El tritio (del griego antiguo τρίτος (trítos) 'tercero') o hidrógeno-3 (símbolo T o 3 H ) es un isótopo raro y radiactivo del hidrógeno con una vida media de ~12,3 años. El núcleo de tritio (t, a veces llamado tritón ) contiene un protón y dos neutrones , mientras que el núcleo del isótopo común hidrógeno-1 ( protio ) contiene un protón y ningún neutrón, y el del hidrógeno-2 no radiactivo ( deuterio ) contiene un protón y un neutrón. El tritio es el isótopo más pesado ligado a partículas del hidrógeno. Es uno de los pocos nucleidos con un nombre distinto. El uso del nombre hidrógeno-3, aunque más sistemático, es mucho menos común.
El tritio que se encuentra en la naturaleza es extremadamente raro en la Tierra. En la atmósfera solo hay cantidades mínimas, formadas por la interacción de sus gases con los rayos cósmicos . Se puede producir artificialmente mediante la irradiación de litio o de partículas cerámicas que contienen litio en un reactor nuclear y es un subproducto de baja abundancia en las operaciones normales de los reactores nucleares.
El tritio se utiliza como fuente de energía en luces radioluminiscentes para relojes, miras nocturnas para armas de fuego, numerosos instrumentos y herramientas y artículos novedosos como llaveros autoiluminados. Se utiliza en un entorno médico y científico como trazador radiactivo . El tritio también se utiliza como combustible de fusión nuclear , junto con el deuterio , que es más abundante , en reactores tokamak y en bombas de hidrógeno . El tritio también se ha utilizado comercialmente en dispositivos betavoltaicos como las baterías NanoTritium .
El tritio fue detectado por primera vez en 1934 por Ernest Rutherford , Mark Oliphant y Paul Harteck después de bombardear deuterio con deuterones (núcleos de deuterio). El deuterio es otro isótopo del hidrógeno, que se produce de forma natural con una abundancia del 0,015 %. [2] [3] Su experimento no pudo aislar el tritio, lo que fue logrado por primera vez en 1939 por Luis Álvarez y Robert Cornog , quienes también se dieron cuenta de la radiactividad del tritio. [4] [5] Willard Libby reconoció en 1954 que el tritio podría usarse para la datación radiométrica del agua y el vino . [6]
El Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NITS) ha determinado que la vida media del tritio es de 4500 ± 8 días ( 12,32 ± 0,02 años ) [7] , lo que supone una tasa anualizada de aproximadamente el 5,5 % anual. El tritio se desintegra en helio-3 mediante la desintegración beta-menos, como se muestra en esta ecuación nuclear:
liberando 18,6 keV de energía en el proceso. La energía cinética del electrón varía, con un promedio de 5,7 keV, mientras que la energía restante es transportada por el antineutrino electrónico casi indetectable . Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo unos 6,0 milímetros (0,24 pulgadas) de aire y son incapaces de atravesar la capa externa muerta de la piel humana. [8] Debido a su baja energía en comparación con otras partículas beta, la cantidad de radiación de frenado generada también es menor. La energía inusualmente baja liberada en la desintegración beta del tritio hace que la desintegración (junto con la del renio-187 ) sea útil para mediciones de masa absoluta de neutrinos en el laboratorio.
La baja energía de la radiación del tritio hace que sea difícil detectar compuestos marcados con tritio excepto mediante el recuento de centelleo líquido .
El tritio se produce con mayor frecuencia en reactores nucleares por activación neutrónica del litio-6 . La liberación y difusión del tritio y el helio producidos por la fisión del litio pueden tener lugar dentro de cerámicas conocidas como cerámicas reproductoras . La producción de tritio a partir del litio-6 en dichas cerámicas reproductoras es posible con neutrones de cualquier energía, aunque la sección transversal es mayor cuando los neutrones incidentes tienen menor energía, alcanzando más de 900 barns para neutrones térmicos . Esta es una reacción exotérmica , que produce 4,8 MeV . [9] En comparación, la fusión del deuterio con tritio libera alrededor de 17,6 MeV. Para aplicaciones en reactores de energía de fusión propuestos, como el ITER , se están desarrollando guijarros que consisten en cerámicas que contienen litio, incluyendo Li2TiO3 y Li4SiO4 , para la reproducción de tritio dentro de un lecho de guijarros enfriado con helio, también conocido como manta reproductora. [10]
6
3Li
+ n →4
2Él
(2,05 MeV) +3
1yo
(2,75 MeV)
Los neutrones de alta energía también pueden producir tritio a partir de litio-7 en una reacción endotérmica , consumiendo 2,466 MeV. Esto se descubrió cuando la prueba nuclear Castle Bravo de 1954 produjo un rendimiento inesperadamente alto. [11] Antes de esta prueba, se suponía incorrectamente que7
3Li
absorbería un neutrón para convertirse en8
3Li
, que se desintegraría en beta8
4Ser
, que a su vez se descompondría en dos4
2Él
núcleos en un período de tiempo total mucho más largo que la duración de la explosión.
