Tritium
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- Radioaktiver Stoff
- Nuklid
- Kernfusion
- Kernbrennstoff
| Strukturformel | |||||||
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| Allgemeines | |||||||
| Name | Tritium | ||||||
| Andere Namen |
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| Summenformel | T2 (molekulare Form) | ||||||
| CAS-Nummer | 10028-17-8 | ||||||
| PubChem | 24824 | ||||||
| Kurzbeschreibung |
farbloses Gas[1] | ||||||
| Eigenschaften | |||||||
| Molare Masse | |||||||
| Aggregatzustand |
gasförmig | ||||||
| Schmelzpunkt | |||||||
| Siedepunkt |
−248,1 °C[1] | ||||||
| Dampfdruck | |||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||
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| Radioaktivität | |||||||
 Radioaktiv | |||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | |||||||
Tritium (von {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:ISO15924:97: attempt to index field 'wikibase' (a nil value) trítos ‚der Dritte‘) ist ein in der Natur in Spuren vorkommendes Isotop des Wasserstoffs. Sein Atomkern wird auch Triton genannt, er besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Tritium (3H) wird aufgrund seiner Masse auch als „überschwerer“ oder „superschwerer“ Wasserstoff bezeichnet. Tritium ist ein radioaktiver Betastrahler; es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren.
Wasserstoff hat noch zwei weitere leichtere Isotope, das häufige Protium (1H) und das seltenere Deuterium (2H).
Namensgebung
Eigenständige Namen und Symbole für Isotope eines Elements gibt es nur bei Deuterium (Symbol D anstatt 2H) und Tritium (Symbol T anstatt 3H), weil das Massenverhältnis zwischen Protium und seinen Isotopen verhältnismäßig groß ist (Deuterium 1:2 und Tritium 1:3) und sich daraus merkliche Unterschiede im chemischen Verhalten ergeben. (Zum Vergleich: Bei dem nächstgrößeren Isotopenpaar 3He und 4He ist es 1:1,33; bei 235U und 238U nur noch 1:1,013).
Entstehung
Natürliche Herkunft
Tritium entsteht auf natürliche Weise vor allem in der Stratosphäre. Schnelle Protonen der kosmischen Strahlung bilden durch Spallation teilweise direkt Tritium, vor allem aber sekundäre Neutronen, die in der Stratosphäre und oberen Troposphäre in Reaktionen mit Stickstoff Tritium bilden:
- $ {}_{\ 7}^{14}\mathrm {N} \ +\ {}_{0}^{1}\mathrm {n} \ \rightarrow \ {}_{\ 6}^{12}\mathrm {C} \ +\ {}_{1}^{3}\mathrm {H} $
oder auch
- $ \mathrm {^{14}N\ +\ n\longrightarrow \ ^{12}C\ +\ T} $
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,[3] zu 99 % in oberflächennahen Schichten der Ozeane.[4]
Nebenprodukt der Kernspaltung
In mit schwerem Wasser moderierten Reaktoren (siehe z. B. CANDU) fällt Tritium in einer Menge von rund 1 kg pro 5 GWa (Gigawattjahre) – das sind ca. 158,4 PJ erzeugter elektrischer Energie – als unvermeidliches Nebenprodukt an.[5] Die Extraktion aus dem Kühlwasser ist aufwändig, da hierzu eine Isotopentrennung erforderlich ist.
