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Articulo de referencia

Tritio

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Modelo representativo de un átomo de tritio.

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 12,32 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 del hidrógeno ligado a partículas . Es uno de los pocos nucleidos con un nombre propio. El uso del nombre hidrógeno-3, aunque más sistemático, es mucho menos común. 

El tritio natural es extremadamente raro en la Tierra. La atmósfera contiene solo cantidades ínfimas, formadas por la interacción de sus gases con los rayos cósmicos . Puede producirse artificialmente mediante la irradiación de litio o guijarros cerámicos que contienen litio en un reactor nuclear y es un subproducto poco abundante en el funcionamiento normal 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 de novedad como llaveros autoiluminados. Se emplea en el ámbito médico y científico como trazador radiactivo . El tritio también se utiliza como combustible de fusión nuclear , junto con el deuterio , más abundante , en reactores tokamak y es un componente vital en las bombas de hidrógeno . Asimismo, el tritio se ha utilizado comercialmente en dispositivos betavoltaicos, como las baterías de nanotritio .

Historia

El tritio fue detectado por primera vez en 1934 por Ernest Rutherford , Mark Oliphant y Paul Harteck tras bombardear deuterio con deuterones (núcleos de deuterio). El deuterio es otro isótopo del hidrógeno (de masa 2), que se encuentra de forma natural con una abundancia del 0,015 %. [ 4 ] [ 5 ] Su experimento no logró aislar el tritio, lo cual fue conseguido por primera vez en 1939 por Luis Alvarez y Robert Cornog , quienes también se percataron de la radiactividad del tritio. [ 6 ] [ 7 ] Willard Libby reconoció en 1954 que el tritio podía utilizarse para la datación radiométrica del agua y el vino . [ 8 ]

Decadencia

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 transportada por el antineutrino electrónico casi indetectable . Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo unos 6 mm (0,24 in) de aire, y son incapaces de pasar a través de la capa más externa muerta de la piel humana. [ 9 ] 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 intentos de medición absoluta de la masa del neutrino , ninguno de los cuales ha tenido éxito todavía.    

La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el uso de recuento por centelleo líquido .

Producción

Litio

El tritio se produce con mayor frecuencia en reactores nucleares mediante la activación neutrónica del litio-6 . La liberación y difusión de tritio y helio producidos por la fisión del litio pueden tener lugar dentro de cerámicas conocidas como 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 barns para neutrones térmicos . Esta es una reacción exotérmica , que produce 4,8 MeV . [ 10 ] En comparación, la fusión de deuterio con tritio libera aproximadamente 17,6 MeV. Para aplicaciones en reactores de energía de fusión propuestos, como ITER , se están desarrollando guijarros compuestos de cerámicas que contienen litio, incluyendo Li₂TiO₃ y Li₄SiO₄ , para la reproducción de tritio dentro de un lecho de guijarros refrigerado por helio, también conocido como manto reproductor. [ 11 ]  

6 3 Li+n→ 4 2 He(2,05 MeV) + 3 1 H(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. [ 12 ] Antes de esta prueba, se asumió incorrectamente que 7 3 Li absorbería un neutrón para convertirse en 8 3 Li , que se desintegraría beta a 8 4 Be , que a su vez se desintegraría en dos núcleos de 4 2 He en un lapso de tiempo total mucho más largo que la duración de la explosión.

7 3 Li+n→ 4 2 Él+ 3 1 H+n

Los neutrones ralentizados de esta reacción aún pueden reaccionar con 6 3 Li en la primera reacción exotérmica; por lo tanto, el litio puede generar más átomos de tritio que neutrones absorbidos.

Boro

Los neutrones de alta energía que irradian boro-10 también producen ocasionalmente tritio: [ 13 ]

10 5 B+ n → 2 4 2 He+ 3 1 H

Un resultado más común de la captura de neutrones del boro-10 es 7 Li y una sola partícula alfa . [ 14 ]

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 agente de ajuste químico produce cantidades pequeñas, pero no despreciables, de tritio.

