トリチウム

トリチウム
一般的な
シンボル3時間
名前トリチウム、
水素3、T 、3T
陽子 （Z）1
中性子 （N）2
核種データ
自然の豊かさ水素では10 −18 [1]
半減期 （t 1/2）12.32年[2]
同位体質量3.01604928 [3] ダ
スピン⁠1/2⁠  ħ
余剰エネルギー14,949 .794 ± 0.001 keV​
結合エネルギー8 481 .7963 ± 0.0009 keV
崩壊生成物3彼
減衰モード
減衰モード崩壊エネルギー( MeV )
ベータ放出0.018592 [3]
水素の同位体
核種の完全な表

トリチウム（古代ギリシャ語 のτρίτος (trítos)  「第3の」に由来）または水素3（記号Tまたは3H）は、半減期が12.32年の希少な放射性水素同位体です。トリチウム原子核 （t、トリトンと呼ばれることもある）には陽子1個と中性子2個が含まれますが、一般的な同位体である水素1（プロチウム）の原子核には陽子1個と中性子は含まれず、非放射性の水素2（重水素）の原子核には陽子1個と中性子1個が含まれます。トリチウムは、水素の最も重い粒子結合同位体です。明確な名前を持つ数少ない核種の1つです。水素3という名称は、より体系的ではありますが、あまり一般的ではありません。

地球上で天然に存在するトリチウムは極めて稀です。大気中には微量しか存在せず、これは大気中のガスと宇宙線の反応によって生成されます。人工的には、原子炉内でリチウムまたはリチウム含有セラミックペブルを照射することで生成され、原子炉の通常運転中に微量に副産物として生成されます。

トリチウムは、時計の蛍光灯、銃器の暗視装置、様々な器具や工具、そして自発光キーホルダーなどのノベルティグッズのエネルギー源として使用されています。医療・科学分野では放射性トレーサーとして使用されています。また、トリチウムは、より豊富な重水素と共に、トカマク炉や水素爆弾の核融合燃料としても使用されています。さらに、ナノトリチウム電池などのベタボルタ電池にも商業的に利用されています。

歴史

トリチウムは、1934年にアーネスト・ラザフォード、マーク・オリファント、ポール・ハーテックによって、重水素に重陽子（重水素原子核）を衝突させた際に初めて検出されました。重水素は水素の同位体（質量2）であり、自然界に0.015%存在しています。 [4] [5]彼らの実験ではトリチウムを単離することはできませんでしたが、1939年にルイス・アルバレスとロバート・コルノグによって初めて単離に成功し、彼らもトリチウムの放射能に気づきました。[6] [7] ウィラード・リビーは1954年に、トリチウムが水とワインの放射年代測定に使用できることを認識しました。[8]

減衰

トリチウムは、次の原子核方程式に示すように、ベータマイナス崩壊によってヘリウム 3に崩壊します。

3
1H 		→ 3
2彼 		+ e−
 		+ ν
e

ニュートリノの質量は、ニュートリノの質量の約1/3に減少します。この過程で18.6  keVのエネルギーが放出されます。電子の運動エネルギーは平均5.7 keVで変動し、残りのエネルギーはほぼ検出できない電子反ニュートリノによって持ち去られます。トリチウムからのベータ粒子は空気を約6 mm（0.24インチ）しか透過できず、人間の皮膚の最外層を通過することはできません。[9]他のベータ粒子に比べてエネルギーが低いため、発生する制動放射線の量も少なくなります。トリチウムのベータ崩壊で放出されるエネルギーが異常に低いため、この崩壊は（レニウム187の崩壊と同様に）ニュートリノの絶対質量測定の試みに有用ですが、いずれもまだ成功していません。