Auch im Kühlmittel des Primärkreises vieler Druckwasserreaktoren 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.[6] Eine unerwünschte Nebenreaktion ist jedoch, dass Bor-11 ein Neutron absorbiert und dann in Tritium und Beryllium-9 zerfällt.[7]
Tritium ist außerdem ein weniger häufiges Nebenprodukt bei der Kernspaltung von spaltbaren Atomkernen wie 235U, 239Pu oder 233U und entsteht dabei mit einer Häufigkeit von ungefähr 1 Tritiumkern pro 104 Spaltungen. Das Tritium entsteht bei 7 % der ternären Zerfälle, also wenn das Ausgangsnuklid in drei anstatt zwei Bruchstücke gespalten wird.[8][9] 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.[10]
Produktion aus Lithium
Tritium kann durch Reaktion von 6Li mit Neutronen hergestellt werden:
- $ \mathrm {^{6}Li\ +\ n\longrightarrow \ ^{4}He\ +\ T\ +\ 4{,}78\ MeV} $
In Wasserstoffbomben wird das zur Fusion nötige Tritium überwiegend erst während der Explosion der Bombe auf diesem Weg hergestellt. Die dazu benötigten Neutronen stammen anfangs aus der Spaltung von Uran oder Plutonium, später auch aus der Fusionsreaktion selbst.
Für Kernfusionsreaktoren ist die Produktion von Tritium aus Lithium auf demselben Weg vorgesehen: Anfangs, insbesondere für den Betrieb von Forschungsreaktoren, soll Tritium mittels des Neutronenflusses in Kernreaktoren erbrütet werden. Später soll das nötige Tritium im Blanket der Kernfusionsreaktoren hergestellt werden.
Eigenschaften
Radioaktivität
Während sich im Atomkern des Wasserstoffatoms (1H) neben dem Proton kein Neutron befindet und im Deuterium (2H oder D) ein Neutron, sind es im Tritium zwei. Im Gegensatz zu 1H und 2H ist der Tritiumkern instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos in das Heliumisotop 3He (Beta-Minus-Zerfall):
- $ \mathrm {T} \longrightarrow \mathrm {^{3}He} +e^{-}+{\overline {\nu }}_{e} $
Bei diesem Zerfall wird insgesamt eine Energie von 18,6 keV frei:
$ E_{\mathrm {max} }=\Delta m\cdot c^{2}=(3{,}0160492-3{,}0160293)u\cdot c^{2}=18552\,\mathrm {eV} $.
Davon erhält das Elektron im Mittel 5,7 keV kinetische Energie.[11] 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 Verschlucken oder beim Einatmen gefährlich.
Weitere Eigenschaften
Das Symbol ist 3H; aus Gründen der Vereinfachung in der Formelschreibweise wird häufig auch T verwendet.
Tritiumoxid (überschweres Wasser) T2O hat eine Siedetemperatur von 101,51 °C und eine Schmelztemperatur von 4,48 °C.
Verwendung
Unter anderem in der Biologie, Chemie und Medizin wird Tritium als sog. Tracer zur Markierung bestimmter Substanzen verwendet.
In Tritiumgaslichtquellen (langlebige Leuchtmittel) wird gasförmiges Tritium zusammen mit einem Leuchtstoff in versiegelten 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.[12] In Kompassen, wie sie die US Army in den 1980er Jahren benutzte, verwendete man entsprechend 120 mCi Tritium in der Farbe für Markierungen der Himmelsrichtungen.[13] Auch auf Visiere von Waffen wurde tritiumhaltige Leuchtfarbe aufgebracht.[14]
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 phosphoreszierende Leuchtmittel, wie z. B. Superluminova ersetzt. In Rauchmeldern kann statt Tritium auch 241Am (Americium) verwendet werden.