7
3Li
+ n →4
2Él
(2,05 MeV) +3
1yo
(2,75 MeV) + n
Los neutrones de alta energía que irradian boro-10 también producen ocasionalmente tritio: [12]
10
5B
+ n → 24
2Él
+3
1yo
Un resultado más común de la captura de neutrones de boro-10 es 7 Li y una sola partícula alfa . [13]
Especialmente en los reactores de agua presurizada que sólo termalizan parcialmente los neutrones, la interacción entre neutrones relativamente rápidos y el ácido bórico añadido como compensación química produce cantidades pequeñas pero no despreciables de tritio.
El tritio también se produce en reactores moderados por agua pesada cuando un núcleo de deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una pequeña sección transversal de absorción , lo que hace que el agua pesada sea un buen moderador de neutrones , y se produce relativamente poco tritio. Aun así, puede ser conveniente limpiar el tritio del moderador después de varios años para reducir el riesgo de que escape al medio ambiente. La "Instalación de eliminación de tritio" de Ontario Power Generation es capaz de procesar hasta 2500 toneladas (2500 toneladas largas; 2800 toneladas cortas) de agua pesada al año, y separa alrededor de 2,5 kg (5,5 lb) de tritio, lo que lo pone a disposición para otros usos. [14] Los reactores CANDU suelen producir 130 gramos (4,6 oz) de tritio al año, que se recupera en la Instalación de recuperación de tritio de Darlington (DTRF) adjunta a la Central nuclear de Darlington de 3512 MW de potencia eléctrica en Ontario. La producción total en DTRF entre 1989 y 2011 fue de 42,5 kilogramos (94 lb), con una actividad de 409 megacurios (15.100 PBq): un promedio de unos 2 kilogramos (4,4 lb) por año. [15]
La sección eficaz de absorción del deuterio para los neutrones térmicos es de aproximadamente 0,52 milibares , mientras que la del oxígeno-16 ( 16 O) es de aproximadamente 0,19 milibares y la del oxígeno-17 ( 17 O) es de aproximadamente 240 milibares. Si bien el 16 O es, con mucho, el isótopo más común del oxígeno tanto en el oxígeno natural como en el agua pesada; dependiendo del método de separación de isótopos , el agua pesada puede ser ligeramente más rica en 17 O y 18 O. Debido tanto a la captura de neutrones como a las reacciones (n, α ) (la última de las cuales produce 14 C , un emisor beta de larga duración indeseable, a partir del 17 O), son "consumidores netos de neutrones" y, por lo tanto, son indeseables en un moderador de un reactor de uranio natural que necesita mantener la absorción de neutrones fuera del combustible lo más baja posible. Algunas instalaciones que eliminan tritio también eliminan (o al menos reducen el contenido de) 17O y 18O , que pueden –al menos en principio– usarse para el etiquetado de isótopos .
India, que también tiene una gran flota de reactores de agua pesada presurizada (inicialmente tecnología CANDU pero desde entonces autóctona y desarrollada con tecnología IPHWR ), también elimina al menos parte del tritio producido en el moderador/refrigerante de sus reactores, pero debido a la naturaleza de doble uso del tritio y al programa indio de bombas nucleares, hay menos información disponible públicamente sobre esto que en el caso de Canadá.
El tritio es un producto poco común de la fisión nuclear del uranio-235 , plutonio-239 y uranio-233 , con una producción de aproximadamente un átomo por cada 10 4 fisiones. [16] [17] Las principales vías de producción de tritio incluyen la fisión ternaria . La liberación o recuperación de tritio debe considerarse en el funcionamiento de los reactores nucleares , especialmente en el reprocesamiento de combustible nuclear y el almacenamiento de combustible nuclear gastado . La producción de tritio no es un objetivo, sino un efecto secundario. Algunas centrales nucleares lo descargan a la atmósfera en pequeñas cantidades. [18] La voloxidación es un paso adicional opcional en el reprocesamiento nuclear que elimina los productos de fisión volátiles (como todos los isótopos de hidrógeno) antes de que comience un proceso acuoso. Esto, en principio, permitiría la recuperación económica del tritio producido, pero incluso si el tritio sólo se elimina y no se utiliza, tiene el potencial de reducir la contaminación por tritio en el agua utilizada, reduciendo la radiactividad liberada cuando se descarga el agua, ya que el agua tritiada no se puede eliminar del agua "ordinaria" excepto mediante la separación de isótopos.
