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| 一般的な | |
|---|---|
| シンボル | 3時間 |
| 名前 | トリチウム、3H、H-3、 水素-3、T、3 T |
| 陽子 ( Z ) | 1 |
| 中性子 ( N ) | 2 |
| 核種データ | |
| 自然の豊かさ | 水素では10 −18 [1] |
| 半減期 （t 1/2） | 12.32年 |
| 同位体質量 | 3.01604928日 |
| スピン | 1/2 |
| 余剰エネルギー | 14 949 .794 ± 0.001 keV |
| 結合エネルギー | 8 481 .7963 ± 0.0009 keV |
| 崩壊生成物 | 3彼は |
| 減衰モード | |
| 減衰モード | 崩壊エネルギー( MeV ) |
| ベータ放出 | 0.018590 |
| 水素の同位体 核種の完全な表 | |
トリチウム（古代ギリシャ語 のτρίτος (trítos) 「第3」に由来）または水素3（記号Tまたは3 H ）は、半減期が約12.3年の希少な放射性 水素同位体です。トリチウム原子核（t、トリトンと呼ばれることもある）には陽子1個と中性子2個が含まれますが、一般的な同位体である水素1（プロチウム）の原子核には陽子1個と中性子は含まれず、非放射性の水素2（重水素）の原子核には陽子1個と中性子1個が含まれます。トリチウムは、最も重い粒子結合水素同位体です。明確な名前を持つ数少ない核種の1つです。水素3という名前はより体系的ではありますが、あまり一般的ではありません。
地球上で自然に発生するトリチウムは極めて稀です。大気中には、そのガスと宇宙線の相互作用によって生成される微量しか存在しません。原子炉内でリチウムまたはリチウム含有セラミック小石を照射することで人工的に生成することができ、原子炉の通常の動作中に少量生成される副産物です。
トリチウムは、時計の放射性発光灯、銃器の夜間照準器、数多くの器具や道具、自己発光キーホルダーなどのノベルティアイテムのエネルギー源として使用されています。医療や科学の現場では放射性トレーサーとして使用されています。トリチウムは、トカマク炉や水素爆弾で、より豊富な重水素とともに核融合燃料としても使用されています。トリチウムは、ナノトリチウム電池などのベタボルタ型デバイスでも商業的に使用されています。
歴史
トリチウムは、1934年にアーネスト・ラザフォード、マーク・オリファント、ポール・ハートックによって、重水素に重陽子（重水素原子核）を衝突させた後に初めて検出されました。重水素は水素の別の同位体であり、天然に0.015％存在しています。 [2] [3]彼らの実験ではトリチウムを単離できませんでしたが、1939年にルイス・アルバレスとロバート・コルノグによって初めて単離に成功し、彼らもトリチウムの放射能に気づきました。[4] [5] ウィラード・リビーは1954年に、トリチウムが水とワインの放射年代測定に使用できることを認識しました。[6]
減衰
トリチウムの半減期は、アメリカ国立標準技術研究所によると4,500 ± 8日（12.32 ± 0.02年）[7]とされており、これは年間約5.5%の割合です。トリチウムは、次の原子核方程式に示すように、 ベータマイナス崩壊によってヘリウム3に崩壊します。
この過程で18.6 keVのエネルギーを放出する。電子の運動エネルギーは平均5.7 keVで変動し、残りのエネルギーはほぼ検出不可能な電子反ニュートリノによって持ち去られる。トリチウムからのベータ粒子は空気を約6.0ミリメートル（0.24インチ）しか透過できず、人間の皮膚の最も外側の死んだ層を通過することはできない。[8]他のベータ粒子に比べてエネルギーが低いため、生成される制動放射線の量も少なくなる。トリチウムのベータ崩壊で放出されるエネルギーが異常に低いため、この崩壊は（レニウム187の崩壊とともに）実験室でのニュートリノの絶対質量測定に有用である。
トリチウムの放射線のエネルギーが低いため、液体シンチレーション計測法以外ではトリチウム標識化合物を検出することは困難です。
生産
リチウム
トリチウムは、ほとんどの場合、原子炉内でリチウム6の中性子活性化によって生成される。リチウムの核分裂によって生成されたトリチウムとヘリウムの放出と拡散は、増殖セラミックスと呼ばれるセラミックス内で起こる。このような増殖セラミックスでのリチウム6からのトリチウム生成は、あらゆるエネルギーの中性子で可能であるが、入射中性子のエネルギーが低いほど断面積は大きくなり、熱中性子の場合は900バーン以上に達する。これは発熱反応であり、4.8 MeVを生じる。[9]比較すると、重水素とトリチウムの融合では約17.6 MeVが放出される。ITERなどの提案されている核融合エネルギー炉への応用では、 Li 2 TiO 3やLi 4 SiO 4などのリチウム含有セラミックスからなるペブルが、増殖ブランケットとしても知られるヘリウム冷却ペブルベッド内でのトリチウム増殖用に開発されている。[10]