Ein 1:1-Gemisch von Deuterium und Tritium (D-T) hat die 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 Fusionskraftwerke nur ein D-T-Gemisch in Betracht. Für deren Dauerbetrieb wären jedoch ausreichende Mengen Tritium nur durch 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 (JET) in Culham, England sowie am 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 Kernwaffen. Bereits wenige Gramm eines gasförmigen Deuterium-Tritium-Gemischs können in Kernspaltungs-Waffen deren Sprengstoffwirkung um den Faktor 2 verstärken, auch „boosting“ genannt. Für Neutronenbomben ist Tritium sogar essentiell zur Funktion notwendig; hier werden bis zu 20 Gramm Tritium pro Sprengkopf benötigt.[15] In Wasserstoffbomben wird Tritium nur als Booster und zur Einstellung der Sprengkraft in der Fissionstufe verwendet, in der Fusionstufe kommt hingegen Lithiumdeuterid zum Einsatz, aus dem erst unter Neutronenbeschuss Tritium gebildet wird.[16][17]
Wegen seiner relativ kurzen Halbwertzeit von 12,3 Jahren wird Tritium zur Altersbestimmung von oberflächennahem Grundwasser oder zur Untersuchung von hydrologischen Fließbedingungen verwendet[18]. Ausgangspunkt der Berechnungen ist der Eintrag des Tritium in den 1950er- und frühen 1960er-Jahren in das Grundwasser. Ursachen des Eintrags waren die zahlreichen Atomtests 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 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. B. in die DNS (Erbsubstanz) einlagern, was vor allem bei einer Schwangerschaft problematisch sein kann.[19] Eine andere Studie kommt sogar zu dem Schluss, die Wirkung könnte bisher um den Faktor 1000–5000 unterschätzt worden sein.[20]
Nachweis
Der Nachweis von Tritium erfolgt unter anderem anhand der Wirkungen der Radioaktivität mittels Flüssigszintillationszählern oder offenen Ionisationskammern. Ebenso können Massenspektrometer zum Nachweis verwendet werden.
Siehe auch
- Tritiummethode
- Isotopenuntersuchung
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 274.
- ↑ Diese Substanz wurde in Bezug auf ihre Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
- ↑ D. Lal, B. Peters: Cosmic ray produced radioactivity on the earth. In: Handbuch der Physik. Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S. 551–612.
- ↑ Jürgen Sültenfuß: Das Radionuklid Tritium im Ozean: Meßverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer (PDF; 5,8 MB). In: Ber. Polarforsch. 256, 1998, ISSN 0176-5027, S. 3.
- ↑ Albert Fiege: Tritium. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992. ISSN 0303-4003.
- ↑ Neutronenabsorptionsquerschnitte für Bor-10
- ↑ Neutronenabsorptionsquerschnitte für Bor-11
- ↑ Emission von ternären Teilchen aus Spaltungsreaktionen Archivlink (Memento vom 19. November 2011 im Internet Archive) (PDF; 1,6 MB) Dissertation, S. 9.
- ↑ 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. 857–860, doi:10.1063/1.1945141.
- ↑ Stellungnahme des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg (pdf, 2013)
- ↑ Table of Nuclides beim Korea Atomic Energy Research Institute
- ↑ Webseite der hauseigenen Uhrenmarke des Tritiumleuchtmittel-Herstellers MB-Microtec AG.
- ↑ Oak Ridge Associated Universities: "Military Compass (1981)" orau.org, 5. Juli 2016
- ↑ Oak Ridge Associated Universities: "Tritium Sight for M-16 Rifle " orau.org, 5. Juli 2016
- ↑ L. Colschen, M. B. Kalinowski: Tritium. Ein Bombenstoff rückt ins Blickfeld von Nichtweiterverbreitung und nuklearer Abrüstung. In: Informationsdienst Wissenschaft und Frieden. 9. Jg., Heft 4, 1991, S. 10–14.
- ↑ Lithiumdeuterid
- ↑ Principles of atomic bombs
- ↑ Burkhard Heuel-Fabianek: Partition Coefficients (Kd) for the Modelling of Transport Processes of Radionuclides in Groundwater (PDF; 9,4 MB) JÜL-Berichte, Forschungszentrum Jülich, Nr. 4375, 2014, ISSN 0944-2952.
- ↑ Medienmitteilung zur Studie
- ↑ EUROPEAN COMMISSION, RADIATION PROTECTION NO 152, Emerging Issues on Tritium and Low Energy Beta Emitters, EU Scientific Seminar 2007 (PDF; 2,8 MB)