Deuterio

El tritio también se produce en reactores moderados por agua pesada cuando un núcleo de deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una sección transversal de absorción 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 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 aproximadamente 2,5 kg (5,5 lb) de tritio, haciéndolo disponible para otros usos. [ 15 ] 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 Central Nuclear de Generación de Darlington de 3512 MW 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 aproximadamente 2 kilogramos (4,4 lb) por año. [ 16 ]      

La sección transversal de absorción del deuterio para neutrones térmicos es de aproximadamente 0,52 milibarn , mientras que la del oxígeno-16 ( ¹⁶O ) es de aproximadamente 0,19 milibarn y la del oxígeno-17 ( ¹⁷O ) es de aproximadamente 240 milibarn. Si bien el ¹⁶O es , con mucho, el isótopo de oxígeno más común tanto en el oxígeno natural como en el agua pesada, dependiendo del método de separación isotópica , el agua pesada puede ser ligeramente más rica en ¹⁷O y ¹⁸O . Debido a las reacciones de captura de neutrones y (n, α ) (esta última produce ¹⁴C , un emisor beta de larga vida indeseable, a partir del ¹⁷O ), 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 el tritio también eliminan (o al menos reducen el contenido de) 17O y 18O , que pueden utilizarse, al menos en principio, para el marcaje isotópico .

India, que también cuenta con una gran flota de reactores de agua pesada presurizada (inicialmente con tecnología CANDU, pero posteriormente adaptada y desarrollada con tecnología IPHWR ), también elimina al menos parte del tritio producido en el moderador/refrigerante de sus reactores, pero debido al doble uso del tritio y al programa indio de bombas nucleares, hay menos información pública disponible al respecto que para Canadá.

Fisión

El tritio es un producto poco común de la fisión nuclear del uranio-235 , plutonio-239 y uranio-233 (por fisión ternaria ), con una producción de aproximadamente un átomo por cada 10⁴ fisiones , [ 17 ] [ 18 ] lo que significa que, de hecho, se produce en todos los reactores. La liberación o recuperación de tritio debe considerarse en la operación de 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. Se descarga a la atmósfera en pequeñas cantidades por algunas centrales nucleares. [ 19 ] 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 solo se desecha y no se utiliza, tiene el potencial de reducir la contaminación por tritio en el agua utilizada, disminuyendo la radiactividad liberada cuando se descarga el agua, ya que el agua tritiada no se puede separar del agua "ordinaria" excepto mediante la separación de isótopos.

Dada la actividad específica del tritio de 9.650 curies por gramo (357 TBq/g) , un TBq equivale aproximadamente a 2,8 mg. 

Fukushima Daiichi

En junio de 2016, el Grupo de Trabajo sobre Agua Tritiada publicó un informe [ 22 ] sobre el estado del tritio en el agua tritiada en la central nuclear de Fukushima Daiichi , como parte del análisis de las opciones para la disposición final del agua de refrigeración contaminada almacenada. Este informe identificó que la concentración 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 m³ de agua almacenada. Este informe también identificó la disminución de la concentración de tritio en el agua extraída de los edificios , etc., para su almacenamiento, observándose una reducción de diez veces durante los cinco años considerados (2011-2016), de 3,3 MBq/L a 0,3 MBq/L (después de la corrección por la desintegración anual del 5 % del tritio).      

Según un informe de un panel de expertos que consideró el mejor enfoque para abordar este problema, " el tritio podría separarse teóricamente , pero no existe una tecnología de separación práctica a escala industrial. Por consiguiente, se dice que una liberación ambiental controlada es la mejor manera de tratar el agua con baja concentración de tritio". [ 23 ] 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. [ 24 ] Todo el proceso tardará "décadas" en completarse. [ 25 ] China reaccionó con protestas. [ 26 ] [ 27 ] 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. [ 28 ]

Helio-3

El helio-3, producto de la desintegración del tritio, tiene una sección transversal muy grande (5330 barns) para reaccionar con neutrones térmicos , expulsando un protón; por lo tanto, se convierte rápidamente de nuevo en tritio en los reactores nucleares . [ 29 ]

3 2 He+ n → 1 1 H+ 3 1 H

Esto permitiría reciclar el tritio a medida que se desintegra, manteniendo así el nivel de inventario deseado.

rayos cósmicos

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 [ 30 ] ) interactúa con el nitrógeno atmosférico : 

14 7 N+ n → 12 6 C+ 3 1 H

A nivel mundial, la producción de tritio a partir de fuentes naturales es de aproximadamente 4 megacurios (148  PBq) por año. El inventario global de equilibrio de tritio creado por fuentes naturales se mantiene aproximadamente constante en 70 megacurios (2590  PBq), como resultado del equilibrio entre la tasa de producción fija y la desintegración nuclear. [ 31 ] Estos valores pueden considerarse como 415 g y 7250 g, respectivamente.