Dada la actividad específica del tritio de 9.650 curios por gramo (357 TBq/g), un TBq equivale aproximadamente a 2,8 miligramos (0,043 gr).
En junio de 2016, el Grupo de Trabajo sobre Agua Tritiada publicó un informe [21] sobre el estado del tritio en el agua tritiada en la planta nuclear de Fukushima Daiichi , como parte de la consideración de las opciones para la eliminación final del agua de refrigeración contaminada almacenada. En este se identificó que la cantidad de tritio almacenado en marzo de 2016 en el sitio era de 760 TBq (equivalente a 2,1 g de tritio o 14 ml de agua tritiada pura) en un total de 860 000 m3 de agua almacenada. En este informe también se identificó la reducción de la concentración de tritio en el agua extraída de los edificios, etc. para el almacenamiento, que se redujo en un factor de diez durante los cinco años considerados (2011-2016), de 3,3 MBq/L a 0,3 MBq/L (después de la corrección por la descomposición anual del 5 % del tritio).
Según un informe de un grupo de expertos que analiza el mejor enfoque para abordar esta cuestión, " el tritio se puede separar teóricamente , pero no existe una tecnología de separación práctica a escala industrial. En consecuencia, se dice que una liberación ambiental controlada es la mejor manera de tratar el agua con baja concentración de tritio". [22] Después de una campaña de información pública patrocinada por el gobierno japonés, la liberación gradual al mar del agua tritiada comenzó el 24 de agosto de 2023 y es la primera de cuatro liberaciones hasta marzo de 2024. [23] Todo el proceso tardará "décadas" en completarse. [24] China reaccionó con protestas. [25] [26] El OIEA ha respaldado el plan. El agua liberada se diluye para reducir la concentración de tritio a menos de 1500 Bq/L, muy por debajo del límite recomendado en el agua potable por la OMS. [27]
El producto de desintegración del tritio, helio-3, tiene una sección transversal muy grande (5330 barns) para reaccionar con neutrones térmicos , expulsando un protón; por lo tanto, se convierte rápidamente nuevamente en tritio en los reactores nucleares . [28]
El tritio se produce de forma natural debido a la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. En la reacción más importante para su producción natural, un neutrón rápido (que debe tener una energía superior a 4,0 MeV [29] ) interactúa con el nitrógeno atmosférico :
En todo el mundo, la producción de tritio a partir de fuentes naturales es de 148 petabecquerelios por año. El inventario de equilibrio global de tritio creado por fuentes naturales se mantiene aproximadamente constante en 2.590 petabecquerelios. Esto se debe a una tasa de producción fija y a pérdidas proporcionales al inventario. [30]
El tritio para las armas nucleares estadounidenses se produjo en reactores especiales de agua pesada en la planta de Savannah River hasta su cierre en 1988. Con el Tratado de Reducción de Armas Estratégicas (START) después del final de la Guerra Fría , los suministros existentes fueron suficientes para el nuevo número menor de armas nucleares durante algún tiempo.
Entre 1955 y 1996 se produjeron en Estados Unidos 225 kg (496 lb) de tritio. [a] Dado que se desintegra continuamente en helio-3, la cantidad total restante era de unos 75 kg (165 lb) en el momento del informe, [31] [11] y de unos 16 kg (35 lb) en 2023. [32]
La producción de tritio se reanudó con la irradiación de barras que contenían litio (en sustitución de las barras de control habituales que contenían boro , cadmio o hafnio ) en los reactores de la planta nuclear comercial Watts Bar desde 2003 a 2005, seguida de la extracción de tritio de las barras en la instalación de extracción de tritio en el sitio de Savannah River a partir de noviembre de 2006. [33] [34] La fuga de tritio de las barras durante las operaciones del reactor limita la cantidad que se puede utilizar en cualquier reactor sin exceder los niveles máximos permitidos de tritio en el refrigerante. [35]
El tritio tiene una masa atómica de3.016 049 28 Da . El tritio diatómico ( T 2 o 3 H 2 ) es un gas a temperatura y presión estándar . Combinado con oxígeno , forma agua tritiada ( 3 H 2 O ).
En comparación con el hidrógeno en su composición natural en la Tierra, el tritio tiene un punto de fusión más alto (20,62 K frente a 13,99 K), un punto de ebullición más alto (25,04 K frente a 20,27 K), una temperatura crítica más alta (40,59 K frente a 32,94 K) y una presión crítica más alta (1,8317 MPa frente a 1,2858 MPa). [36]
La actividad específica del tritio es de 9.650 curios por gramo (3,57 × 10 14 Bq /g). [37]
El tritio ocupa un lugar destacado en los estudios de fusión nuclear debido a su sección transversal de reacción favorable y la gran cantidad de energía (17,6 MeV) producida a través de su reacción con el deuterio:
Todos los núcleos atómicos contienen protones como únicas partículas cargadas. Por lo tanto, se repelen entre sí porque las cargas iguales se repelen ( ley de Coulomb ). Sin embargo, si los átomos tienen una temperatura y una presión lo suficientemente altas (por ejemplo, en el núcleo del Sol), entonces sus movimientos aleatorios pueden superar dicha repulsión y pueden acercarse lo suficiente para que la fuerza nuclear fuerte surta efecto, fusionándolos en átomos más pesados.
Un núcleo de tritio (tritón), que contiene un protón y dos neutrones, tiene la misma carga que cualquier núcleo de hidrógeno y experimenta la misma repulsión electrostática cuando está cerca de otro núcleo. Sin embargo, los neutrones del tritón aumentan la fuerza nuclear fuerte de atracción cuando están lo suficientemente cerca de otro núcleo. Como resultado, el tritio puede fusionarse más fácilmente con otros átomos ligeros que el hidrógeno común.
Lo mismo ocurre, aunque en menor medida, con el deuterio. Por eso las enanas marrones ( estrellas "fallidas" ) no pueden fusionar hidrógeno normal, pero sí una pequeña minoría de núcleos de deuterio.
Al igual que los demás isótopos del hidrógeno , el tritio es difícil de confinar. El caucho, el plástico y algunos tipos de acero son algo permeables. Esto ha suscitado preocupaciones de que si se utilizara tritio en grandes cantidades, en particular para reactores de fusión , podría contribuir a la contaminación radiactiva , aunque su corta vida media debería evitar una acumulación significativa a largo plazo en la atmósfera.
Los altos niveles de pruebas de armas nucleares en la atmósfera que se llevaron a cabo antes de la promulgación del Tratado de Prohibición Parcial de los Ensayos Nucleares resultaron ser inesperadamente útiles para los oceanógrafos. Los altos niveles de óxido de tritio introducidos en las capas superiores de los océanos se han utilizado en los años posteriores para medir la tasa de mezcla de las capas superiores de los océanos con sus niveles inferiores.
Dado que el tritio es un emisor beta (β) de baja energía , no es peligroso externamente (sus partículas β no pueden penetrar la piel), [30] pero puede ser un peligro de radiación si se inhala, se ingiere a través de alimentos o agua, o se absorbe a través de la piel. [38] [39] [40] [41] [42]
Los organismos pueden absorber H3HO , como lo harían con H2O . [ 43] Las plantas convierten H3HO en tritio ligado orgánicamente (OBT), y son consumidos por los animales. H3HO se retiene en los seres humanos durante unos 12 días, y una pequeña parte permanece en el cuerpo. [44] El tritio puede pasar a lo largo de la cadena alimentaria cuando un organismo se alimenta de otro, aunque el metabolismo del OBT es menos comprendido que el del H3HO . [ 44] El tritio puede incorporarse a las moléculas de ARN y ADN dentro de los organismos, lo que puede provocar impactos somáticos y genéticos. Estos pueden surgir en generaciones posteriores. [45]
El H 3 HO tiene una vida media biológica corta en el cuerpo humano de 7 a 14 días, lo que reduce los efectos totales de la ingestión de un solo incidente y evita la bioacumulación a largo plazo de H 3 HO del medio ambiente. [40] [46] La vida media biológica del agua tritiada en el cuerpo humano, que es una medida de la renovación del agua corporal, varía con la estación. Los estudios sobre la vida media biológica de los trabajadores de radiación ocupacional para el tritio en agua libre en una región costera de Karnataka , India, muestran que la vida media biológica en invierno es el doble que en verano. [46] Si se sospecha o se sabe que hay exposición al tritio, beber agua no contaminada ayudará a reemplazar el tritio del cuerpo. Aumentar la sudoración, la micción o la respiración puede ayudar al cuerpo a expulsar agua y, por lo tanto, el tritio que contiene. Sin embargo, se debe tener cuidado de que no se produzca deshidratación ni una disminución de los electrolitos del cuerpo , ya que las consecuencias para la salud de estas cosas (en particular a corto plazo) pueden ser más graves que las de la exposición al tritio.
Se han producido fugas de tritio en 48 de las 65 instalaciones nucleares de Estados Unidos. En un caso, el agua filtrada contenía 7,5 microcurios (280 kBq) de tritio por litro, lo que supone 375 veces el límite actual de la EPA para el agua potable y 28 veces el límite recomendado por la Organización Mundial de la Salud . [47] Esto equivale a 0,777 nanogramos por litro (5,45 × 10 −8 gr/imp gal) o aproximadamente 0,8 partes por billón .
La Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos afirma que en funcionamiento normal en 2003, 56 reactores de agua a presión liberaron 40.600 curios (1.500.000 GBq) de tritio (máximo: 2.080 Ci (77.000 GBq); mínimo: 0,1 Ci (3,7 GBq); promedio: 725 Ci ( 26.800 GBq)) y 24 reactores de agua en ebullición liberaron 665 Ci (24,6 TBq) (máximo: 174 Ci (6.400 GBq); mínimo: 0 Ci; promedio: 27,7 Ci (1.020 GBq)), en efluentes líquidos. [48] 40.600 Ci (1.500.000 GBq) de tritio pesan alrededor de 4,207 gramos (0,1484 oz).
Según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos , se ha descubierto que las señales de salida autoiluminadas desechadas de forma inadecuada en vertederos municipales contaminan las vías fluviales. [49]
Los límites legales de tritio en el agua potable varían considerablemente de un país a otro. A continuación se indican algunas cifras:
El límite estadounidense resulta en una dosis de 4,0 milirems (o 40 microsieverts en unidades del SI ) por año según la regulación 40CFR141 de la EPA, y se basa en estándares de cálculo de dosis obsoletos del Manual 69 de la Oficina Nacional de Normas de alrededor de 1963. Cuatro milirems por año son aproximadamente el 1,3% de la radiación de fondo natural (~3 mSv). A modo de comparación, la dosis equivalente del plátano (BED) se establece en 0,1 μSv, por lo que el límite legal en los EE. UU. se establece en 400 BED. Los estándares de cálculo de dosis actualizados basados en el Informe 30 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica y utilizados en la Regulación 10CFR20 de la NRC resultan en una dosis de 0,9 milirems (9 μSv) por año a 740 Bq/L (20 nCi/L). [40]
La tritiación de fármacos candidatos permite un análisis detallado de su absorción y metabolismo. [54] El tritio también se ha utilizado para ensayos radiométricos biológicos, en un proceso similar a la datación por radiocarbono . Por ejemplo, se rastreó el acetato de retinilo [ 3H ] a través de los cuerpos de ratas. [55]
Las partículas beta de pequeñas cantidades de tritio hacen que brillen sustancias químicas llamadas fósforos . Esta radioluminiscencia se utiliza en dispositivos de iluminación autónomos llamados betalights , que se utilizan para la iluminación nocturna de miras de armas de fuego, relojes, señales de salida , luces de mapas, brújulas de navegación (como las brújulas militares estadounidenses M-1950 de uso actual ), cuchillos y una variedad de otros dispositivos. [d] A partir de 2000 [actualizar], la demanda comercial de tritio es de 400 gramos (0,88 lb) por año [11] y el costo es de $30 000 por gramo ($850 000/oz) [56] o más. [57]
El tritio es un componente importante en las armas nucleares; se utiliza para mejorar la eficiencia y el rendimiento de las bombas de fisión y las etapas de fisión de las bombas de hidrógeno en un proceso conocido como " impulso ", así como en iniciadores de neutrones externos para dichas armas.
Se trata de dispositivos incorporados en las armas nucleares que producen un pulso de neutrones cuando se detona la bomba para iniciar la reacción de fisión en el núcleo fisionable (pozo) de la bomba, después de que se comprime hasta una masa crítica mediante explosivos. Accionado por un interruptor ultrarrápido como un krytron , un pequeño acelerador de partículas impulsa los iones de tritio y deuterio a energías superiores a los 15 keV o más necesarios para la fusión deuterio-tritio y los dirige hacia un objetivo metálico donde el tritio y el deuterio se adsorben como hidruros . Los neutrones de fusión de alta energía de la fusión resultante irradian en todas direcciones. Algunos de estos golpean núcleos de plutonio o uranio en el pozo primario, iniciando una reacción nuclear en cadena . La cantidad de neutrones producidos es grande en números absolutos, lo que permite que el pozo alcance rápidamente niveles de neutrones que de otro modo necesitarían muchas más generaciones de reacción en cadena, aunque todavía pequeños en comparación con el número total de núcleos en el pozo.
Antes de la detonación, se inyectan unos gramos de gas tritio-deuterio en el " hueco " hueco de material fisible. Las primeras etapas de la reacción en cadena de fisión proporcionan suficiente calor y compresión para iniciar la fusión deuterio-tritio; luego, tanto la fisión como la fusión se desarrollan en paralelo, la fisión asiste a la fusión al continuar el calentamiento y la compresión, y la fusión asiste a la fisión con neutrones altamente energéticos (14,1 MeV ). A medida que el combustible de fisión se agota y también explota hacia afuera, cae por debajo de la densidad necesaria para mantenerse crítico por sí mismo, pero los neutrones de fusión hacen que el proceso de fisión avance más rápido y continúe más tiempo de lo que lo haría sin el refuerzo. El aumento de la producción proviene abrumadoramente del aumento de la fisión. La energía de la fusión en sí es mucho menor porque la cantidad de combustible de fusión es mucho menor. Los efectos del refuerzo incluyen:
El tritio de una ojiva sufre una desintegración radiactiva continua, por lo que no está disponible para la fusión. Además, su producto de desintegración , el helio-3, absorbe neutrones. Esto puede contrarrestar o revertir el efecto deseado del tritio, que era generar muchos neutrones libres, si se ha acumulado demasiado helio-3. Por lo tanto, las bombas impulsadas necesitan tritio nuevo periódicamente. La cantidad estimada necesaria es de 4 gramos (0,14 oz) por ojiva. [11] Para mantener niveles constantes de tritio, se deben suministrar a la bomba alrededor de 0,20 gramos (0,0071 oz) por ojiva por año.
Un mol de gas de deuterio-tritio contiene aproximadamente 3,0 gramos (0,11 oz) de tritio y 2,0 gramos (0,071 oz) de deuterio. En comparación, los 20 moles de plutonio de una bomba nuclear consisten en aproximadamente 4,5 kilogramos (9,9 lb) de plutonio-239 .
Dado que el tritio sufre desintegración radiactiva y también es difícil de confinar físicamente, la carga secundaria mucho mayor de isótopos pesados de hidrógeno necesaria en una verdadera bomba de hidrógeno utiliza deuteruro de litio sólido como fuente de deuterio y tritio, produciendo el tritio in situ durante la ignición secundaria.
Durante la detonación de la etapa primaria de la bomba de fisión en un arma termonuclear ( etapa Teller-Ulam ), la bujía , un cilindro de 235 U/ 239 Pu en el centro de la(s) etapa(s) de fusión, comienza a fisionarse en una reacción en cadena, a partir del exceso de neutrones canalizados desde la etapa primaria. Los neutrones liberados de la fisión de la bujía dividen el litio-6 en tritio y helio-4, mientras que el litio-7 se divide en helio-4, tritio y un neutrón. A medida que ocurren estas reacciones, la etapa de fusión se comprime por los fotones de la etapa primaria y la fisión de la cubierta de 238 U o 238 U/ 235 U que rodea la etapa de fusión. Por lo tanto, la etapa de fusión genera su propio tritio a medida que el dispositivo detona. En el calor y la presión extremos de la explosión, parte del tritio se ve obligado a fusionarse con el deuterio, y esa reacción libera aún más neutrones.
Dado que este proceso de fusión requiere una temperatura extremadamente alta para la ignición, y produce menos neutrones y menos energéticos (sólo fisión, fusión deuterio-tritio y7
3Li
La división de los electrones es productora neta de neutrones, por lo que el deuteruro de litio no se utiliza en bombas impulsadas, sino en bombas de hidrógeno de múltiples etapas.
El tritio es un combustible importante para la fusión nuclear controlada, tanto en los diseños de reactores de fusión por confinamiento magnético como por confinamiento inercial. La National Ignition Facility (NIF) utiliza combustible de deuterio-tritio, y el reactor de fusión experimental ITER también lo hará. La reacción deuterio-tritio es favorable, ya que tiene la sección transversal de fusión más grande (alrededor de 5,0 barns ) y alcanza esta sección transversal máxima a la energía más baja (alrededor de 65 keV en el centro de masa) de cualquier combustible de fusión potencial. Como el tritio es muy raro en la Tierra, los conceptos para reactores de fusión a menudo incluyen la cría de tritio. Durante el funcionamiento de los reactores de fusión reproductores previstos, las mantas reproductoras , que a menudo contienen litio como parte de guijarros cerámicos, se someten a flujos de neutrones para generar tritio para completar el ciclo del combustible. [58]
El Conjunto de Pruebas de Sistemas de Tritio (TSTA) era una instalación del Laboratorio Nacional de Los Álamos dedicada al desarrollo y demostración de tecnologías necesarias para el procesamiento de deuterio-tritio relevante para la fusión.
El tritio se puede utilizar en un dispositivo betavoltaico para crear una batería atómica para generar electricidad .
Aparte de los clorofluorocarbonos , el tritio puede actuar como un trazador transitorio y puede "delinear" las rutas biológicas, químicas y físicas a través de los océanos del mundo debido a su distribución evolutiva. [59] Por lo tanto, el tritio se ha utilizado como una herramienta para examinar la circulación y ventilación oceánica y, para tales fines, generalmente se mide en unidades de tritio, donde 1 TU se define como 1 átomo de tritio por 10 18 átomos de hidrógeno, [59] igual a aproximadamente 0,118 Bq/litro. [60] Como se señaló anteriormente, las pruebas nucleares, principalmente en el hemisferio norte en latitudes altas, a lo largo de finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 introdujeron grandes cantidades de tritio en la atmósfera, especialmente en la estratosfera . Antes de estas pruebas nucleares, solo había alrededor de 3-4 kg de tritio en la superficie de la Tierra; pero estas cantidades aumentaron en 2-3 órdenes de magnitud durante el período posterior a la prueba. [59] Algunas fuentes informaron que los niveles de fondo naturales se superaron en aproximadamente 1000 TU en 1963 y 1964 y el isótopo se utiliza en el hemisferio norte para estimar la edad del agua subterránea y construir modelos de simulación hidrogeológica. [61] Se estima que los niveles atmosféricos en el apogeo de las pruebas de armas se acercaron a 1000 TU y los niveles de agua de lluvia previos a la lluvia estaban entre 5 y 10 TU. [62] En 1963, la isla de Valentia , Irlanda, registró 2000 TU de precipitación. [63]
Mientras estaba en la estratosfera (período posterior a la prueba), el tritio interactuó con las moléculas de agua y se oxidó a ellas y estuvo presente en gran parte de la lluvia producida rápidamente, lo que convierte al tritio en una herramienta de pronóstico para estudiar la evolución y la estructura del ciclo del agua , así como la ventilación y la formación de masas de agua en el Atlántico Norte. [59]
Los datos de bombas de tritio se utilizaron del programa Trazadores Transitorios en el Océano (TTO) para cuantificar las tasas de reposición y vuelco de aguas profundas ubicadas en el Atlántico Norte. [64]
El tritio bomba también ingresa al océano profundo alrededor de la Antártida. [65] La mayor parte del agua tritiada bomba (H 3 HO) en toda la atmósfera puede ingresar al océano a través de los siguientes procesos:
Estos procesos hacen del H 3 HO un gran trazador para escalas de tiempo de hasta unas pocas décadas. [64]
Utilizando los datos de estos procesos para 1981, la isosuperficie de 1-TU se encuentra entre 500 y 1.000 metros de profundidad en las regiones subtropicales y luego se extiende a 1.500-2.000 metros al sur de la Corriente del Golfo debido a la recirculación y ventilación en la parte superior del Océano Atlántico. [59] Al norte, la isosuperficie se profundiza y alcanza el fondo de la llanura abisal que está directamente relacionada con la ventilación del fondo del océano en escalas de tiempo de 10 a 20 años. [59]
También es evidente en el océano Atlántico el perfil de tritio cerca de Bermudas entre finales de los años 1960 y finales de los años 1980. Hay una propagación descendente del máximo de tritio desde la superficie (años 1960) hasta los 400 metros (años 1980), lo que corresponde a una tasa de profundización de unos 18 metros por año. [59] También hay aumentos de tritio a 1.500 m de profundidad a finales de los años 1970 y 2.500 m a mediados de los años 1980, los cuales corresponden a eventos de enfriamiento en aguas profundas y ventilación de aguas profundas asociada. [59]
A partir de un estudio de 1991, el perfil de tritio se utilizó como herramienta para estudiar la mezcla y propagación de las aguas profundas del Atlántico Norte (NADW) recién formadas, correspondientes a aumentos de tritio de hasta 4 TU. [64] Estas NADW tiende a desbordarse sobre los umbrales que dividen el mar de Noruega del océano Atlántico Norte y luego fluye hacia el oeste y el ecuador en corrientes limítrofes profundas. Este proceso se explicó a través de la distribución de tritio a gran escala en el Atlántico Norte profundo entre 1981 y 1983. [64] El giro subpolar tiende a ser refrescado (ventilado) por las NADW y está directamente relacionado con los altos valores de tritio (>1,5 TU). También fue evidente la disminución del tritio en la corriente limítrofe occidental profunda por un factor de 10 desde el mar de Labrador hasta los trópicos , lo que es indicativo de pérdida hacia el interior del océano debido a la mezcla turbulenta y la recirculación. [64]
En un estudio de 1998, se tomaron muestras de las concentraciones de tritio en el agua de mar superficial y el vapor de agua atmosférico (a 10 metros sobre la superficie) en los siguientes lugares: el mar de Sulu , la bahía de Fremantle, la bahía de Bengala , la bahía de Penang y el estrecho de Malaca . [66] Los resultados indicaron que la concentración de tritio en el agua de mar superficial era más alta en la bahía de Fremantle (alrededor de 0,40 Bq/litro), lo que podría atribuirse a la mezcla de escorrentía de agua dulce de tierras cercanas debido a las grandes cantidades encontradas en las aguas costeras. [66] Por lo general, se encontraron concentraciones más bajas entre 35 y 45 ° sur, y cerca del ecuador . Los resultados también indicaron que (en general) el tritio ha disminuido a lo largo de los años (hasta 1997) debido a la descomposición física del tritio de bomba en el océano Índico . En cuanto al vapor de agua, la concentración de tritio fue aproximadamente un orden de magnitud mayor que las concentraciones en el agua de mar superficial (variando de 0,46 a 1,15 Bq/L). [66] Por lo tanto, el tritio del vapor de agua no se ve afectado por la concentración en el agua de mar superficial; por lo tanto, se concluyó que las altas concentraciones de tritio en el vapor eran una consecuencia directa del movimiento descendente del tritio natural desde la estratosfera a la troposfera (por lo tanto, el aire del océano mostró una dependencia del cambio latitudinal). [66]
En el Océano Pacífico Norte , el tritio (introducido como tritio bomba en el hemisferio norte) se extendió en tres dimensiones. Hubo máximos subsuperficiales en las regiones de latitudes medias y bajas, lo que es indicativo de procesos de mezcla lateral (advección) y difusión a lo largo de líneas de densidad potencial constante ( isopicnas ) en el océano superior. [67] Algunos de estos máximos incluso se correlacionan bien con los extremos de salinidad . [67] Para obtener la estructura de la circulación oceánica, las concentraciones de tritio se mapearon en 3 superficies de densidad potencial constante (23,90, 26,02 y 26,81). [67] Los resultados indicaron que el tritio estaba bien mezclado (entre 6 y 7 TU) en la isopicna 26,81 en el giro ciclónico subártico y parecía haber un intercambio lento de tritio (en relación con las isopicnas menos profundas) entre este giro y el giro anticiclónico al sur; además, el tritio en las superficies 23,90 y 26,02 parecía intercambiarse a un ritmo más lento entre el giro central del Pacífico Norte y las regiones ecuatoriales. [67]
La penetración profunda del tritio en las bombas se puede dividir en tres capas distintas:
Los residuos nucleares de las pruebas de armas de la Guerra Fría se asentaron en los Estados Unidos a lo largo del sistema del río Misisipi . Las concentraciones de tritio se pueden utilizar para comprender los tiempos de residencia de los sistemas hidrológicos continentales (a diferencia de los sistemas hidrológicos oceánicos habituales) que incluyen aguas superficiales como lagos, arroyos y ríos. [68] El estudio de estos sistemas también puede proporcionar a las sociedades y municipios información para fines agrícolas y la calidad general del agua de los ríos.
En un estudio de 2004, se tomaron en cuenta varios ríos durante el examen de las concentraciones de tritio (a partir de la década de 1960) en toda la cuenca del río Misisipi: el río Ohio (la mayor entrada al flujo del río Misisipi), el río Misuri y el río Arkansas . [68] Las mayores concentraciones de tritio se encontraron en 1963 en todos los lugares muestreados a lo largo de estos ríos y se correlacionan bien con las concentraciones máximas en la precipitación debido a las pruebas de bombas nucleares en 1962. Las concentraciones más altas en general ocurrieron en el río Misuri (1963) y fueron superiores a 1200 TU, mientras que las concentraciones más bajas se encontraron en el río Arkansas (nunca mayores de 850 TU y menos de 10 TU a mediados de la década de 1980). [68]
Se pueden identificar varios procesos utilizando los datos de tritio de los ríos: escorrentía directa y salida de agua de los depósitos de agua subterránea. [68] Mediante el uso de estos procesos, es posible modelar la respuesta de las cuencas fluviales al trazador transitorio de tritio. Dos de los modelos más comunes son los siguientes:
En el caso del río Ohio, los datos de tritio indicaron que aproximadamente el 40% del flujo estaba compuesto por precipitaciones con tiempos de residencia de menos de un año (en la cuenca del Ohio) y las aguas más antiguas consistían en tiempos de residencia de aproximadamente diez años. [68] Por lo tanto, los tiempos de residencia cortos (menos de un año) correspondían al componente de "flujo rápido" del modelo de mezcla de dos miembros. En cuanto al río Misuri, los resultados indicaron que los tiempos de residencia eran de aproximadamente cuatro años y que el componente de flujo rápido rondaba el 10% (estos resultados se deben a la serie de represas en el área del río Misuri). [68]
En cuanto al flujo de masa de tritio a través del cauce principal del río Misisipi hacia el Golfo de México , los datos indican que aproximadamente 780 gramos de tritio han fluido desde el río hacia el Golfo entre 1961 y 1997, [68] un promedio de 21,7 gramos/año y 7,7 PBq/año. Los flujos actuales a través del río Misisipi son de 1 a 2 gramos por año, en comparación con los flujos del período anterior a la bomba de aproximadamente 0,4 gramos por año. [68]