高エネルギー中性子は、リチウム7から吸熱反応でトリチウムを生成することもできる。この反応では2.466MeVを消費する。これは、1954年のキャッスル・ブラボー核実験で予想外に高い出力が得られたことから発見された。[11]この実験以前は、7
3李
中性子を吸収して8
3李
、ベータ崩壊して8
4なれ
、それは2に減少する4
2彼
核爆発の持続時間よりもはるかに長い総時間枠で核分裂が起こります。
ボロン
高エネルギー中性子がホウ素10を照射すると、時折トリチウムも生成される。[12]
- 10
5B
+ 2 → 24
2彼
+3
1H
ホウ素10中性子捕獲のより一般的な結果は7Liと単一のアルファ粒子である。[13]
特に、中性子を部分的にのみ熱中性化する加圧水型原子炉では、比較的高速な中性子と化学シムとして添加されたホウ酸との相互作用により、少量ではあるが無視できない量のトリチウムが生成されます。
重水素
重水減速炉では、重水素原子核が中性子を捕獲するたびにトリチウムも生成されます。この反応は吸収断面積が小さいため、重水は中性子減速材として適しており、生成されるトリチウムは比較的少量です。それでも、トリチウムが環境に漏れるリスクを減らすために、数年後には減速材からトリチウムを除去することが望ましい場合があります。オンタリオ発電の「トリチウム除去施設」は、年間最大 2,500 トン (2,500 ロングトン、2,800 ショートトン) の重水を処理でき、約 2.5 kg (5.5 ポンド) のトリチウムを分離して、他の用途に使用できます。[14] CANDU原子炉は通常、年間130グラム（4.6オンス）のトリチウムを生産し、オンタリオ州にある3,512MWの電力を生産する ダーリントン原子力発電所に併設されたダーリントントリチウム回収施設（DTRF）で回収されます。1989年から2011年までのDTRFの総生産量は42.5キログラム（94ポンド）で、活動量は409メガキュリー（15,100PBq）でした。つまり、年間平均約2キログラム（4.4ポンド）です。[15]
重水素の熱中性子吸収断面積は約 0.52ミリバーンであるのに対し、酸素 16 ( 16 O) のそれは約 0.19 ミリバーン、酸素 17 ( 17 O) のそれは約 240 ミリバーンである。16 O は天然酸素と重水の両方で圧倒的に最も一般的な酸素同位体であるが、同位体分離の方法によっては、重水の方が17 O と18 Oがわずかに多く含まれる場合がある。中性子捕獲と (n, α ) 反応 (後者は17 Oから望ましくない長寿命ベータ放出体である14 C を生成する) の両方のため、これらは正味の「中性子消費体」であり、したがって燃料外での中性子吸収を可能な限り低く抑える必要がある天然ウラン原子炉の減速材には望ましくない。トリチウムを除去する施設の中には、少なくとも原理的には同位体標識に使用できる17 O と18 Oも除去（または少なくとも含有量を減らす）する施設もあります。
インドも加圧重水炉（当初はCANDU技術であったが、その後国産化されさらに発展したIPHWR技術）を多数保有しており、原子炉の減速材/冷却材で生成されるトリチウムの少なくとも一部を除去しているが、トリチウムの二重用途の性質とインドの核爆弾計画のため、これに関する情報はカナダよりも公開されていない。
核分裂
トリチウムは、ウラン235、プルトニウム239、ウラン233の核分裂で生成される珍しい生成物であり、10 4 回の核分裂につき約1個の原子が生成されます。[16] [17]トリチウム生成の主な経路には三元核分裂が含まれます。原子炉の運転、特に核燃料の再処理と使用済み核燃料の貯蔵では、トリチウムの放出または回収を考慮する必要があります。トリチウムの生成は目的ではなく、副作用です。一部の原子力発電所では、少量が大気中に放出されています。[18]揮発酸化は、水処理が始まる前に揮発性の核分裂生成物（すべての水素同位体など）を除去する、核再処理におけるオプションの追加ステップです。これにより、原理的には生成されたトリチウムの経済的回収が可能になりますが、トリチウムが廃棄されるだけで使用されなくても、使用される水のトリチウム汚染を減らす可能性があり、同位体分離以外では「通常の」水からトリチウム水を除去することができないため、排水時に放出される放射能を減らすことができます。