Historial de producción

EE.UU

El tritio para las armas nucleares estadounidenses se producía en reactores especiales de agua pesada en el emplazamiento de Savannah River hasta su cierre en 1988. Con el Tratado de Reducción de Armas Estratégicas (START) tras el fin de la Guerra Fría , las reservas existentes fueron suficientes durante algún tiempo para el nuevo número, menor, de armas nucleares.

Se produjeron 225 kg (496 lb) de tritio en los Estados Unidos entre 1955 y 1996. [ a ] ​​Dado que se desintegra continuamente en helio-3, la cantidad total restante era de aproximadamente 75 kg (165 lb) en el momento del informe, [ 32 ] [ 12 ] y de aproximadamente 16 kg (35 lb) en 2023. [ 33 ]      

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 central nuclear comercial Watts Bar desde 2003 hasta 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. [ 34 ] [ 35 ] La fuga de tritio de las barras durante las operaciones del reactor limita el número que se puede utilizar en cualquier reactor sin exceder los niveles máximos permitidos de tritio en el refrigerante. [ 36 ]

Propiedades

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, que tiene 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). [ 37 ]

La actividad específica del tritio es de 9650 curies por gramo (3,57 × 10 14 Bq /g) . [ 38 ] 

El tritio ocupa un lugar destacado en los estudios de fusión nuclear debido a su favorable sección transversal de reacción y a la gran cantidad de energía (17,6  MeV) producida a través de su reacción con el deuterio:

3 1 H+ 2 1 H→ 4 2 He+n

Todos los núcleos atómicos tienen una carga positiva proveniente de sus protones y, por lo tanto, se repelen entre sí debido a que las cargas iguales se repelen ( ley de Coulomb ). Sin embargo, si los átomos se encuentran a una temperatura y presión suficientemente altas (por ejemplo, en el núcleo del Sol), sus movimientos aleatorios pueden superar dicha repulsión y acercarse lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte actúe, 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 al acercarse a otro núcleo. Sin embargo, los neutrones del tritón aumentan la fuerza nuclear fuerte de atracción cuando se encuentra lo suficientemente cerca de otro núcleo. Como resultado, el tritio puede fusionarse más fácilmente con otros átomos ligeros que el hidrógeno ordinario.

Lo mismo ocurre, aunque en menor medida, con el deuterio. Por eso, las enanas marrones ( estrellas "fallidas" ) no pueden fusionar hidrógeno normal, pero sí fusionan una pequeña minoría de núcleos de deuterio.

Los viales de tritio radioluminiscentes de 1,8 curies (67 GBq ) y 152,4 mm × 5,1 mm (6 × 0,2 pulgadas ) son viales de vidrio delgados, rellenos de gas tritio, cuyas superficies internas están recubiertas de fósforo . El vial que se muestra aquí es completamente nuevo.    

Al igual que los demás isótopos del hidrógeno , el tritio es difícil de confinar. El caucho, el plástico y algunos tipos de acero son parcialmente permeables. Esto ha generado preocupación, ya que si se utilizara tritio en grandes cantidades, especialmente en reactores de fusión , podría contribuir a la contaminación radiactiva , aunque su corta vida media debería impedir una acumulación significativa a largo plazo en la atmósfera.

Los elevados niveles de pruebas de armas nucleares atmosféricas que tuvieron lugar antes de la entrada en vigor del Tratado de Prohibición Parcial de 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 desde entonces para medir la tasa de mezcla de dichas capas con las inferiores.

Riesgos para la salud

Dado que el tritio es un emisor beta (β) de baja energía , no es peligroso externamente (sus partículas β no pueden penetrar la piel), [ 31 ] pero puede ser un riesgo de radiación si se inhala, se ingiere a través de alimentos o agua, o se absorbe a través de la piel. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Los organismos pueden absorber 3 1 H HO, como lo harían con H 2 O. [ 44 ] Las plantas convierten 3 1 H HO en tritio orgánicamente ligado (OBT), que es consumido por los animales. El 3 1 H HO se retiene en los humanos durante aproximadamente 12 días, y una pequeña porción permanece en el cuerpo como OBT. [ 45 ] El tritio puede transmitirse 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 3 1 H HO. [ 45 ] 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 manifestarse en generaciones posteriores. [ 46 ]

3 1 HHO tiene unavida media biológicaen el cuerpo humano de 7 a 14 días, lo que reduce los efectos totales de la ingestión de un solo incidente y evitala bioacumulaciónde 3 1 HHO del medio ambiente. [ 41 ] [ 47 ] La vida media biológica del agua tritiada en el cuerpo humano, que es una medida del recambio de agua corporal, varía con la estación. Estudios sobre la vida media biológica de trabajadores con radiación ocupacional para el tritio libre en el agua en una región costera deKarnataka, India, muestran que la vida media biológica en invierno es el doble que en verano. [ 47 ] Si se sospecha o se sabe que se ha estado expuesto 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 el agua y, por lo tanto, el tritio que contiene. Sin embargo, debe tenerse cuidado de que nodeshidrataciónelectrolitosdel cuerpo, ya que lasconsecuencias para la salud de estas situaciones(sobre todo a corto plazo) pueden ser más graves que las de la exposición al tritio.

Contaminación ambiental

Se han producido fugas de tritio en 48 de los 65 emplazamientos nucleares de EE. UU. En un caso, el agua filtrada contenía 7,5 microcuries (280 kBq) de tritio por litro, lo que equivale a 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 . [ 48 ] Esto es equivalente 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 Los 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. [ 49 ] 40.600 Ci (1.500.000 GBq) de tritio pesan alrededor de 4,207 gramos (0,1484 oz) .                 

Límites reglamentarios

Los límites legales de tritio en el agua potable varían considerablemente de un país a otro. A continuación se presentan algunas cifras:

El límite establecido en Estados Unidos 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 Estándares, de alrededor de 1963. Cuatro milirems por año representan aproximadamente el 1,3 % de la radiación de fondo natural promedio (~3 mSv ). 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). [ 41 ]       

Usar

Ensayos radiométricos en biología y medicina

Tritiación parcial de piridina ( C₅H₅N ) . El catalizador no se muestra.

La tritiación de fármacos candidatos permite un análisis detallado de su absorción y metabolismo . [ 55 ] 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 [ 3 H] retinilo a través de los cuerpos de ratas. [ 56 ]

Iluminación autoalimentada

Reloj militar suizo con esfera iluminada con tritio.

Las partículas beta de pequeñas cantidades de tritio hacen que ciertos compuestos químicos llamados fósforos emitan luz. Esta radioluminiscencia se utiliza en dispositivos de iluminación autoalimentados llamados luces beta , que se emplean 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 del año 2000La demanda comercial de tritio es de 400 gramos (0,88 lb) por año [ 12 ] y el costo es de $30.000 por gramo ($850.000/oz) [ 57 ] o más. [ 58 ] 

armas nucleares

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 " potenciación ", así como en los iniciadores de neutrones externos para dichas armas.

Iniciador de neutrones

Estos son dispositivos incorporados en 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 este es comprimido a una masa crítica por explosivos. Accionado por un interruptor ultrarrápido como un krytrón , un pequeño acelerador de partículas impulsa iones de tritio y deuterio a energías superiores a los 15 keV aproximadamente necesarios para la fusión deuterio-tritio y los dirige hacia un blanco metálico donde el tritio y el deuterio se adsorben como hidruros . Los neutrones de fusión de alta energía resultantes de la fusión irradian en todas direcciones. Algunos de estos impactan los núcleos de plutonio o uranio en el pozo primario, iniciando una reacción en cadena nuclear . 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 requerirían muchas más generaciones de reacción en cadena, aunque sigue siendo pequeña en comparación con el número total de núcleos en el pozo. 

Impulsar

Antes de la detonación, se inyectan unos pocos gramos de gas tritio-deuterio en el hueco del material fisionable. 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 proceden en paralelo, la fisión asistiendo a la fusión mediante calentamiento y compresión continuos, y la fusión asistiendo a la fisión con neutrones de alta energía (14,1 MeV ). A medida que el combustible de fisión se agota y también explota hacia afuera, su densidad cae por debajo de la necesaria para mantenerse crítico por sí mismo, pero los neutrones de fusión hacen que el proceso de fisión progrese más rápido y continúe durante más tiempo que sin el impulso. El aumento del rendimiento 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 impulso incluyen: 

  • mayor rendimiento (para la misma cantidad de combustible de fisión, en comparación con el sistema sin potenciación)
  • la posibilidad de un rendimiento variable al variar la cantidad de combustible de fusión
  • lo que permite que la bomba requiera una menor cantidad del costoso material fisionable.
  • eliminando el riesgo de predetonación por explosiones nucleares cercanas
  • Requisitos menos estrictos en la configuración de la implosión, lo que permite utilizar una cantidad menor y más ligera de explosivos de alta potencia.

El tritio en una ojiva sufre continuamente desintegración radiactiva, volviéndose no disponible para la fusión. Además, su producto de desintegración , el helio-3, absorbe neutrones. Esto puede contrarrestar o revertir el efecto previsto del tritio, que era generar muchos neutrones libres, si se acumula demasiado helio-3. Por lo tanto, las bombas potenciadas necesitan tritio nuevo periódicamente. La cantidad estimada necesaria es de 4 gramos (0,14 oz) por ojiva. [ 12 ] 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 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 en una bomba nuclear consisten en aproximadamente 4,5 kilogramos (9,9 lb) de plutonio-239 .    

Tritio en los residuos secundarios de las bombas de hidrógeno

Dado que el tritio sufre desintegración radiactiva y, además, 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 fisión en un arma termonuclear ( etapa Teller-Ulam ), la bujía , un cilindro de 235U / 239Pu en el centro de la(s) etapa(s) de fusión, comienza a fisionarse en una reacción en cadena, a partir de los neutrones excedentes canalizados desde la etapa primaria. 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 se comprime por los fotones de la etapa primaria y la fisión de la cubierta de 238U o 238U / 235U que la rodea. Por lo tanto, la etapa de fusión genera su propio tritio al detonar el dispositivo. En el calor y la presión extremos de la explosión, parte del tritio se fusiona 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 de menor energía (solo la fisión y la fusión son productoras netas de neutrones), el deuteruro de litio no se utiliza en bombas de alta potencia, sino en bombas de hidrógeno multietapa.

Fusión nuclear controlada

El tritio es un combustible importante para la fusión nuclear controlada, tanto en reactores de fusión por confinamiento magnético como por confinamiento inercial . La Instalación Nacional de Ignición (NIF) utiliza combustible de deuterio-tritio, y el reactor de fusión experimental ITER también lo hará. La reacción deuterio-tritio es favorable, ya que posee la mayor sección transversal de fusión (aproximadamente 5,0 barns ) y alcanza esta sección transversal máxima a la menor energía (aproximadamente 65 keV en el centro de masas) de cualquier combustible de fusión potencial. Dado que el tritio es muy escaso en la Tierra, los conceptos para reactores de fusión suelen incluir la generación 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 y completar el ciclo del combustible. [ 59 ]  

El Ensamblaje de Pruebas de Sistemas de Tritio (TSTA, por sus siglas en inglés) era una instalación en el Laboratorio Nacional de Los Alamos dedicada al desarrollo y la demostración de las tecnologías necesarias para el procesamiento de deuterio-tritio relevante para la fusión nuclear.

Fuente de energía eléctrica

El tritio se puede utilizar en un dispositivo betavoltaico para crear una batería atómica que genere electricidad .

Uso en tubos electrónicos

El tritio se utiliza en varios tubos electrónicos, como el tubo luminiscente Zellweger ZE22/3 . Estos dispositivos contienen una pequeña cantidad de tritio para ionizar el gas de relleno, generalmente un gas noble como el neón o el argón . Esta ionización garantiza un funcionamiento fiable y constante al proporcionar una corriente estable cuando se aplica un alto voltaje, lo que mejora el rendimiento y la estabilidad del dispositivo. El tritio está sellado dentro de una envoltura de vidrio con dos electrodos, uno de los cuales está recubierto con el material radiactivo para crear una trayectoria iónica entre ellos. [ 60 ]

Utilizar como trazador transitorio oceánico

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. [ 61 ] El tritio se ha utilizado como herramienta para examinar la circulación y ventilación oceánicas 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, [ 61 ] igual a aproximadamente 0,118 Bq/litro. [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] 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 mucho 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. [ 61 ] Algunas fuentes informaron que los niveles de fondo naturales fueron superados 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. [ 65 ] Se estima que los niveles atmosféricos en el punto máximo de las pruebas de armas se acercaron a 1000  TU y los niveles de agua de lluvia previos a la lluvia fueron entre 5 y 10  TU. [ 66 ] En 1963, la isla de Valentia, Irlanda, registró 2000  TU en precipitación. [ 67 ]

Océano Atlántico Norte

Mientras se encontraba en la estratosfera (periodo posterior a la prueba), el tritio interactuó con las moléculas de agua y se oxidó a ellas, estando 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. [ 61 ]

Se utilizaron datos de tritio de bombas del programa Trazadores Transitorios en el Océano (TTO) para cuantificar las tasas de reposición y circulación de las aguas profundas ubicadas en el Atlántico Norte. [ 68 ]

El tritio de las bombas también llega a las profundidades oceánicas alrededor de la Antártida. [ 69 ] La mayor parte del agua tritiada por las bombas (H 3 HO) en toda la atmósfera puede llegar al océano a través de los siguientes procesos:

Estos procesos hacen que el H 3 HO sea un buen trazador para escalas de tiempo de hasta unas pocas décadas. [ 68 ]

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. [ 61 ] Hacia el norte, la isosuperficie se profundiza y alcanza el fondo de la llanura abisal , que está directamente relacionada con la ventilación del fondo oceánico en  escalas de tiempo de 10 a 20 años. [ 61 ]

También es evidente en el océano Atlántico el perfil de tritio cerca de las Bermudas entre finales de la década de 1960 y finales de la de 1980. Hay una propagación descendente del máximo de tritio desde la superficie (década de 1960) hasta los 400  metros (década de 1980), lo que corresponde a una tasa de profundización de unos 18  metros por año. [ 61 ] También hay aumentos de tritio a 1500  m de profundidad a finales de la década de 1970 y a 2500  m a mediados de la década de 1980, ambos correspondientes a eventos de enfriamiento en aguas profundas y ventilación de aguas profundas asociada. [ 61 ]

A partir de un estudio de 1991, el perfil de tritio se utilizó como herramienta para estudiar la mezcla y dispersión de la recién formada Agua Profunda del Atlántico Norte (NADW), correspondiente a aumentos de tritio de hasta 4  TU. [ 68 ] 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 corrientes de contorno profundas. Este proceso se explicó mediante la distribución de tritio a gran escala en el Atlántico Norte profundo entre 1981 y 1983. [ 68 ] El giro subpolar tiende a ser endulzado (ventilado) por la NADW y está directamente relacionado con los altos valores de tritio (>1,5  TU). También fue evidente la disminución del tritio en la corriente de contorno 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 turbulenta y la recirculación. [ 68 ]

océanos Pacífico e Índico

En un estudio de 1998,  se tomaron muestras de concentraciones de tritio en agua de mar superficial y vapor de agua atmosférico (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 . [ 70 ] 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 aguas costeras. [ 70 ] Típicamente, 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 desintegración 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 en el agua de mar superficial (que oscilaron entre 0,46 y 1,15  Bq/L). [ 70 ] Por lo tanto, el tritio del vapor de agua no se ve afectado por la concentración en el agua de mar superficial; así, 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 consiguiente, el aire oceánico mostró una dependencia del cambio latitudinal). [ 70 ]

En el Océano Pacífico Norte , el tritio (introducido como tritio de bomba en el hemisferio norte) se extendió 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 ( isopicnas ) en la superficie del océano. [ 71 ] Algunos de estos máximos incluso se correlacionan bien con extremos de salinidad . [ 71 ] 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). [ 71 ] Los resultados indicaron que el tritio estaba bien mezclado (entre 6 y 7  TU) en la isopicna de 26,81 en el giro ciclónico subártico y parecía haber un intercambio lento de tritio (en relación con isopicnas menos profundas) entre este giro y el giro anticiclónico al sur; además, el tritio en las superficies de 23,90 y 26,02 parecía intercambiarse a una velocidad menor entre el giro central del Pacífico Norte y las regiones ecuatoriales. [ 71 ]

La profundidad de penetración del tritio de las bombas se puede dividir en tres capas distintas:

Capa 1
La capa 1 es la capa menos profunda e incluye la capa ventilada más profunda en invierno; ha recibido tritio a través de la lluvia radiactiva y ha perdido parte debido a la advección y/o difusión vertical, y contiene aproximadamente el 28% de la cantidad total de tritio. [ 71 ]
Capa 2
La capa 2 se encuentra debajo de la primera capa pero por encima de la isopicna 26,81 y ya no forma parte de la capa mixta. Sus dos fuentes son la difusión descendente desde la capa mixta y las expansiones laterales que afloran a los estratos (hacia el polo); contiene aproximadamente el 58 % del tritio total. [ 71 ]
Capa 3
La capa 3 es representativa de aguas que son más profundas que la isopicna del afloramiento y solo pueden recibir tritio a través de difusión vertical; contiene el 14% restante del tritio total. [ 71 ]

sistema del río Misisipi

Cantidades traza de materiales radiactivos provenientes de pruebas de armas atómicas se depositaron en todo el sistema del río Misisipi . Las concentraciones de tritio se han utilizado para comprender los tiempos de residencia de sistemas hidrológicos continentales como lagos, arroyos y ríos. [ 72 ] En un estudio de 2004, se consideraron 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 (el mayor aporte al caudal del río Misisipi), el río Misuri y el río Arkansas . [ 72 ] Las concentraciones más altas de tritio se encontraron en 1963 en diversas ubicaciones a lo largo de estos ríos. El pico se correlaciona con la implementación del tratado de prohibición de pruebas atmosféricas entre Estados Unidos y la Unión Soviética en 1962. Las concentraciones más altas en general ocurrieron en el río Misuri (1963) y fueron mayores de 1200  TU, mientras que las concentraciones más bajas se encontraron en el río Arkansas (nunca mayores de 850  TU y menores de 10  TU a mediados de la década de 1980). [ 72 ]

En cuanto al flujo de masa de tritio a través del cauce principal del río Misisipi hacia el Golfo de México , los datos indicaron que aproximadamente 780  gramos de tritio fluyeron del río al Golfo entre 1961 y 1997, [ 72 ] 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 las pruebas nucleares, que eran de aproximadamente 0,4  gramos por año. [ 72 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ La producción total de tritio en EE. UU. desde 1955 ha sido de aproximadamente 225 kilogramos, de los cuales se estima que 150 kilogramos se han desintegrado en helio-3, dejando un inventario actual de aproximadamente 75 kg de tritio. — Zerriffi y Scoville (1996) [ 32 ]
  2. ↑ Basado en el cálculo del Informe 30 de la ICRP:1,8 × 10 −11  Sv/Bq ,730  L/a ,1 × 10 6  μSv/Sv ; citado en [ 51 ]
  3. ↑ Esta cifra se deriva de la dosis de referencia de 1 mSv por año de todas las fuentes de radiación en el agua potable en las Directrices Australianas para el Agua Potable 6, suponiendo que el tritio es el único radionúclido presente en el agua. [ 52 ]
  4. ↑ El tritio ha sustituido a la pintura radioluminiscente que contiene radio en esta aplicación. La exposición al radio provoca cáncer de hueso y su uso ocasional está prohibido en la mayoría de los países desde hace décadas.

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  33. ↑ Han pasado 27 años desde 1996, es decir, 2,25 vidas medias, lo que reduce los 75 kg de 1996 a 75/2^(2,25) ≈15,8 kg.
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