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トリチウム（古代ギリシャ語のτρίτος （trítos）「3番目」に由来）または水素-3（記号Tまたは3H ）は、半減期が12.32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ります）は陽子1個と中性子2個を含み、一般的な同位体である水素-1（プロチウム）の原子核は陽子1個と中性子なし、非放射性水素-2（重水素）の原子核は陽子1個と中性子1個を含みます。トリチウムは、粒子結合型水素同位体の中で最も重いものです。これは、固有の名前を持つ数少ない核種の1つです。水素-3という名前の使用は、より体系的ではありますが、はるかに一般的ではありません。
地球上では、天然に存在するトリチウムは極めて稀である。大気中にはごく微量しか存在せず、これは大気中のガスと宇宙線との相互作用によって生成される。トリチウムは、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によって人工的に生成することができ、また、原子炉の通常運転における副産物としても少量ながら存在する。
トリチウムは、腕時計の発光ライト、銃器の暗視装置、数多くの計測機器や工具、そして自己発光キーホルダーなどのノベルティグッズのエネルギー源として使用されています。また、医療や科学分野では放射性トレーサーとして用いられています。さらに、トリチウムは、より豊富に存在する重水素とともに、トカマク型原子炉の核融合燃料として使用され、水素爆弾の重要な構成要素でもあります。トリチウムは、ナノトリチウム電池などのベータボルタ電池にも商業的に利用されています。
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・ハーテックによって、重水素に重水素イオン（重水素原子核）を照射し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（質量数 2）で、自然界に 0.015% の割合で存在します。 [ 4 ] [ 5 ]彼らの実験ではトリチウムを分離することはできませんでしたが、これは 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達成され、彼らはトリチウムの放射能も認識しました。[ 6 ] [ 7 ]ウィラード・リビーは1954 年に、トリチウムが水や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。[ 8 ]
トリチウムは、この核反応式に示すように、ベータマイナス崩壊によってヘリウム3に崩壊する。
この過程で18.6 keVのエネルギーが放出される。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検出不可能な電子反ニュートリノによって運ばれる。トリチウムからのベータ粒子は空気を約6 mm (0.24インチ)しか透過できず、人間の皮膚の死んだ最外層を通過することはできない。[ 9 ]他のベータ粒子と比較してエネルギーが低いため、発生する制動放射の量も少ない。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 (レニウム 187の崩壊とともに) は絶対ニュートリノ質量測定の試みに役立つが、これまでのところ成功していない。
トリチウムの放射線エネルギーが低いため、液体シンチレーション計数法を用いない限り、トリチウム標識化合物を検出することは困難である。
トリチウムは、原子炉ではリチウム6の中性子活性化によって最も一般的に生成されます。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、ブリーダーセラミックスと呼ばれるセラミックス内で起こり得ます。このようなブリーダーセラミックス内でのリチウム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すが、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、熱中性子では900バーンを超えます。これは発熱反応であり、4.8 MeVのエネルギーを放出します。[ 10 ]比較すると、重水素とトリチウムの融合では約17.6 MeVのエネルギーが放出されます。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、Li2TiO3やLi4SiO4などのリチウム含有セラミックスからなるペブルが、ブリーダー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のために開発されています。[ 11 ]
高エネルギー中性子は、2.466 MeV を消費する吸熱反応でリチウム 7からトリチウムを生成することもできます。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収量が得られたときに発見されました。[ 12 ]この実験以前は、7 3 Li が中性子を吸収して8 3 Liになり、それがベータ崩壊して8 4 Beになり、それが爆発の継続時間よりもはるかに長い合計時間で2 つの4 2 He原子核に崩壊すると誤って想定されていました。
この反応で減速された中性子は、最初の発熱反応で6 3 Liと反応する可能性があり、そのためリチウムは吸収される中性子よりも多くのトリチウム原子を生成する可能性があります。
高エネルギー中性子がホウ素10に照射されると、時折トリチウムも生成される。[ 13 ]
ホウ素10の中性子捕獲のより一般的な結果は、7Liと1つのアルファ粒子である。[ 14 ]
特に、中性子を部分的にしか熱化しない加圧水型原子炉では、比較的速い中性子と化学的緩衝材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る。
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が生成されます。この反応は吸収断面積が小さいため、重水は優れた中性子減速材となり、生成されるトリチウムの量は比較的少なくなります。それでも、数年後には減速材からトリチウムを除去して、環境への漏出リスクを低減することが望ましい場合があります。オンタリオ・パワー・ジェネレーションの「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）の重水を処理する能力があり、約2.5kg （5.5ポンド）のトリチウムを分離して、他の用途に利用できるようにしています。[ 15 ] CANDU 原子炉は通常、年間130 グラム (4.6オンス)のトリチウムを生成し、これはオンタリオ州にある 3,512 MW のダーリントン原子力発電所に付属するダーリントン 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 での総生産量は42.5 キログラム (94ポンド)で、放射能は409 メガキュリー (15,100 PBq)でした。これは年間平均約2 キログラム (4.4ポンド)に相当します。 [ 16 ]
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 ) は約 0.19 ミリバーン、酸素 17 ( 17 O ) は約 240 ミリバーンです。16 O は天然酸素と重水の両方で最も一般的な酸素同位体ですが、同位体分離の方法によっては、重水は17 O と18 Oがわずかに多く含まれる場合があります。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線放出体である14 Cを生成します) の両方により、これらは正味の「中性子消費体」であり、燃料外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としては望ましくありません。トリチウムを除去する施設の中には、 17Oと18Oも除去（または少なくとも含有量を減らす）するものがあり、これらは少なくとも原理的には同位体標識に使用できる。
インドもまた、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性やインドの核兵器開発計画のため、この点に関する情報はカナダほど一般に公開されていない。
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（三元核分裂）のまれな生成物であり、約10⁴回の核分裂につき1原子が生成されます[ 17 ] [ 18 ]。つまり、実際にはすべての原子炉で生成されます。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、副産物です。一部の原子力発電所では、少量が大気中に放出されます[ 19 ] 。揮発酸化は、水プロセスを開始する前に揮発性の核分裂生成物（水素のすべての同位体など）を除去する、核再処理のオプションの追加ステップです。これは原理的には生成されたトリチウムの経済的な回収を可能にするが、トリチウムが廃棄されるだけで利用されない場合でも、使用される水中のトリチウム汚染を低減し、排水時に放出される放射能を低減する可能性がある。なぜなら、トリチウムを含む水は同位体分離以外では「通常の」水から除去できないからである。
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 mgに相当する。
2016年6月、トリチウム水タスクフォースは、貯蔵されている汚染冷却水の最終処分オプション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態に関する報告書[ 22 ]を公表した。この報告書では、2016年3月時点で、貯蔵水総量86万m³中に、敷地内に760TBq （トリチウム2.1gまたは純粋なトリチウム水14mLに相当）のトリチウムが貯蔵されていることが明らかになった。また、この報告書では、貯蔵のために建屋などから抽出された水中のトリチウム濃度が低下していることも明らかにし、検討対象期間である5年間（2011～2016年）で、3.3MBq /Lから0.3MBq /Lへと10分の1に減少した（トリチウムの年間5%の崩壊率を補正後）。
この問題への最善の対処法を検討している専門家パネルの報告書によると、「トリチウムは理論的には分離できるが、工業規模での実用的な分離技術はない。したがって、低トリチウム濃度の水を処理する最善の方法は、環境への制御された放出であると言われている。」[ 23 ]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った。[ 24 ]全プロセスが完了するまでには「数十年」かかる。[ 25 ]中国は抗議で反応した。[ 26 ] [ 27 ] IAEAはこの計画を承認した。放出された水は、トリチウム濃度を1500 Bq/L未満に下げるために希釈され、WHOが飲料水に推奨する限度をはるかに下回る。[ 28 ]
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、原子炉内では急速にトリチウムに変換される。[ 29 ]
これにより、トリチウムが崩壊する際にリサイクルすることが可能になり、必要な在庫量を維持できる可能性がある。
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によって自然に発生します。自然発生において最も重要な反応は、高速中性子（4.0 MeV [ 30 ]を超えるエネルギーを持つ必要がある）が大気中の窒素と相互作用することです。
世界全体では、天然源からのトリチウムの生成量は 年間約4メガキュリー（148 PBq）です。天然源によって生成されるトリチウムの地球規模の平衡在庫は、 一定の生成率と核崩壊のバランスにより、約70メガキュリー（2,590 PBq）でほぼ一定に保たれています。[ 31 ]これらはそれぞれ415 gと7,250 gとみなすことができます。
アメリカの核兵器に使用されるトリチウムは、1988年に閉鎖されるまで、サバンナ・リバー・サイトの特殊な重水炉で生産されていた。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、新たに開発された少数の核兵器をしばらくの間賄うのに十分であった。
1955年から1996年にかけて、米国では225 kg (496 lb)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、報告書作成時点での残存総量は約75 kg (165 lb)であり、 [ 32 ] [ 12 ] 2023年時点では 約16 kg (35 lb)でした。 [ 33 ]
トリチウムの製造は、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棒（通常のホウ素、カドミウム、またはハフニウムを含む制御棒の代替）を照射することによって再開され、その後、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棒からトリチウムが抽出された。 [ 34 ] [ 35 ]原子炉運転中の棒からのトリチウム漏洩により、冷却材中の最大許容トリチウム濃度を超えずにどの原子炉でも使用できる棒の数が制限される。[ 36 ]
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 ）は標準温度と圧力では気体です。酸素と結合すると、トリチウム水（3 H 2 O）を形成します。
地球上で自然に存在する水素と比較すると、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）がより高い。[ 37 ]
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 × 10 14 Bq /g）である。[ 38 ]
トリチウムは、その好ましい反応断面積と、重水素との反応によって生成されるエネルギー量が大きいこと（17.6 MeV）から、核融合の研究において重要な位置を占めている。
すべての原子核は陽子に由来する正の電荷を持ち、同種の電荷は反発し合う（クーロンの法則）ため、互いに反発し合います。しかし、原子が十分に高い温度と圧力（例えば、太陽の中心部）にさらされると、原子のランダムな運動によって反発力が打ち消され、強い核力が働くほど接近し、より重い原子へと融合することがあります。
陽子1個と中性子2個からなるトリチウム原子核（トリトン）は、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。しかし、トリトン内の中性子は、他の原子核に十分近づくと、強い核力による引力を増大させます。その結果、トリチウムは通常の水素よりも容易に他の軽い原子と核融合を起こすことができます。
重水素についても、程度は低いものの同様のことが言える。これが、褐色矮星（「失敗した」星）が通常の水素核融合を起こせない一方で、ごく少数の重水素原子核を核融合させる理由である。
水素の他の同位体と同様に、トリチウムは閉じ込めるのが難しい。ゴム、プラスチック、そして一部の種類の鋼鉄は、いずれも多少の透過性を持っている。このため、トリチウムが大量に、特に核融合炉で使用される場合、放射性汚染の原因となる可能性があるという懸念が生じている。ただし、トリチウムの半減期が短いため、大気中に長期的に大量に蓄積されることはないと考えられる。
部分的核実験禁止条約の発効以前に行われた高レベルの大気圏核実験は、海洋学者にとって思いがけず有用なものとなった。海洋表層に放出された高濃度のトリチウム酸化物は、それ以降、海洋表層と下層との混合速度を測定するために利用されてきた。
トリチウムは低エネルギーのベータ（β）放出体であるため、外部からは危険ではありません（β粒子は皮膚を透過できません）[ 31 ]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性があります。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
生物は、 H₂Oと同様に3 1 H HOを取り込むことができます。[ 44 ]植物は3 1 H HO を有機結合トリチウム (OBT) に変換し、動物に摂取されます。3 1 H HO はヒトの体内で約 12 日間保持され、その一部は OBT として体内に残ります。[ 45 ]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に沿って伝達されますが、OBT の代謝は3 1 H HOの代謝ほどよく理解されていません。[ 45 ]トリチウムは生物内のRNAおよびDNA分子に組み込まれ、体細胞および遺伝的影響につながる可能性があります。これらは後の世代に現れる可能性があります。[ 46 ]
3 1 H人体内での生物学的半減期短いため 、単回摂取による全体的な影響が軽減され、環境からの3 1 Hの生体内蓄積も防げます。 [ 41 ] [ 47 ]体内の水分代謝の指標であるトリチウム水の生物学的半減期は季節によって変化します。インドのカルナタカ州沿岸地域における職業放射線作業者の遊離水トリチウムの生物学的半減期に関する研究では、冬の生物学的半減期は夏の 2 倍であることが示されています。 [ 47 ]トリチウム被ばくが疑われる場合、または既知の場合は、汚染されていない水を飲むことで、体内のトリチウムを置き換えることができます。発汗、排尿、または呼吸を増やすことで、体から水分、ひいては体内に含まれるトリチウムを排出することができます。脱水症状や体内の電解質ないよう注意する必要がある。これらの症状による健康への影響（特に短期的には）は、トリチウム被ばくによる影響よりも深刻になる可能性があるからである。
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。ある事例では、漏洩した水には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おり、これは現在のEPAの飲料水基準値の375倍、世界保健機関の推奨基準値の28倍である。[ 48 ]これは1リットルあたり0.777ナノグラム（5.45 × 10 −8 gr/imp gal）または約0.8 pptに相当する。
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) )を放出したと述べています。 24 基の沸騰水型原子炉は、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。 [ 49 ] 40,600 Ci (1,500,000 GBq)のトリチウムは約4.207 グラム (0.1484オンス)です。
飲料水中のトリチウムの法定基準値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。
米国の制限は、EPA 規則 40CFR141 により年間4.0ミリレム( SI 単位で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 の古い線量計算基準に基づいています。年間 4 ミリレムは、平均的な自然背景放射線 (約 3 mSv) の約 1.3% です。国際放射線防護委員会レポート 30 に基づいて更新された線量計算基準は、NRC 規則 10CFR20 で使用されており、740 Bq/L (20 nCi/L)で年間0.9ミリレム (9 μSv)の線量となります。[ 41 ]
薬剤候補のトリチウム化により、吸収と代謝の詳細な分析が可能になる。[ 55 ]トリチウムは、放射性炭素年代測定に似たプロセスで、生物学的放射測定アッセイにも使用されている。たとえば、[ 3H ]酢酸レチニルがラットの体内で追跡された。[ 56 ]
微量のトリチウムから放出されるベータ粒子は、蛍光体と呼ばれる化学物質を発光させます。この放射線発光は、ベータライトと呼ばれる自発発光照明装置に利用されており、銃器の照準器、時計、非常口標識、地図灯、航海用コンパス（現在使用されているM-1950米軍コンパスなど）、ナイフ、その他さまざまな機器の夜間照明に使用されています。[ d ] 2000年現在トリチウムの商業需要は年間400グラム（0.88ポンド）[ 12 ]で、コストは1グラムあたり30,000ドル（1オンスあたり850,000ドル）[ 57 ]以上である[ 58 ] 。
トリチウムは核兵器の重要な構成要素であり、核分裂爆弾や水素爆弾の核分裂段階の効率と威力を高める「ブースト」と呼ばれるプロセスで使用されるほか、これらの兵器の外部中性子起爆装置にも使用される。
これらは核兵器に組み込まれた装置で、爆弾が爆発すると中性子パルスを発生させ、爆薬によって臨界質量まで圧縮された爆弾の核分裂性コア（ピット）内で核分裂反応を開始させます。クリ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、トリチウムと重水素のイオンを重水素-トリチウム核融合に必要な約15 keVを超えるエネルギーまで加速し、トリチウムと重水素が水素化物として吸着される金属ターゲットに送り込みます。結果として生じる核融合による高エネルギー核融合中性子はあらゆる方向に放射されます。これらの中性子の一部が一次ピット内のプルトニウムまたはウラン原子核に衝突し、核連鎖反応を開始します。生成される中性子の量は絶対数としては多く、ピット内では連鎖反応を何世代も経たなければ到達できない中性子レベルを迅速に達成できるが、ピット内の原子核の総数に比べれば依然として少ない。
爆発前に、数グラムのトリチウム-重水素ガスが核分裂性物質の空洞の「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-トリチウム核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、核分裂と核融合が並行して進行し、核分裂は加熱と圧縮を継続することで核融合を助け、核融合は高エネルギー（14.1 MeV）の中性子で核分裂を助けます。核分裂燃料が消費され、外側に爆発すると、それ自体で臨界状態を維持するため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はブーストなしの場合よりも速く、より長く進行します。収量の増加は、圧倒的に核分裂の増加によるものです。核融合自体からのエネルギーは、核融合燃料の量が非常に少ないため、はるかに小さくなります。ブーストの効果には次のものがあります。
弾頭内のトリチウムは絶えず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が過剰に蓄積されると、トリチウムの本来の目的である自由中性子の生成が相殺または逆転する可能性があります。そのため、ブースト爆弾は定期的に新しいトリチウムを必要とします。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。[ 12 ]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。
重水素-三重水素混合ガス1モルには、約3.0グラム（0.11オンス）の三重水素と約2.0グラム（0.071オンス）の重水素が含まれています。これに対し、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に相当します。
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はるかに大きな二次的な重水素同位体爆薬では、重水素とトリチウムの供給源として固体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る。
熱核兵器（テラー・ウラム段階）の一次核分裂爆弾段階の爆発時、核融合段階の中心にある235U / 239Puの円筒形スパークプラグが、一次核分裂爆弾から送られてくる余剰中性子によって連鎖反応を起こして核分裂を開始する。スパークプラグの核分裂によって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個の中性子に分裂する。これらの反応が起こると、核融合段階は、一次核分裂爆弾からの光子と、核融合段階を囲む238Uまたは238U / 235Uジャケットの核分裂によって圧縮される。そのため、核融合段階は爆発時に独自のトリチウムを生成する。爆発時の極度の高温と高圧下で、トリチウムの一部は重水素と核融合反応を起こし、その反応によってさらに多くのニュートロンが放出される。
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もエネルギーも少ないため（中性子を正味生成するのは核分裂と核融合のみである）、重水素化リチウムはブースト爆弾には使用されず、多段式水素爆弾に使用される。
トリチウムは、磁気閉じ込め型および慣性閉じ込め型の両方の核融合炉設計において、制御核融合の重要な燃料です。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も同様です。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、潜在的な核融合燃料の中で最も低いエネルギー（重心系で約65 keV）でこの最大断面積に達するため、有利です。トリチウムは地球上では非常に希少であるため、核融合炉の構想には、しばしばトリチウムの増殖が含まれます。想定されている増殖型核融合炉の運転中、セラミックペブルの一部としてリチウムを含むことが多い増殖ブランケットが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します。[ 59 ]
トリチウムシステム試験装置（TSTA）は、ロスアラモス国立研究所に設置された施設で、核融合に関連する重水素・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た。
トリチウムはベータボルタ電池装置に用いられ、発電用の原子電池を作るために利用できる。
トリチウムは、ツェルウェガー ZE22/3 グロー管などのさまざまな電子管で使用されています。これらのデバイスには、充填ガス（通常はネオンやアルゴンなどの希ガス）をイオン化するために少量のトリチウムが含まれています。このイオン化により、高電圧が印加されたときに安定した電流が供給され、デバイスの性能と安定性が向上するため、信頼性が高く安定した動作が保証されます。トリチウムは、2 つの電極を備えたガラスエンベロープ内に封入されており、そのうちの 1 つの電極には放射性物質がコーティングされて、電極間にイオン経路が形成されます。[ 60 ]
クロロフルオロカーボン類とは別に、トリチウムは一時的なトレーサーとして機能し、その分布の変化により、世界の海洋全体にわたる生物学的、化学的、および物理的な経路を「概説」することができる。[ 61 ]そのため、トリチウムは海洋循環と換気を調査するためのツールとして使用され、そのような目的のために、通常はトリチウム単位で測定され、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して定義され、[ 61 ]約0.118 Bq/リットルに相当する。[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]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、大気、特に成層圏に大量のトリチウムが導入された。これらの核実験の前には、地球の表面には約3～4 kgのトリチウムしか存在しなかった。しかし、これらの量は実験後の期間に2～3桁増加した。[ 61 ]一部の情報源は、1963年と1964年に自然背景レベルが約1,000 TU超過したと報告しており、この同位体は北半球で地下水の年代を推定し、水文地質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る。[ 65 ]兵器実験のピーク時の大気レベルは1,000 TUに近づき、降下物前の雨水レベルは5～10 TUの間と推定されている。[ 66 ] 1963年にアイルランドのバレンシア島では降水で2,000 TUが記録された。 [ 67 ]
成層圏（実験後期間）では、トリチウムは水分子と相互作用して酸化し、急速に発生した降雨の大部分に存在していたため、トリチウムは北大西洋における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った。 [ 61 ]
北大西洋に位置する深層水の補充率と循環率を定量化するために、海洋過渡トレーサー（TTO）プログラムからの爆弾トリチウムデータが使用された。[ 68 ]
爆弾由来のトリチウムは南極周辺の深海にも到達する。[ 69 ]大気中の爆弾由来のトリチウム水（H3HO）の大部分は、以下の過程を経て海洋に到達する可能性がある。
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優れたトレーサーとなる。[ 68 ]
1981年のこれらのプロセスからのデータを使用すると、1-TU等値面は亜熱帯 地域では水深500～1,000メートルの間にあり、大西洋上部の再循環と換気により、メキシコ湾流の南では1,500～2,000メートルまで広がっています。 [ 61 ]北では、等値面は深くなり、 10～20年の時間スケールでの海底換気に直接関係する深海平原の海底に達します。 [ 61 ]
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諸島付近のトリチウム濃度プロファイルも顕著である。トリチウム濃度の最大値は、表面（1960年代）から400メートル（1980年代）まで下方へ伝播しており、これは年間 約18メートルの深度増加率に相当する。 [ 61 ]また、 1970年代後半には1,500メートル、1980年代半ばには2,500メートルの深度でトリチウム濃度の上昇が見られ、これらはいずれも深層水の冷却現象とそれに伴う深層水の換気に対応している。[ 61 ]
1991年の研究では、トリチウムプロファイルが、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、トリチウムが4 TUまで増加しました。[ 68 ]このNADWは、ノルウェー海と北大西洋を隔てる海嶺を越えて流れ出し、その後、深層境界流で西と赤道に向かって流れます。このプロセスは、1981年から1983年の間に北大西洋深層で大規模なトリチウム分布によって説明されました。[ 68 ]亜極循環はNADWによって淡水化（換気）される傾向があり、高トリチウム値（>1.5 TU）と直接関係しています。また、ラブラドール海から熱帯にかけて 深層西部境界流のトリチウムが10分の1に減少している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。[ 68 ]
1998年の研究では、表面海水と大気中の水蒸気（ 地表から10メートル上）中のトリチウム濃度が、スールー海、フリーマントル湾、ベンガル湾、ペナン湾、マラッカ海峡の以下の場所でサンプリングされた。[ 70 ]結果は、表面海水中のトリチウム濃度がフリーマントル湾で最も高く（約0.40 Bq/リットル）、これは沿岸水域で大量に検出されたため、近隣の陸地からの淡水の流出が混ざり合ったことに起因する可能性があると示した。[ 70 ]通常、濃度は南緯35度から45度の間、および赤道付近で低かった。結果はまた、（一般的に）トリチウムはインド洋での爆弾トリチウムの物理的崩壊により、長年にわたって（1997年まで）減少していることを示した。水蒸気に関しては、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。 [ 70 ]したがって、水蒸気中のトリチウムは表面海水濃度の影響を受けないため、蒸気中の高濃度のトリチウムは、成層圏から対流圏への天然トリチウムの下降移動の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）。[ 70 ]
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）が三次元的に拡散した。中緯度および低緯度域には表層下の最大値があり、これは上層海洋の等ポテンシャル密度線（等密度線）に沿った横方向の混合（移流）および拡散過程を示している。 [ 71 ]これらの最大値の中には、塩分極値とよく相関するものもある。[ 71 ]海洋循環の構造を得るために、トリチウム濃度は3つの等ポテンシャル密度面（23.90、26.02、および26.81）上にマッピングされた。[ 71 ]結果は、亜寒帯低気圧性循環の 26.81 等密度面ではトリチウムがよく混合されていること (6 ～ 7 TU) を示しており、この循環と南の高気圧性循環の間で (より浅い等密度面と比較して) トリチウムの交換が遅いように見えました。また、23.90 面と 26.02 面のトリチウムは、北太平洋中央循環と赤道域の間でより遅い速度で交換されているように見えました。[ 71 ]
爆弾トリチウムの深部浸透は、3つの異なる層に分けられる。
原子兵器実験による微量の放射性物質がミシシッピ川水系全体に沈着した。トリチウム濃度は、湖、小川、河川などの大陸水文システムの滞留時間を理解するために使用されてきた。 [ 72 ] 2004年の研究では、ミシシッピ川流域全体におけるトリチウム濃度（1960年代から）の調査中に、オハイオ川（ミシシッピ川流量への最大の流入）、ミズーリ川、アーカンソー川など、いくつかの河川が考慮された。[ 72 ]これらの河川全体にわたる場所で最も高いトリチウム濃度は1963年に発見された。ピークは、1962年の米ソ大気圏核実験禁止条約の実施と相関している。全体的に最も高い濃度はミズーリ川（1963年）で発生し、1,200 TUを超えた一方、最も低い濃度はアーカンソー川で発見された（850 TUを超えることはなく、 1980年代半ばには 10 TU未満であった）。 [ 72 ]
ミシシッピ川本流からメキシコ湾へのトリチウムの質量流量に関しては、1961年から1997年の間に約780 グラムのトリチウムが川からメキシコ湾に流れ込んだことがデータで示されており[ 72 ] 、平均で 年間21.7グラム、7.7 PBq/年である。現在のミシシッピ川の流量は年間1～2グラムであり、核実験前の流量である 年間約0.4グラムとは対照的である[ 72 ] 。