トリチウムの比放射能は 1 グラムあたり 9,650 キュリー (357 TBq/g) であるため、1 TBqは約 2.8 ミリグラム (0.043 gr) に相当します。
福島第一原子力発電所
2016年6月、トリチウム水タスクフォースは、保管中の汚染された冷却水の最終処分の選択肢を検討する一環として、福島第一原子力発電所のトリチウム水中のトリチウムの状況に関する報告書[21]を発表した。それによると、2016年3月時点での敷地内のトリチウム保有量は、 総貯蔵量86万m 3で760TBq（トリチウム2.1gまたは純トリチウム水14mLに相当）であったことが明らかになった。この報告書ではまた、貯蔵のために建屋等から抜き取った水のトリチウム濃度が減少していることも明らかにしており、検討対象の5年間（2011～2016年）で3.3MBq/Lから0.3MBq/L（トリチウムの年間5%の減衰を補正後）と10分の1に減少している。
この問題への最善の取り組みを検討している専門家委員会の報告書によると、「トリチウムは理論的には分離できるが、工業規模で実用的な分離技術はない。したがって、低トリチウム濃度水を処理するには、制御された環境放出が最善の方法と言われている」とのことである。[22]日本政府が後援する広報キャンペーンの後、トリチウム水の海への段階的な放出は2023年8月24日に始まり、2024年3月までの4回の放出の最初のものとなる。 [23]全体のプロセスは完了するまでに「数十年」かかる。[24]中国は抗議した。[25] [26] IAEAはこの計画を承認した。放出される水は、トリチウム濃度をWHOが飲料水に推奨する制限値をはるかに下回る1500 Bq/L未満に下げるために希釈される。[27]
ヘリウム3
トリチウムの崩壊生成物である ヘリウム3は、熱中性子と反応して陽子を放出する断面積が非常に大きい（5330バーン）ため、原子炉内で急速にトリチウムに戻ります。[28]
- 3
2彼
+ ん →1
1H
+3
1H
宇宙線
トリチウムは宇宙線が大気中のガスと相互作用することで自然に発生します。自然生成における最も重要な反応は、高速中性子（ 4.0MeV以上のエネルギーを持つ必要がある [29] ）が大気中の窒素と相互作用することです。
世界中で、天然資源からのトリチウム生産量は年間148ペタベクレルです。天然資源によって生成されるトリチウムの世界的平衡在庫は2,590ペタベクレルでほぼ一定です。これは生産率が一定で、損失が在庫に比例するためです。[30]
生産履歴
アメリカ合衆国
アメリカの核兵器用のトリチウムは、1988年に閉鎖されるまでサバンナリバーサイトの特殊重水炉で生産されていました。冷戦終結後の戦略兵器削減条約（START）により、既存の供給量はしばらくの間、新しい少数の核兵器には十分でした。
1955年から1996年にかけて、米国では225kg（496ポンド）のトリチウムが生産されました。[a]トリチウムは継続的にヘリウム3に崩壊するため、報告書の時点で残っている総量は約75kg（165ポンド）であり、[31] [11] 2023年時点では約16kg（35ポンド）です。[32]
2003年から2005年にかけて商業用ワッツバー原子力発電所の原子炉でリチウムを含む制御棒（通常のホウ素、カドミウム、ハフニウムを含む制御棒に代えて）を照射することでトリチウム生産が再開され、続いて2006年11月からサバンナリバーサイトのトリチウム抽出施設で制御棒からトリチウムが抽出された。[33] [34]原子炉運転中の制御棒からのトリチウム漏れにより、冷却材中のトリチウムの最大許容レベルを超えずに原子炉で使用できる数が制限される。[35]
プロパティ
トリチウムの原子量は3.016 049 28 Da。二原子トリチウム（T 2または3 H 2 ）は、標準温度および圧力では気体です。酸素と結合すると、トリチウム水（3 H 2 O）を形成します。
地球上の天然の水素と比較すると、トリチウムは融点（ 20.62 K対13.99 K）、沸点（25.04 K対20.27 K）、臨界温度（40.59 K対32.94 K）、臨界圧力（1.8317 MPa対1.2858 MPa）が高い。[36]
トリチウムの比放射能は1グラムあたり9,650キュリー（3.57 × 1014Bq / g）である。[37]
三重水素は、その良好な反応断面積と、重水素との反応によって生成される大量のエネルギー (17.6 MeV) により、核融合の研究で重要な役割を果たしています。
- 3
1H
+2
1H
→4
2彼
+いいえ