トリチウムの放射線のエネルギーが低いため、液体シンチレーション計測法以外でトリチウム標識化合物を検出することは困難です。

生産

リチウム

トリチウムは、原子炉内でリチウム6の中性子活性化によって最も多く生成される。リチウムの核分裂によって生成されたトリチウムとヘリウムの放出と拡散は、増殖セラミックスと呼ばれるセラミックス内で起こる。このような増殖セラミックス内でのリチウム6からのトリチウム生成は、あらゆるエネルギーの中性子で可能であるが、入射中性子のエネルギーが低いほど断面積は大きくなり、熱中性子の場合は900バーン以上に達する。これは発熱反応であり、4.8  MeVを生じる。[10]比較すると、重水素とトリチウムの融合では約17.6 MeVが放出される。ITERなどの提案されている核融合エネルギー炉での使用を目的に、Li 2 TiO 3やLi 4 SiO 4などのリチウム含有セラミックスからなるペブルが、増殖ブランケットとも呼ばれるヘリウム冷却ペブルベッド内でのトリチウム増殖用に開発されている。[11]

6
3リチウム+ n →4
2ヘリウム（2.05 MeV）+3
1H（2.75 MeV）

高エネルギー中性子は、リチウム7から吸熱反応でトリチウムを生成することもできる。この反応では2.466MeVを消費する。これは、1954年のキャッスル・ブラボー核実験で予想外に高い出力が得られた際に発見された。[12]この実験以前は、7
3リチウムは中性子を吸収して8
3Liはベータ崩壊して8
4となり、これは2に減衰する。4
2核分裂の総時間は爆発の持続時間よりもはるかに長くなります。

7
3リチウム+ n →4
2彼+3
1H + n

この反応で減速した中性子は、6
3最初の発熱反応ではリチウムが反応するため、リチウムは吸収される中性子よりも多くのトリチウム原子を生成できます。

ボロン

高エネルギー中性子がホウ素10を照射すると、時折トリチウムも生成される。[13]

10
5B + n → 24
2彼+3
1H

ホウ素10中性子捕獲のより一般的な結果は7Liと単一のアルファ粒子である。[14]

特に、中性子を部分的にのみ熱中性化する加圧水型原子炉では、比較的高速な中性子と化学シムとして添加されたホウ酸との相互作用により、少量ではあるが無視できない量のトリチウムが生成されます。

重水素

重水減速炉では、重水素原子核が中性子を捕獲するたびにトリチウムが生成されます。この反応は吸収断面積が小さいため、重水は中性子減速材として優れており、生成されるトリチウムは比較的少量です。それでも、環境へのトリチウムの漏出リスクを低減するため、数年後には減速材からトリチウムを除去することが望ましい場合があります。オンタリオ発電の「トリチウム除去施設」は、年間最大2,500トン（2,500ロングトン、2,800ショートトン）の重水を処理でき、約2.5 kg（5.5ポンド）のトリチウムを分離して他の用途に利用しています。[15] CANDU炉は通常、年間130グラム（4.6オンス）のトリチウムを生産し、オンタリオ州にある3,512MWの電力を発電する ダーリントン原子力発電所に併設されたダーリントン・トリチウム回収施設（DTRF）で回収されます。1989年から2011年までのDTRFにおける総生産量は42.5キログラム（94ポンド）で、放射能量は409メガキュリー（15,100ペタベクレル）でした。これは年間平均約2キログラム（4.4ポンド）に相当します。[16]

重水素の熱中性子吸収断面積は約0.52ミリバーンであるのに対し、酸素16（16 O）のそれは約0.19ミリバーン、酸素17（17 O）のそれは約240ミリバーンである。16 Oは天然酸素と重水の両方において圧倒的に最も一般的な酸素同位体であるが、同位体分離法によっては、重水の方が17 Oと18 Oがわずかに多く含まれる場合がある。中性子捕獲反応と（n, α）反応（後者は17 Oから望ましくない長寿命ベータ線放出核種である14 Cを生成する）の両方により、これらは正味の「中性子消費体」であり、したがって、燃料外での中性子吸収を可能な限り低く抑える必要がある天然ウラン原子炉の減速材には望ましくない。トリチウムを除去する施設の中には、少なくとも原理的には同位体標識に使用できる17 O と18 Oも除去（または少なくとも含有量を低減）するものもあります。

