^6Li\ +\ n \longrightarrow \ ^4He\ +\ T\ +\ 4{,}78\ MeV}</math>

In [[Wasserstoffbombe]]n wird das zur [[Kernfusion|Fusion]] nötige Tritium überwiegend erst während der Explosion der Bombe auf diesem Weg hergestellt. Die dazu benötigten Neutronen stammen anfangs aus der [[Kernspaltung|Spaltung]] von [[Uran]] oder [[Plutonium]], später auch aus der Fusionsreaktion selbst.

Für [[Kernfusionsreaktor]]en ist die Produktion von Tritium aus Lithium auf demselben Weg vorgesehen: Anfangs, insbesondere für den Betrieb von Forschungsreaktoren, soll Tritium mittels des Neutronenflusses in [[Kernreaktor]]en erbrütet werden. Später soll das nötige Tritium im [[Blanket]] der Kernfusionsreaktoren hergestellt werden.

== Eigenschaften ==
=== Radioaktivität ===

Während sich im [[Atomkern]] des Wasserstoffatoms (<sup>1</sup>H) neben dem [[Proton]] kein Neutron befindet und im Deuterium (<sup>2</sup>H oder D) ein Neutron, sind es im Tritium zwei. Im Gegensatz zu <sup>1</sup>H und <sup>2</sup>H ist der Tritiumkern instabil und zerfällt mit einer [[Halbwertszeit]] von 12,32 Jahren unter Emission eines [[Elektron]]s und eines [[Antineutrino]]s in das '''[[Helium]]isotop''' [[Helium-3|<sup>3</sup>He]] ([[Beta-Minus-Zerfall]]):
:<math>\mathrm{T} \longrightarrow \mathrm{^{3}He} + e^- + \overline\nu_e</math>
Bei diesem Zerfall wird insgesamt eine Energie von 18,6&nbsp;[[Elektronenvolt|keV]] frei:

:<math>E_\mathrm{max} = \Delta m \cdot c^2 = (3{,}0160492-3{,}0160293)u \cdot c^2 = 18552\,\mathrm{eV}</math>.

Davon erhält das Elektron im Mittel 5,7&nbsp;keV kinetische Energie.<ref>[http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/decay?H-3%20B- ''Table of Nuclides.''] Korea Atomic Energy Research Institute</ref>
Im Vergleich zu anderen Betastrahlern ist die Strahlung sehr weich. In Wasser wird sie nach wenigen Mikrometern gestoppt; sie kann auch die oberen Hautschichten nicht durchdringen. Die [[Radioaktivität]] von Tritium ist daher vor allem beim [[Ingestion|Verschlucken]] oder beim [[Atmung|Einatmen]] gefährlich.

=== Weitere Eigenschaften ===

Das Symbol ist <sup>3</sup>H; aus Gründen der Vereinfachung in der Formelschreibweise wird häufig auch T verwendet.

[[Tritiumoxid]] (überschweres Wasser) T<sub>2</sub>O hat eine Siedetemperatur von 101,51&nbsp;°C und eine Schmelztemperatur von 4,48&nbsp;°C.

== Verwendung ==
[[Datei:Tritium-h3 bionerd.jpg|miniatur|hochkant=1.15|Schlüsselanhänger mit Tritium]]
[[Datei:Deuterium-tritium fusion.svg|miniatur|hochkant=1.15|Ein [[Deuterium]]- und ein Tritium-Atomkern verschmelzen zu einem [[Helium]]kern unter Freisetzung eines schnellen [[Neutron]]s und Bewegungsenergie der Teilchen.]]

Unter anderem in der [[Biologie]], [[Chemie]] und [[Medizin]] wird Tritium als sog. [[Tracer (Nuklearmedizin)|Tracer]] zur Markierung bestimmter Substanzen verwendet, auch zur Altersbestimmung von [[Grundwasser]].

In [[Tritiumgaslichtquelle]]n (langlebige Leuchtmittel) wird gasförmiges Tritium zusammen mit einem Leuchtstoff in versiegelten [[Borosilikatglas|Borsilikatglasröhrchen]] verwendet. Die [[Betastrahlung]] des Tritiums regt die Leuchtstoff-Beschichtung innen auf dem Glasröhrchen zu einem schwachen Leuchten ([[Fluoreszenz]]) an. Diese »kalten Leuchten« haben eine theoretische Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten und sind in verschiedenen Farben zu erhalten.

Die vorgenannten Tritiumgaslichtquellen kommen auch als Lichtquelle auf Uhrenzifferblättern und -zeigern bestimmter Uhrenmodelle zur Anwendung.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.traser.com/kundendienst/faq/single/was-bringt-das-zifferblatt-und-die-zeiger-meiner-traser-uhr-zum-leuchten/ |titel=Was bringt das Zifferblatt und die Zeiger meiner traser-Uhr zum Leuchten? |hrsg=MB-Microtec AG |zugriff=2018-07-09 }}</ref> In [[Kompass]]en, wie sie die [[US Army]] in den 1980er Jahren benutzte, verwendete man entsprechend 120 [[Curie (Einheit)|mCi]] Tritium in der Farbe für Markierungen der Himmelsrichtungen.<ref>[https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/radioluminescent/military-compass.html ''Oak Ridge Associated Universities: "Military Compass (1981)".''] In: ''orau.org'', 5. Juli 2016</ref> Auch auf [[Offene Visierung|Visiere]] von Waffen wurde tritiumhaltige Leuchtfarbe aufgebracht.<ref>[https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/radioluminescent/tritium-sight-for-m-16-rifle.html ''Oak Ridge Associated Universities: "Tritium Sight for M-16 Rifle".''] In: ''orau.org'', 5. Juli 2016</ref>

[[Ionisationsrauchmelder]] arbeiten teilweise mit einer Tritiumgas-Ampulle als Ionisator. Bei der Herstellung und Lagerung größerer Mengen bestehen wegen der Radioaktivität allerdings gesundheitliche Risiken. Daher wird es durch [[Phosphoreszenz|phosphoreszierende]] Leuchtmittel, wie z.&nbsp;B. [[Superluminova]] ersetzt. In Rauchmeldern kann statt Tritium auch <sup>241</sup>[[Americium|Am]] (Americium) verwendet werden.

Ein 1:1-Gemisch von [[Deuterium]] und Tritium (D-T) hat die [[Kernfusion#Mögliche Einsatzstoffe und Reaktionen|günstigsten Eigenschaften]] als Brennstoff für die [[Fusionsenergie]]: Eine hohe Energieausbeute, einen relativ großen Wirkungsquerschnitt, die kleinstmögliche dafür zu überwindende [[Coulombkraft]] (nur eine elektrische Ladung je Atom) und dadurch eine vergleichsweise niedrige Fusionstemperatur. Sie beträgt in Fusionsreaktoren etwa 100 Millionen Kelvin, gegenüber 400 Millionen Kelvin bei der in dieser Hinsicht nächstgeeigneten Deuterium-Deuterium-Reaktion. Deshalb kommt für zukünftige [[Fusionskraftwerk]]e nur ein D-T-Gemisch in Betracht. Für deren Dauerbetrieb wären jedoch ausreichende Mengen Tritium nur durch [[#Produktion aus Lithium|Erbrüten]] aus Lithium-6 im Reaktor selbst herstellbar. Erste Experimente, bei denen D-T-Fusionen nachgewiesen wurden, fanden bisher an den Test-Anlagen [[Joint European Torus|Joint European Torus (JET)]] in Culham, England sowie am [[Tokamak Fusion Test Reactor|Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR)]] in Princeton statt. D-T-Experimente in größerem Maßstab sind für die zweite Experimentphase des Projekts [[ITER]] vorgesehen. Anlagen zur Erforschung der Grundlagen eines Fusionskraftwerks wie etwa in Deutschland der [[Tokamak]] [[ASDEX Upgrade]] in Garching oder der [[Stellarator]] [[Wendelstein 7-X]] in Greifswald verwenden dagegen nur Deuterium- oder Wasserstoff-Plasmen, weil es erst einmal nur darum ging und geht, ein stabiles Plasma zu erzeugen. Damit besteht unmittelbar nach jedem Experiment Zugang zu der Anlage und den Messgeräten und der Strahlenschutz-Aufwand kann geringer gehalten werden (der ist auch bei einem Deuterium-Plasma notwendig, weil darin auch bei 100 Millionen Kelvin schon zahlreiche Deuterium-Deuterium-Fusionen stattfinden).

Tritium ist auch ein wesentlicher Bestandteil bestimmter [[Kernwaffe]]n. Bereits wenige Gramm eines gasförmigen Deuterium-Tritium-Gemischs können in [[Kernspaltung]]s-Waffen deren Sprengstoffwirkung um den Faktor&nbsp;2 verstärken, auch „boosting“ genannt. Für [[Neutronenbombe]]n ist Tritium sogar essentiell zur Funktion notwendig; hier werden bis zu 20 Gramm Tritium pro Sprengkopf benötigt.<ref name="Kalinowski">L. Colschen, M. B. Kalinowski: [https://www.wissenschaft-und-frieden.de/seite.php?artikelID=0911 ''Tritium. Ein Bombenstoff rückt ins Blickfeld von Nichtweiterverbreitung und nuklearer Abrüstung.''] In: ''Informationsdienst Wissenschaft und Frieden.'' 9. Jg., Heft 4, 1991, S.&nbsp;10–14.</ref> In Wasserstoffbomben wird Tritium nur als Booster und zur Einstellung der Sprengkraft in der [[Kernspaltung|Fissionstufe]] verwendet, in der Fusionstufe kommt hingegen [[Lithiumdeuterid]] zum Einsatz, aus dem erst unter Neutronenbeschuss Tritium gebildet wird.<ref>[http://uniterra.de/rutherford/ele003.htm Lithiumdeuterid]</ref><ref>{{Webarchiv|url=http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/HTMLdosya1/principlesatomicbomb.htm |wayback=20100318115734 |text=Principles of atomic bombs}}</ref>

Wegen seiner relativ kurzen Halbwertzeit von 12,3 Jahren wird Tritium zur Altersbestimmung von oberflächennahem [[Grundwasser]] oder zur Untersuchung von hydrologischen Fließbedingungen verwendet.<ref>Burkhard Heuel-Fabianek: [http://juser.fz-juelich.de/record/154001/files/FZJ-2014-03430.pdf ''Partition Coefficients (Kd) for the Modelling of Transport Processes of Radionuclides in Groundwater.''] JÜL-Berichte, Forschungszentrum Jülich, Nr. 4375, 2014, {{ISSN|0944-2952}} (PDF; 9,4&nbsp;MB).</ref> Ausgangspunkt der Berechnungen ist der Eintrag des Tritium in den 1950er- und frühen 1960er-Jahren in das Grundwasser. Ursachen des Eintrags waren die zahlreichen [[Atomtest]]s in der Atmosphäre, die erhebliche Mengen an Tritium freisetzten.

Durch Betazerfall von Tritium entsteht nichtradioaktives [[Helium-3]]. Auf Grund seiner extremen Seltenheit in natürlichen Heliumquellen stellt dies derzeit die am wenigsten preisintensive Quelle für Helium-3 dar. Es wird in der Grundlagenforschung benötigt.

== Sicherheitshinweise ==
Die von Tritium ausgehenden chemischen Gefahren sind zwar mit denen von Wasserstoff identisch, aber vergleichsweise zu vernachlässigen gegenüber den radioaktiven Gefahren als gasförmiger Betastrahler, die auch völlig andere Handhabungsvorschriften erfordern. Die Kennzeichnung für Wasserstoff gemäß Anhang VI der [[Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP)]], die sich nur mit den von der Chemie ausgehenden Gefahren befassen, würden hier eher verharmlosend wirken und wurden deshalb weggelassen, zumal Tritium nur in dafür fachlich qualifizierten Laboratorien und nur in geringen Mengen gehandhabt wird.

Tritium ist nicht stark [[Radiotoxizität|radiotoxisch]], kann jedoch in Form von Wasser im Körper gespeichert und umgesetzt werden. Eine französisch-belgische Studie von 2008 kommt zum  Schluss, dass seine radiologischen Wirkungen bisher unterschätzt wurden: Es kann sich z.&nbsp;B. in die [[Desoxyribonukleinsäure|DNS]] (Erbsubstanz) einlagern, was vor allem bei einer Schwangerschaft problematisch sein kann.<ref>{{Webarchiv|url=http://www.fanc.fgov.be/fr/news/un-livre-blanc-met-en-lumiere-les-risques-du-tritium-pour-l-homme-et-son-environnement/323.aspx |wayback=20110812075555 |text=Medienmitteilung zur Studie}}</ref>

== Nachweis ==
Der Nachweis von Tritium erfolgt unter anderem anhand der Wirkungen der Radioaktivität mittels [[Szintillationszähler|Flüssigszintillationszählern]] oder offenen [[Ionisationskammer]]n. Ebenso können Massenspektrometer zum Nachweis verwendet werden.

== Siehe auch ==
* [[Tritiummethode]]
* [[Isotopenuntersuchung]]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4186243-0|LCCN=sh85137936|NDL=00573323}}

[[Kategorie:Nuklid|H-3]]
[[Kategorie:Kernfusion]]
[[Kategorie:Kernbrennstoff]]