すべての原子核には、唯一の荷電粒子として陽子が含まれています。そのため、同種の電荷は反発するため、原子核は互いに反発します (クーロンの法則)。ただし、原子が十分に高い温度と圧力 (たとえば、太陽の中心核) にある場合、原子のランダムな動きによってそのような反発が克服され、強い核力が作用するのに十分な距離まで原子核が接近して、より重い原子に融合することができます。
1 つの陽子と 2 つの中性子を含むトリチウム原子核 (トリトン) は、あらゆる水素原子核と同じ電荷を持ち、他の原子核に近づくと、同じ静電反発力を受けます。ただし、トリトン内の中性子は、他の原子核に十分近づくと、強い核引力を増加させます。その結果、トリチウムは、通常の水素よりも簡単に他の軽い原子核と融合することができます。
重水素についても、程度は低いものの、同じことが当てはまります。これが、褐色矮星(「失敗した」恒星) が通常の水素を融合できないのに、少数の重水素原子核を融合できる理由です。
水素の他の同位体と同様に、トリチウムを閉じ込めることは困難です。ゴム、プラスチック、および一部の種類の鋼はすべて、ある程度透過性があります。このため、トリチウムが大量に使用された場合、特に核融合炉に使用された場合は、半減期が短いため、大気中に長期間蓄積されることは防止されるはずですが、放射能汚染の一因となる可能性があるという懸念が生じています。
部分的核実験禁止条約の制定前に行われた高レベルの大気圏内核兵器実験は、海洋学者にとって予想外に有益であることが証明されました。海洋の上層に導入された高レベルのトリチウム酸化物は、それ以来、海洋の上層と下層の混合率を測定するために使用されてきました。
健康リスク
トリチウムは低エネルギーベータ（β）線放出体であるため、体外的には危険ではない（β粒子は皮膚を透過できない）[30]が、吸入したり、食物や水を介して摂取したり、皮膚から吸収したりすると放射線の危険となる可能性がある。[38] [39] [40] [41] [42]
生物はH 3 HOをH 2 Oと同様に取り込むことができる。 [43]植物はH 3 HOを有機結合トリチウム（OBT）に変換し、動物が消費する。H 3 HOは人間の体内に約12日間保持され、その一部は体内に残る。[44]トリチウムは、ある生物が別の生物を食べることで食物連鎖を通じて受け継がれるが、OBTの代謝はH 3 HOの代謝ほど解明されていない。[44]トリチウムは生物内のRNA分子やDNA分子に組み込まれ、体細胞や遺伝子に影響を与える可能性がある。これらは後の世代に現れる可能性がある。[45]
H 3 H 3 H 3 Oの人体における生物学的半減期は7～14日と短いため、一度の摂取による全体的な影響が軽減されるとともに、環境からのH 3 H 3 Oの長期的な生体蓄積が防止されます。 [40] [46]人体におけるトリチウム水の生物学的半減期は、体内の水分代謝の尺度であり、季節によって異なります。インドのカルナタカ州沿岸地域で職業放射線作業員の自由水中トリチウムの生物学的半減期を調べたところ、冬の生物学的半減期は夏の2倍であることが示されました。[46]トリチウムへの曝露が疑われる場合や曝露が判明している場合は、汚染されていない水を飲むことで、体内のトリチウムを補充することができます。発汗、排尿、呼吸を増やすことで、体が水を排出し、それに含まれるトリチウムを排出するのに役立ちます。しかし、脱水症状や体内の電解質の枯渇が起こらないように注意する必要があります。これらの症状（特に短期的）による健康への影響は、トリチウムへの曝露による健康への影響よりも深刻になる可能性があるからです。
環境汚染
米国の65か所の原子力施設のうち48か所からトリチウムが漏洩している。あるケースでは、漏洩した水に1リットルあたり7.5マイクロキュリー（280 kBq）のトリチウムが含まれていたが、これはEPAの現在の飲料水制限値の375倍、世界保健機関の推奨制限値の28倍に当たる。[47]これは0.777ナノグラム/リットル（5.45 × 10 −8 gr/imp gal）または約0.8パーツパー兆に相当します。
米国原子力規制委員会は、2003 年の通常運転では、56 基の加圧水型原子炉が40,600 キュリー (1,500,000 GBq) のトリチウム (最大: 2,080 Ci (77,000 GBq)、最小: 0.1 Ci (3.7 GBq)、平均: 725 Ci ( 26,800 GBq)) および 24沸騰原子炉は液体流出物中に 665 Ci (24.6 TBq) (最大: 174 Ci (6,400 GBq)、最小: 0 Ci、平均: 27.7 Ci (1,020 GBq)) を放出しました。[48] 40,600 Ci (1,500,000 GBq) のトリチウムの重さは約 4.207 グラム (0.1484 オンス) です。