インドも多数の加圧重水炉（当初はCANDU技術であったが、その後国産化しさらに発展させたIPHWR技術）を保有しており、原子炉の減速材/冷却材で生成されるトリチウムの少なくとも一部を除去しているが、トリチウムの二重使用の性質とインドの核爆弾計画のため、これに関する情報はカナダよりも公開されていない。

核分裂

トリチウムはウラン 235、プルトニウム 239、ウラン 233の核分裂（三元核分裂）で生成される珍しい生成物であり、10 4 回の核分裂につき約 1 原子が生成されるため、[17] [18] 、すべての原子炉で実際に生成されていることを意味します。原子炉の運転、特に核燃料の再処理と使用済み核燃料の貯蔵では、トリチウムの放出または回収を考慮する必要があります。トリチウムの生成は目的ではなく、副作用です。一部の原子力発電所では少量が大気中に放出されています。[19]揮発酸化は、原子炉再処理におけるオプションの追加手順であり、水性プロセスが始まる前に揮発性の核分裂生成物（すべての水素同位体など）を除去します。これにより、原理的には生成されたトリチウムの経済的回収が可能になりますが、トリチウムが使用されずに廃棄されるだけの場合でも、使用された水のトリチウム汚染を軽減し、同位体分離以外では「通常の」水からトリチウム水を除去することができないため、排水時に放出される放射能を減らす可能性があります。

原子力施設からのトリチウムの年間排出量[20]
位置原子力施設最も近い
海域		液体
（TBq）		蒸気
（TBq）		合計
（TBq）		合計
（mg）		年
イギリスヘイシャム原子力発電所Bアイリッシュ海3962.13981,1152019
イギリスセラフィールド再処理施設アイリッシュ海423564791,3422019
ルーマニアチェルナヴォダ原子力発電所1号機黒海1401522928722018
フランスラ・アーグ再処理工場イギリス海峡11,4006011,46032,1002018
韓国月城原子力発電所日本海10780.91886712020年[21]
台湾馬鞍山原子力発電所ルソン海峡359.4441232015
中国福清原子力発電所台湾海峡520.8521462020
中国三門原子力発電所東シナ海200.420562020
カナダブルース原子力発電所A、B五大湖7569941,7504,9012018
カナダダーリントン原子力発電所五大湖2202104301,2042018
カナダピカリング原子力発電所1～4号機五大湖1403004401,2322015
アメリカ合衆国ディアブロキャニオン発電所ユニット1、2太平洋822.7842352019

トリチウムの比放射能は1 グラムあたり 9,650 キュリー (357 TBq/g) であるため、1 TBqは約 2.8 mg に相当します。

福島第一

2016年6月、トリチウム水タスクフォースは、保管中の汚染された冷却水の最終処分オプションの検討の一環として、福島第一原子力発電所のトリチウム水中のトリチウムの状況に関する報告書[22]を発表しました。これによると、2016年3月時点での敷地内のトリチウム保有量は、総貯蔵量86万m3中に760TBq（トリチウム2.1gまたは純トリチウム水14mLに相当）であったと 特定されています。この報告書ではまた、貯蔵のために建屋などから抜き取った水のトリチウム濃度が減少していることも特定しており、対象期間の5年間（2011～2016年）で3.3MBq/Lから0.3MBq/Lへと10分の1に減少しています（トリチウムの年間5％の減衰を補正後）。

この問題への最善の対処方法を検討した専門家委員会の報告書によると、「トリチウムは理論的には分離可能だが、工業規模で実用的な分離技術は存在しない。したがって、低トリチウム濃度水を処理するには、管理された環境放出が最良の方法と言われている」とのことである。[23]日本政府が主導した広報キャンペーンの後、2023年8月24日にトリチウム処理水の段階的な海への放出が開始され、2024年3月までの4回の放出の最初のものとなる。[24]全体の処理には「数十年」かかる。[25]中国は抗議した。[26] [27] IAEAはこの計画を承認した。放出される水は希釈され、トリチウム濃度はWHOが飲料水に推奨する基準値を大幅に下回る1500Bq/L未満に低減される。[28]

ヘリウム3

トリチウムの崩壊生成物である ