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 del 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 cero neutrones, y el de un hidrógeno-2 no radiactivo ( deuterio ) contiene un protón y un neutrón.
El tritio natural es extremadamente raro en la Tierra. La atmósfera tiene sólo trazas, formadas por la interacción de sus gases con los rayos cósmicos . Puede producirse artificialmente mediante la irradiación de litio metálico o guijarros cerámicos 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 de hierro para armas de fuego, numerosos instrumentos y herramientas e incluso 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 más abundante deuterio , en reactores tokamak y en bombas de hidrógeno .
El tritio fue detectado por primera vez en 1934 por Ernest Rutherford , Mark Oliphant y Paul Harteck después de bombardear deuterio con deuterones (un protón y un neutrón, que comprenden un núcleo de deuterio). El deuterio es otro isótopo del hidrógeno, que se encuentra naturalmente en 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]
La vida media del tritio está catalogada por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología como 4.500 ± 8 días ( 12,32 ± 0,02 años ) [7] , una tasa anualizada de aproximadamente el 5,5% por año. El tritio se desintegra en helio-3 mediante 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 absorbida por el casi indetectable antineutrino del electrón . Las partículas beta del tritio pueden penetrar sólo unos 6,0 milímetros (0,24 pulgadas) de aire y son incapaces de atravesar la capa más externa muerta de la piel humana. [8] Debido a su baja energía en comparación con otras partículas beta, la cantidad de bremsstrahlung 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 absolutas de la masa de neutrinos en el laboratorio.
La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el recuento de centelleo líquido .
El tritio se produce con mayor frecuencia en reactores nucleares mediante activación neutrónica del litio-6 . La liberación y difusión de tritio y helio producidos por la fisión del litio puede tener lugar dentro de las cerámicas denominadas cerámicas reproductoras . La producción de tritio a partir de 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 graneros para los neutrones térmicos . Esta es una reacción exotérmica que produce 4,8 MeV. [9] En comparación, la fusión de deuterio con tritio libera alrededor de 17,6 MeV de energía. Para aplicaciones en reactores de energía de fusión propuestos, como ITER , se están desarrollando guijarros compuestos de cerámicas que contienen litio, incluidos Li 2 TiO 3 y Li 4 SiO 4 , para la reproducción de tritio dentro de un lecho de guijarros enfriado con helio, también conocido como manta reproductora. [10]
Los neutrones de alta energía también pueden producir tritio a partir de litio-7 en una reacción endotérmica (que consume calor neto), consumiendo 2,466 MeV. Esto se descubrió cuando la prueba nuclear de Castle Bravo en 1954 produjo un rendimiento inesperadamente alto. [11]
Los neutrones de alta energía que irradian boro-10 también producirán ocasionalmente tritio: [12]
Un resultado más común de la captura de neutrones de boro-10 es7
li
y una sola partícula alfa . [13]
Especialmente en los reactores de agua a presión , que solo termalizan parcialmente los neutrones, la interacción entre los neutrones relativamente rápidos y el ácido bórico añadido como suplemento químico produce cantidades pequeñas pero no despreciables de tritio.
El tritio también se produce en reactores moderados por agua pesada cada vez que un núcleo de deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una sección transversal de absorción bastante pequeña , 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 se escape al medio ambiente. La "Instalación de eliminación de tritio" de Ontario Power Generation procesa hasta 2500 toneladas (2500 toneladas largas; 2800 toneladas cortas) de agua pesada al año y separa alrededor de 2,5 kg (5,5 libras) de tritio, lo que la deja disponible para otros usos. . [14] Los reactores CANDU normalmente producen 130 gramos (4,6 oz) de tritio por año, que se recupera en la Instalación de Recuperación de Tritio de Darlington (DTRF) adjunta a la Estación de Generación Nuclear Darlington eléctrica de 3.512 MW en Ontario. La producción total en DTRF entre 1989 y 2011 fue de 42,5 kilogramos (94 libras), con una actividad de 409 megacurios (15.100 PBq), lo que promedia unos 2 kilogramos (4,4 libras) por año. [15]
La sección transversal de absorción del deuterio para los neutrones térmicos es de aproximadamente 0,52 milibares , mientras que la del oxígeno-16 (16
8oh
) es de aproximadamente 0,19 milibares y el del oxígeno-17 (17
8oh
) es de unos 240 milibares. Mientrasdieciséis
El O es, con mucho, el isótopo de oxígeno más común tanto en el oxígeno natural como en el agua pesada; dependiendo del método utilizado para la separación de isótopos , el agua pesada puede tener un contenido de ligeramente a notablemente mayor.17
O y18Oh contenido. Debido tanto a la captura de neutrones como a las reacciones (n, α ) (la última de las cuales produce14C , un emisor beta indeseable de larga vida, de17
O ) son "consumidores de neutrones" netos y, por tanto, no son deseables 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 el tritio también eliminan (o al menos reducen el contenido de)17
O y18
O , que se puede utilizar, al menos en principio, para el etiquetado de isótopos .
India, que también tiene una gran flota de reactores de agua pesada a presión (inicialmente con tecnología CANDU, pero luego con tecnología IPHWR autóctona y más desarrollada ), también elimina al menos parte del tritio producido en el moderador/refrigerante de sus reactores, pero debido al doble uso. naturaleza del tritio y el programa de bombas nucleares de la India, hay menos información disponible públicamente que para Canadá.
El tritio es un producto poco común de la fisión nuclear de uranio-235 , plutonio-239 y uranio-233 , con una producción de aproximadamente un átomo por cada 10.000 fisiones. [16] [17] Las principales vías de producción de tritio incluyen la fisión ternaria de algún tipo. Es necesario considerar la liberación o recuperación de tritio en el funcionamiento de los reactores nucleares , especialmente en el reprocesamiento de combustibles nucleares y en 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. En principio, esto 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 radioactividad liberada cuando el agua se descarga, ya que el agua tritiada no se puede eliminar. del agua "ordinaria", excepto mediante 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 opciones para la eliminación final del agua de refrigeración contaminada almacenada. Esto identificó que la tenencia de tritio en el sitio en marzo de 2016 era de 760 TBq (equivalente a 2,1 g de tritio o 14 ml de agua tritiada pura) en un total de 860.000 m 3 de agua almacenada. Este informe también identificó la reducción de la concentración de tritio en el agua extraída de los edificios, etc. para su almacenamiento, con un factor de disminución de diez en los cinco años considerados (2011-2016), de 3,3 MBq/L a 0,3 MBq/L (después de la corrección). para el 5% de desintegración anual del tritio).
Según un informe de un panel de expertos que analiza cuál es el mejor enfoque para abordar este problema, " el tritio podría separarse 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". para tratar 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 llevará "décadas " completar. [24] China reaccionó con protesta. [25] [26] La OIEA ha respaldado el plan. El agua liberada se diluye para reducir la concentración de tritio a menos de 1.500 Bq/L, muy por debajo del límite recomendado en el agua potable por la OMS. [27]
El helio-3 , producto de la desintegración del tritio, tiene una sección transversal muy grande (5330 graneros) 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 naturalmente debido a la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. En la reacción más importante para la producción natural, un neutrón rápido (que debe tener una energía superior a 4,0 MeV [29] ) interactúa con el nitrógeno atmosférico :
A nivel mundial, la producción de tritio a partir de fuentes naturales es de 148 petabecquerelios al año. El inventario de equilibrio global de tritio creado por fuentes naturales permanece aproximadamente constante en 2.590 petabecquerelios. Esto se debe a una tasa de producción fija y pérdidas proporcionales al inventario. [30]
El tritio para las armas nucleares estadounidenses se produjo en reactores especiales de agua pesada en el sitio del río Savannah 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 los nuevos, más pequeños. número de armas nucleares desde hace algún tiempo.
Se produjeron 225 kg (496 lb) de tritio en los Estados Unidos entre 1955 y 1996. [a] Dado que continuamente se descompone en helio-3, la cantidad total restante era de aproximadamente 75 kg (165 lb) en el momento del informe. [31] [11] y alrededor de 16 kg (35 lb) a partir de 2023. [32]
La producción de tritio se reanudó con la irradiación de barras que contenían litio (en sustitución de las habituales barras de control que contenían boro , cadmio o hafnio ) en los reactores de la planta nuclear comercial Watts Bar de 2003 a 2005, seguida de la extracción de tritio de las barras en la instalación de extracción de tritio en el sitio del río Savannah a partir de noviembre de 2006. [33] [34] La fuga de tritio de las varillas 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 de 3,01604928 u . El tritio diatómico ( T 2 o 3 H 2 ) es un gas a temperatura y presión estándar . Combinado con oxígeno , forma un líquido llamado agua tritiada ( T 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 eléctricamente. Por tanto, se repelen porque cargas similares se repelen. Sin embargo, si los átomos tienen una temperatura y presión suficientemente altas (por ejemplo, en el núcleo del Sol), entonces sus movimientos aleatorios pueden superar dicha repulsión eléctrica (llamada fuerza de Coulomb ) y pueden acercarse lo suficiente para que la energía nuclear fuerte. fuerza para que surta efecto, fusionándolos en átomos más pesados.
El núcleo de tritio, que contiene un protón y dos neutrones, tiene la misma carga que el núcleo de hidrógeno ordinario y experimenta la misma fuerza electrostática de repulsión cuando se acerca a otro núcleo atómico. Sin embargo, los neutrones en el núcleo de tritio aumentan la fuerza nuclear fuerte de atracción cuando se acercan lo suficiente a otro núcleo atómico. Como resultado, el tritio puede fusionarse más fácilmente con otros átomos ligeros, en comparación con la capacidad del hidrógeno ordinario para hacerlo.
Lo mismo ocurre, aunque en menor medida, con el deuterio. Esta es la razón por la que las enanas marrones (las llamadas estrellas "fallidas" ) no pueden utilizar hidrógeno ordinario, pero sí fusionan una pequeña minoría de núcleos de deuterio.
Como 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 generado preocupación de que si el tritio se usara 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 atmosféricas que tuvieron lugar antes de la promulgación del Tratado de Prohibición Parcial de los Ensayos Nucleares resultaron inesperadamente útiles para los oceanógrafos. Los altos niveles de óxido de tritio introducidos en las capas superiores de los océanos se han utilizado desde entonces para medir la velocidad de mezcla de las capas superiores de los océanos con sus niveles inferiores.
Dado que el tritio es un emisor beta de baja energía , no es peligroso externamente (sus partículas beta no pueden penetrar la piel), [30] pero puede representar un peligro de radiación si se inhala, se ingiere a través de los alimentos o el agua, o se absorbe a través de la piel. . [38] [39] [40] [41] [42]
Los organismos pueden absorber HTO, como lo harían con H2O. [43] Las plantas convierten el HTO en tritio ligado orgánicamente (OBT) y son consumidas por los animales. El HTO se retiene en los seres humanos durante unos 12 días y una pequeña porción 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 se comprende menos que el del HTO. [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 HTO 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 e impide la bioacumulación a largo plazo de HTO en el medio ambiente. [40] [46] La vida media biológica del agua tritiada en el cuerpo humano, que es una medida del recambio de agua corporal, varía según la estación. Los estudios sobre la vida media biológica de los trabajadores sometidos a radiación ocupacional para el tritio en agua libre en una región costera de Karnataka , India, muestran que la vida media biológica en la temporada de invierno es el doble que la de la temporada de verano. [46] Si se sospecha o se conoce la exposición al tritio, beber agua no contaminada ayudará a reemplazar el tritio del cuerpo. Aumentar la sudoración, la orina o la respiración puede ayudar al cuerpo a expulsar el agua y, por tanto, el tritio que contiene. Sin embargo, se debe tener cuidado de que no se produzca deshidratación ni agotamiento de los electrolitos del cuerpo , ya que las consecuencias para la salud de estas cosas (particularmente a corto plazo) pueden ser más graves que las de la exposición al tritio.
Se ha producido una fuga de tritio en 48 de los 65 emplazamientos nucleares de Estados Unidos. En un caso, el agua filtrada contenía 7,5 microcurios (280 kBq) de tritio por litro, que es 375 veces el límite actual de la EPA para 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 curie de tritio equivalen aproximadamente a 4,207 gramos (0,1484 oz)
Según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU ., se ha descubierto que las señales de salida autoiluminadas desechadas incorrectamente en los vertederos municipales contaminan las vías fluviales. [49]
Los límites legales de tritio en el agua potable varían mucho de un país a otro. Algunas cifras se dan a continuación:
El límite estadounidense da como resultado una dosis de 4,0 milirems (o 40 microsieverts en unidades SI ) por año según la regulación 40CFR141 de la EPA, y se basa en estándares obsoletos de cálculo de dosis del Manual 69 de la Oficina Nacional de Estándares alrededor de 1963. Cuatro milirem por año son aproximadamente 1,3 % de la radiación natural de fondo (aproximadamente 3.000 μSv). A modo de comparación, la dosis equivalente del plátano (BED) se fija en 0,1 μSv, por lo que el límite legal en EE. UU. se fija 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 el Reglamento 10CFR20 de la NRC dan como resultado una dosis de 0,9 milirem (9 μSv) por año a 740 Bq/litro (20 000 pCi/litro). [40]
La tritización de candidatos a fármacos 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 ] en los cuerpos de ratas. [55]
Las partículas beta emitidas por la desintegración radiactiva de pequeñas cantidades de tritio hacen que unas sustancias químicas llamadas fósforos brillen. Esta radioluminiscencia se utiliza en dispositivos de iluminación autoalimentados 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 un variedad de otros dispositivos. [d] A partir de 2000 [update], la demanda comercial de tritio es de 400 gramos (0,88 libras) por año [11] y el costo es de 30.000 dólares por gramo (850.000 dólares/oz) [56] o más. [57]
El tritio es un componente importante de 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 la bomba es detonada para iniciar la reacción de fisión en el núcleo fisionable (pozo) de la bomba, después de que los explosivos la comprime hasta una masa crítica . Accionado por un interruptor ultrarrápido como un krytron , un pequeño acelerador de partículas impulsa iones de tritio y deuterio a energías superiores a los 15 keV , aproximadamente, necesarias 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 ellos 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 aún es pequeña en comparación con el número total de núcleos en el pozo.
Antes de la detonación, se inyectan unos pocos gramos de gas tritio-deuterio en el " pozo " hueco de plutonio o uranio fisionable. Las primeras etapas de la reacción en cadena de fisión suministran suficiente calor y compresión para iniciar la fusión deuterio-tritio; luego, tanto la fisión como la fusión proceden en paralelo, la fisión ayudando a la fusión mediante calentamiento y compresión continuos, y la fusión ayudando 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 seguir siendo crítico por sí mismo, pero los neutrones de fusión hacen que el proceso de fisión progrese más rápido y continúe por más tiempo de lo que lo haría sin impulso. El aumento del rendimiento se debe en gran medida al aumento de la fisión. La energía liberada por la propia fusión es mucho menor porque la cantidad de combustible de fusión es mucho menor. Los efectos del refuerzo incluyen:
El tritio de una ojiva sufre continuamente desintegración radiactiva, por lo que no está disponible para la fusión. Además, su producto de desintegración , el helio-3, absorbe neutrones si se expone a los emitidos por la fisión nuclear. Esto potencialmente compensa o revierte el efecto deseado del tritio, que era generar muchos neutrones libres, si se ha acumulado demasiado helio-3 debido a la desintegración del tritio. Por lo tanto, es necesario reponer periódicamente el tritio en las bombas propulsadas. 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 aproximadamente 0,20 gramos (0,0071 oz) por ojiva al año.
Un mol de gas deuterio-tritio contendría 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 en una bomba nuclear constan de aproximadamente 4,5 kilogramos (9,9 libras) 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. del exceso de neutrones canalizados desde el primario. Los neutrones liberados por 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 es comprimida por fotones del primario y la fisión de la camisa 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 cuando 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 cada vez menos neutrones energéticos (sólo fisión, fusión deuterio-tritio y7
3li
la división son productores netos de neutrones), el deuteruro de litio no se utiliza en bombas propulsadas, sino más bien en bombas de hidrógeno de múltiples etapas.
El tritio es un combustible importante para la fusión nuclear controlada en diseños de reactores de fusión de confinamiento magnético y de confinamiento inercial . La Instalación Nacional de Ignición (NIF) utiliza combustible de deuterio-tritio, y el reactor experimental de fusión ITER también lo hará. La reacción deuterio-tritio es favorable ya que tiene la sección transversal de fusión más grande (aproximadamente 5,0 barn ) y alcanza esta sección transversal máxima con la energía más baja (aproximadamente 65 keV en el centro de masa) de cualquier combustible de fusión potencial.
El Conjunto de prueba de sistemas de tritio (TSTA) era una instalación en el 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 tiene la capacidad de "delinear" las rutas biológicas, químicas y físicas a lo largo de los océanos del mundo debido a su distribución en evolución. [58] Por lo tanto, el tritio se ha utilizado como herramienta para examinar la circulación y ventilación de los océanos y, para tales fines, generalmente se mide en unidades de tritio, donde 1 TU se define como la proporción de 1 átomo de tritio a 10 18 átomos de hidrógeno, [58 ] aproximadamente igual a 0,118 Bq/litro. [59] Como se señaló anteriormente, las pruebas de armas nucleares, principalmente en las regiones de altas latitudes del hemisferio norte, a finales de los años cincuenta y principios de los sesenta introdujeron grandes cantidades de tritio en la atmósfera, especialmente en la estratosfera . Antes de estas pruebas nucleares, sólo había entre 3 y 4 kilogramos de tritio en la superficie de la Tierra; pero estas cantidades aumentaron en 2 o 3 órdenes de magnitud durante el período posterior a la prueba. [58] Algunas fuentes informaron que los niveles de fondo naturales fueron excedidos en aproximadamente 1.000 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. [60] Los niveles atmosféricos estimados en el momento álgido de las pruebas de armas se aproximarán a las 1.000 TU y los niveles de agua de lluvia previos a la lluvia estarán entre 5 y 10 TU. [61] En 1963, la isla de Valentia en Irlanda registró 2.000 TU de precipitación. [62]
Mientras estaba en la estratosfera (período posterior a la prueba), el tritio interactuó y se oxidó a las moléculas de agua y estuvo presente en gran parte de las precipitaciones producidas rápidamente, lo que convirtió al tritio en una herramienta de pronóstico para estudiar la evolución y estructura del ciclo hidrológico , así como la Ventilación y formación de masas de agua en el Océano Atlántico Norte. [58]
Se utilizaron datos de bombas de tritio del programa Transient Tracers in the Ocean (TTO) para cuantificar las tasas de reabastecimiento y vuelco de las aguas profundas ubicadas en el Atlántico Norte. [63]
El tritio bomba también ingresa a las profundidades del océano alrededor de la Antártida. [64] La mayor parte del agua tritiada por bombas (HTO) en toda la atmósfera puede ingresar al océano a través de los siguientes procesos:
Estos procesos hacen de HTO un excelente rastreador para escalas de tiempo de hasta algunas décadas. [63]
Utilizando los datos de estos procesos para 1981, la isosuperficie de 1 TU se encuentra entre 500 y 1000 metros de profundidad en las regiones subtropicales y luego se extiende hasta 1500-2000 metros al sur de la Corriente del Golfo debido a la recirculación y ventilación en la parte superior del Océano Atlántico. . [58] Hacia el norte, la isosuperficie se profundiza y alcanza el suelo de la llanura abisal , que está directamente relacionada con la ventilación del fondo del océano en escalas de tiempo de 10 a 20 años. [58]
También es evidente en el Océano Atlántico el perfil de tritio cerca de las Bermudas entre finales de los años 1960 y finales de los 1980. Hay una propagación descendente del máximo de tritio desde la superficie (década de 1960) hasta 400 metros (década de 1980), lo que corresponde a una tasa de profundización de aproximadamente 18 metros por año. [58] También hay aumentos de tritio a 1.500 metros de profundidad a finales de la década de 1970 y a 2.500 metros a mediados de la década de 1980, los cuales corresponden a eventos de enfriamiento en las aguas profundas y a la ventilación asociada en aguas profundas. [58]
A partir de un estudio realizado en 1991, el perfil de tritio se utilizó como herramienta para estudiar la mezcla y dispersión de las aguas profundas del Atlántico Norte (NADW) recién formadas, correspondientes a aumentos de tritio a 4 TU. [63] Esta NADW tiende a desbordarse sobre los umbrales que dividen el Mar de Noruega del Océano Atlántico Norte y luego fluye hacia el oeste y hacia el ecuador en profundas corrientes fronterizas. Este proceso se explicó a través de la distribución de tritio a gran escala en las profundidades del Atlántico Norte entre 1981 y 1983. [63] El giro subpolar tiende a ser refrescado (ventilado) por la NADW y está directamente relacionado con los altos valores de tritio (> 1,5 UT). También fue evidente la disminución del tritio en la corriente fronteriza occidental profunda en 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 y recirculación turbulentas. [63]
En un estudio de 1998, se tomaron muestras de las concentraciones de tritio en la superficie del agua de mar y en 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. . [65] Los resultados indicaron que la concentración de tritio en el agua de mar superficial era más alta en la Bahía de Fremantle (aproximadamente 0,40 Bq/litro), lo que podría acreditarse a la mezcla de escorrentía de agua dulce de tierras cercanas debido a las grandes cantidades encontradas en las aguas costeras. [65] Por lo general, se encontraron concentraciones más bajas entre 35 y 45 grados de latitud 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 las bombas en el Océano Índico . En cuanto al vapor de agua, la concentración de tritio fue aproximadamente un orden de magnitud mayor que las concentraciones del agua de mar en la superficie (entre 0,46 y 1,15 Bq/litro). [65] Por lo tanto, el tritio del vapor de agua no se ve afectado por la concentración del agua de mar en la superficie; 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). [sesenta y cinco]
En el Océano Pacífico Norte , el tritio (introducido como tritio bomba en el hemisferio norte) se difunde en tres dimensiones. Hubo máximos subsuperficiales en las regiones de latitud media y baja, lo que es indicativo de procesos de mezcla lateral (advección) y difusión a lo largo de líneas de densidad potencial constante ( isopicnales ) en la parte superior del océano. [66] Algunos de estos máximos incluso se correlacionan bien con los extremos de salinidad . [66] Para obtener la estructura de la circulación oceánica, se mapearon las concentraciones de tritio en 3 superficies de densidad potencial constante (23,90, 26,02 y 26,81). [66] Los resultados indicaron que el tritio estaba bien mezclado (de 6 a 7 TU) en el isopicnal 26,81 en el giro ciclónico subártico y parecía haber un intercambio lento de tritio (en relación con los isopicnales menos profundos) entre este giro y el anticiclónico. giro hacia el sur; Además, el tritio de 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. [66]
La penetración profunda del tritio de la bomba se puede separar en tres capas distintas:
Las consecuencias nucleares de las pruebas de armas de la Guerra Fría se asentaron en los Estados Unidos en todo el sistema del río Mississippi . 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. [67] 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 tuvieron 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 Mississippi: el río Ohio (la mayor entrada al flujo del río Mississippi), el río Missouri y el río Arkansas . [67] Las concentraciones más altas 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 las precipitaciones debido a las pruebas de bombas nucleares en 1962. Las concentraciones más altas en general ocurrieron en el río Missouri (1963) y fueron superiores a 1.200 UT, mientras que las concentraciones más bajas se encontraron en el río Arkansas (nunca superiores a 850 UT y menos de 10 UT a mediados de los años 1980). [67]
Se pueden identificar varios procesos utilizando los datos de tritio de los ríos: escorrentía directa y salida de agua de depósitos de agua subterránea. [67] Utilizando 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:
Para el río Ohio, los datos sobre tritio indicaron que alrededor del 40% del flujo estaba compuesto por precipitaciones con tiempos de residencia de menos de un año (en la cuenca de Ohio) y las aguas más antiguas consistían en tiempos de residencia de aproximadamente diez años. [67] Por lo tanto, los cortos tiempos de residencia (menos de un año) correspondieron al componente de "flujo rápido" del modelo de mezcla de dos miembros. En cuanto al río Missouri, los resultados indicaron que los tiempos de residencia fueron de aproximadamente cuatro años con un componente de flujo rápido de alrededor del 10% (estos resultados se deben a la serie de represas en el área del río Missouri). [67]
En cuanto al flujo masivo de tritio a través del cauce principal del río Mississippi hacia el Golfo de México , los datos indicaron que aproximadamente 780 gramos de tritio fluyeron desde el río hacia el Golfo entre 1961 y 1997, [67] un promedio de 21,7 gramos/año y 7,7 PBq/año. Los flujos de corriente a través del río Mississippi son de 1 a 2 gramos por año, en comparación con los flujos del período previo a la bomba de aproximadamente 0,4 gramos por año. [67]