米国環境保護庁によると、自治体の埋立地に不適切に廃棄された自発光式の出口標識が水路を汚染していることが判明している。[49]
規制限度
飲料水中のトリチウムの法的制限は国によって大きく異なります。以下にいくつかの数値を示します。
アメリカの制限は、 EPA規制40CFR141に基づき、年間4.0ミリレム（SI単位では40マイクロシーベルト）の線量となり、1963年頃の国立標準局ハンドブック69の時代遅れの線量計算基準に基づいています。年間4ミリレムは、自然背景放射線（約3mSv）の約1.3％です。比較すると、バナナ等価線量（BED）は0.1μSvに設定されているため、米国の法定制限は400BEDに設定されています。国際放射線防護委員会報告書30に基づき、NRC規制10CFR20で使用されている最新の線量計算基準では、740Bq/L（20nCi/L）で年間0.9ミリレム（9μSv）の線量となります。[40]
使用
生物学と医学における放射分析
薬物候補のトリチウム化により、その吸収と代謝の詳細な分析が可能になります。[54]トリチウムは、放射性炭素年代測定に似たプロセスで、生物学的放射分析にも使用されています。例えば、[ 3H ]レチニルアセテートはラットの体内で追跡されました。[55]
自家発電照明
少量のトリチウムからのベータ粒子は、蛍光体と呼ばれる化学物質を発光させます。この放射発光は、ベータライトと呼ばれる自己発電照明装置に使用され、銃の照準器、腕時計、出口標識、地図灯、航海用コンパス（現在使用されているM-1950米軍用コンパスなど）、ナイフ、その他さまざまな装置の夜間照明に使用されています。[d] 2000年現在[update]、トリチウムの商業需要は年間400グラム（0.88ポンド）[11]で、コストはグラムあたり3万ドル（1オンスあたり85万ドル）[56]以上です。[57]
核兵器
トリチウムは核兵器の重要な構成要素であり、 「ブースティング」と呼ばれるプロセスで核分裂爆弾の効率と出力、および水素爆弾の核分裂段階を高めるために使用されるほか、そのような兵器の外部中性子起爆装置にも使用されます。
中性子イニシエーター
これらは核兵器に組み込まれた装置で、爆薬によって臨界質量まで圧縮された後、爆弾が爆発して核分裂性コア（ピット）内で核分裂反応を開始する際に中性子パルスを発生させる。クライトロンのような超高速スイッチによって作動する小型粒子加速器は、三重水素と重水素のイオンを、重水素-三重水素融合に必要な約 15 keV以上のエネルギーまで加速し、金属ターゲットに導き、そこで三重水素と重水素は水素化物として吸着される。結果として生じる融合によって生じる高エネルギーの核融合中性子は、あらゆる方向に放射される。これらの一部はプライマリーのピット内のプルトニウムまたはウランの原子核に衝突し、核連鎖反応を開始する。生成される中性子の量は絶対数として大きいため、ピット内の原子核の総数と比較するとまだ小さいものの、通常は連鎖反応を何世代も繰り返す必要がある中性子レベルにピットはすぐに到達できます。
ブースト
爆発前に、数グラムの三重水素ガスが核分裂性物質の空洞「ピット」に注入されます。核分裂連鎖反応の初期段階では、重水素と三重水素の融合を開始するのに十分な熱と圧縮が供給されます。その後、核分裂と核融合の両方が並行して進行します。核分裂は加熱と圧縮を継続することで核融合を補助し、核融合は高エネルギー (14.1 MeV ) の中性子で核分裂を補助します。核分裂燃料が枯渇し、外側に爆発すると、核分裂燃料自体が臨界状態を維持するのに必要な密度を下回りますが、核融合中性子によって核分裂プロセスが加速され、ブーストなしの場合よりも長く継続します。収量の増加は、圧倒的に核分裂の増加によるものです。核融合燃料の量が大幅に少ないため、核融合自体のエネルギーは大幅に小さくなります。ブーストの効果には次のものがあります。
- 増加した収量（非ブーストと比べて、同じ量の核分裂燃料の場合）
- 核融合燃料の量を変えることで収量を可変にできる可能性
- 非常に高価な核分裂性物質の使用量を削減できる
- 近くの核爆発による早期爆発のリスクを排除する
- 爆縮装置に関する要件がそれほど厳しくないため、より少量で軽い高性能爆薬を使用することができる。
弾頭内のトリチウムは継続的に放射性崩壊を起こし、核融合に利用できなくなります。また、その崩壊生成物であるヘリウム3は中性子を吸収します。ヘリウム3が蓄積しすぎると、多くの自由中性子を生成するというトリチウムの本来の効果が相殺されたり逆転したりする可能性があります。したがって、ブースト爆弾には定期的に新しいトリチウムが必要です。必要な量は弾頭1個あたり4グラム（0.14オンス）と推定されています。[11]トリチウムのレベルを一定に保つには、弾頭1個あたり年間約0.20グラム（0.0071オンス）を爆弾に供給する必要があります。
1モルの重水素-三重水素ガスには、約 3.0 グラム (0.11 オンス) の三重水素と 2.0 グラム (0.071 オンス) の重水素が含まれています。比較すると、核爆弾に含まれる 20 モルのプルトニウムは、約 4.5 キログラム (9.9 ポンド) のプルトニウム 239で構成されています。
水素爆弾の二次燃料中のトリチウム
トリチウムは放射性崩壊を起こし、物理的に閉じ込めることも難しいため、真の水素爆弾に必要な大量の重水素同位体の二次電荷には、重水素とトリチウムの供給源として固体の重水素化リチウムが使用され、二次点火時に その場でトリチウムが生成されます。
熱核兵器 (テラー・ウラム段階) における主要な核分裂爆弾段階の爆発中、核融合段階の中心にある235 U/ 239 Puの円筒であるスパークプラグは、主要な部分から導かれた余剰中性子から連鎖反応で核分裂を開始します。スパークプラグの核分裂から放出された中性子は、リチウム 6 をトリチウムとヘリウム 4 に分裂させ、リチウム 7 はヘリウム 4、トリチウム、および 1 つの中性子に分裂します。これらの反応が発生すると、核融合段階は主要な部分からの光子と、核融合段階を囲む238 U または238 U/ 235 U ジャケットの核分裂によって圧縮されます。そのため、核融合段階は、装置が爆発すると独自のトリチウムを生成します。爆発の極度の熱と圧力により、一部のトリチウムは重水素と融合し、その反応でさらに多くの中性子が放出されます。
この核融合プロセスは、点火に極めて高い温度を必要とし、生成される中性子の数は少なくなり、エネルギーも低くなるため（核分裂、重水素-三重水素核融合、7
3李
分裂は純粋な中性子生成源であるため、重水素化リチウムはブースト爆弾ではなく、多段式水素爆弾に使用されます。
制御された核融合
トリチウムは、磁気閉じ込め型と慣性閉じ込め型の両方の核融合炉設計において、制御された核融合のための重要な燃料である。国立点火施設（NIF）は重水素-トリチウム燃料を使用しており、実験用核融合炉ITERでも同様に使用される。重水素-トリチウム反応は、最大の核融合断面積（約5.0 バーン）を持ち、あらゆる潜在的な核融合燃料の中で最も低いエネルギー（約65 keV重心）でこの最大断面積に達するため、好ましい反応である。トリチウムは地球上で非常に希少であるため、核融合炉の概念にはトリチウムの増殖が含まれることが多い。想定される増殖核融合炉の運転中、増殖ブランケット（多くの場合、セラミックペブルの一部としてリチウムを含む）は中性子束にさらされ、トリチウムを生成して燃料サイクルを完了する。[58]
トリチウムシステム テスト アセンブリ(TSTA) は、ロスアラモス国立研究所の施設であり、核融合関連の重水素 - トリチウム処理に必要な技術の開発と実証を目的としていました。
電源
トリチウムは、ベタボルタ装置で使用して、電気を生成するための原子電池を作成することができます。
海洋のトランジェントトレーサーとしての使用
クロロフルオロカーボンとは別に、トリチウムは一時的なトレーサーとして作用し、分布が変化しているため、世界中の海洋における生物学的、化学的、物理的な経路を「概説」することができます。[59]そのため、トリチウムは海洋の循環と換気を調べるためのツールとして使用されており、このような目的では通常、トリチウム単位で測定されます。1 TUは、10 18 個の水素原子あたり1個のトリチウム原子と定義され、[59]約0.118 Bq/リットルに相当します。[60] [61] [62]前述のように、1950年代後半から1960年代前半にかけて主に北半球の高緯度で行われた核実験により、大量のトリチウムが大気、特に成層圏に放出されました。これらの核実験前、地球の表面には約3〜4 kgのトリチウムしかありませんでしたが、実験後の期間にこれらの量は2〜3桁増加しました。[59]いくつかの情報源によると、1963年と1964年には自然背景レベルが約1,000 TU超過し、北半球では同位体が地下水の年齢を推定し、水文地質学的シミュレーションモデルを構築するために使用されています。[63]核兵器実験の最盛期には大気レベルが1,000 TUに近づき、降下物放出前の雨水レベルは5～10 TUの間であると推定されています。[64] 1963年、アイルランドのヴァレンティア島では降水量が2,000 TUを記録しました。[65]
北大西洋
成層圏（試験後期間）では、トリチウムは水分子と反応して酸化され、急速に生成された降雨の多くに存在していたため、トリチウムは北大西洋の水循環の進化と構造、および水塊の換気と形成を研究するための予測ツールとなりました。 [59]
北大西洋の深海における補充率と転覆率を定量化するために、海洋における一時トレーサー（TTO）プログラムから得られた爆弾トリチウムデータが使用されました。[66]
爆弾のトリチウムは南極周辺の深海にも入り込んでいます。[67]大気中の爆弾のトリチウム水（H 3 H O）のほとんどは、以下のプロセスを経て海洋に流入します。
- 降水量
- 蒸気交換
- 川の流出
これらのプロセスにより、H 3 HOは数十年までの時間スケールでの優れたトレーサーになります。[66]
1981年のこれらのプロセスからのデータを使用すると、1TU等値面は亜熱帯地域で500〜1,000メートルの深さにあり、大西洋上部の再循環と換気によりメキシコ湾流の南1,500〜2,000メートルまで広がっています。 [59]北に向かって等値面は深くなり、 10〜20年の時間スケールでの海底の換気に直接関係する深海平原の底に達します。 [59]
大西洋では、1960年代後半から1980年代後半にかけてのバミューダ近海のトリチウム分布も明らかである。トリチウムの最大値は、表面（1960年代）から400メートル（1980年代）まで下方に伝播しており、これは年間約18メートルの深化率に相当する。 [59]また、1970年代後半には水深1,500メートルで、1980年代半ばには水深2,500メートルでトリチウムが増加しており、どちらも深海での冷却現象とそれに伴う深海換気に対応している。[59]
1991 年の研究から、トリチウム プロファイルは、新たに形成された北大西洋深層水(NADW) の混合と拡散を研究するためのツールとして使用されました。これは、トリチウムが 4 TU に増加したことに対応しています。[66]この NADW は、ノルウェー海と北大西洋を隔てるシルを越えて溢れ出し、深層境界流で西と赤道方向に流れる傾向があります。このプロセスは、1981 年から 1983 年にかけての北大西洋深層における大規模なトリチウム分布によって説明されました。[66]亜極環流は NADW によって新鮮化 (換気) される傾向があり、高いトリチウム値 (> 1.5 TU) に直接関係しています。また、ラブラドル海から熱帯地方にかけて深層西部境界流のトリチウムが 10 分の 1 に減少したことも明らかであり、これは乱流混合と再循環による海洋内部への損失を示しています。[66]
太平洋とインド洋
1998年の研究では、スールー海、フリーマントル湾、ベンガル湾、ペナン湾、マラッカ海峡で海面水と大気中の水蒸気（海面から10メートル上）のトリチウム濃度が採取された。[ 68]結果によると、海面水のトリチウム濃度はフリーマントル湾（約0.40 Bq/リットル）で最も高く、沿岸水域に大量に存在するため、近くの陸地からの淡水流出が混ざったためと考えられる。[68]典型的には、南緯35度から45度の間、および赤道付近で低濃度が見られた。また、結果によると、インド洋での爆弾トリチウムの物理的崩壊により、トリチウムは（一般的に）長年にわたり（1997年まで）減少していることも示された。水蒸気については、トリチウム濃度は表面海水濃度（0.46～1.15 Bq/L）よりも約1桁高かった。[68]したがって、水蒸気トリチウムは表面海水濃度の影響を受けず、蒸気中のトリチウム濃度が高いのは、天然トリチウムが成層圏から対流圏へ下降した直接的な結果であると結論付けられた（したがって、海洋大気は緯度の変化に依存していた）。[68]
北太平洋では、トリチウム（北半球では爆弾トリチウムとして導入された）が3次元的に広がっていた。中緯度と低緯度地域では海面下の最大値が見られ、これは上層海洋における一定ポテンシャル密度の線（等密度線）に沿った横方向の混合（移流）と拡散のプロセスを示している。 [69]これらの最大値のいくつかは、塩分の極値ともよく相関している。[69]海洋循環の構造を得るために、トリチウム濃度を一定ポテンシャル密度の3つの表面（23.90、26.02、および26.81）上にマッピングした。[69]結果によると、亜北極低気圧性環流の26.81等密度面ではトリチウムがよく混合されており（6～7 TU）、この環流と南の高気圧性環流との間では（より浅い等密度面に比べて）トリチウムの交換が遅いようでした。また、23.90と26.02の表面では、北太平洋の中央環流と赤道域との間でトリチウムの交換が遅いようでした。[69]
爆弾のトリチウムの浸透深度は、3 つの異なる層に分けられます。
- レイヤー1
- 層1は最も浅い層で、冬季には最も深く、換気される層を含みます。放射性降下物によってトリチウムを受け取り、移流や垂直拡散によっていくらかを失い、トリチウムの総量の約28％を含んでいます。[69]
- レイヤー2
- 第2層は第1層より下だが等密度線26.81より上にあり、もはや混合層の一部ではない。その2つの発生源は混合層からの下方への拡散と、地層（極方向）の横方向の露出である。トリチウム総量の約58%を含んでいる。[69]
- レイヤー3
- 層3は露頭等密度層より深い水域の代表であり、垂直拡散によってのみトリチウムを吸収することができ、残りの14%のトリチウムを含んでいます。[69]
ミシシッピ川水系
冷戦時代の核実験による放射性降下物は、ミシシッピ川水系を通じて米国に降り注いだ。トリチウム濃度は、湖、小川、川などの表層水を含む大陸水文システム（通常の海洋水文システムとは対照的）の滞留時間を理解するために使用できる。 [70]これらのシステムを研究することで、社会や自治体に農業目的や全体的な川の水質に関する情報を提供することもできる。
2004年の研究では、ミシシッピ川流域全体のトリチウム濃度の調査（1960年代から）の際に、オハイオ川（ミシシッピ川への最大の流入）、ミズーリ川、アーカンソー川など、いくつかの川が考慮されました。[70]これらの川のサンプルを採取したすべての場所で、トリチウム濃度が最大になったのは1963年で、1962年の核爆弾実験による降水量のピーク濃度とよく相関しています。全体的な最高濃度はミズーリ川（1963年）で1,200 TUを超え、最低濃度はアーカンソー川で見られました（1980年代半ばには850 TUを超えることはなく、10 TU未満でした）。[70]
河川からのトリチウムデータを使用すると、直接流出と地下水貯留層からの水の流出など、いくつかのプロセスを特定できます。 [70]これらのプロセスを使用すると、一時的なトリチウムトレーサーに対する河川流域の反応をモデル化できます。最も一般的なモデルは次の2つです。
- ピストンフローアプローチ
- トリチウム信号がすぐに現れ、
- よく混合された貯留層アプローチ
- 流出濃度は流域水の滞留時間に依存する[70]
オハイオ川の場合、トリチウムデータによると、流量の約 40% は (オハイオ川流域で) 滞留時間が 1 年未満の降水で構成され、古い水は滞留時間が約 10 年であることが示されています。[70]したがって、短い滞留時間 (1 年未満) は、2 要素混合モデルの「即流」コンポーネントに対応しています。ミズーリ川に関しては、結果は、滞留時間が約 4 年で、即流コンポーネントが約 10% であることを示しました (これらの結果は、ミズーリ川周辺の一連のダムによるものです)。[70]
ミシシッピ川本流からメキシコ湾に流入するトリチウムの質量流量に関しては、データによれば1961年から1997年の間に約780グラムのトリチウムがミシシッピ川からメキシコ湾に流出しており、[70]平均すると年間21.7グラム、7.7PBq/年となる。ミシシッピ川を流れる現在の流量は年間1～2グラムであるが、原爆投下前の流量は年間約0.4グラムであった。[70]
参照
脚注
- ^ 1955年以来の米国のトリチウム生産量は約225キログラムで、そのうち約150キログラムがヘリウム3に崩壊し、現在約75キログラムのトリチウムが残っていると推定されている。— Zerriffi & Scoville (1996) [31]
- ^ ICRP報告書30の計算に基づく:1.8 × 10 −11 シーベルト/ベクレル、730 L/年、1 × 10 6 μSv/Sv ; [51]より引用
- ^ この数値は、オーストラリア飲料水ガイドライン6の飲料水中のすべての放射線源からの年間1mSvというガイドライン線量から導き出されたもので、水中に存在する放射性核種はトリチウムのみであると仮定している。[52]
- ^ この用途では、ラジウムを含む放射性発光塗料の代わりにトリチウムが使用されています。ラジウムにさらされると骨がんを引き起こすため、ほとんどの国では数十年にわたってその日常的な使用が禁止されています。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズにはトリチウムに関連するメディアがあります。
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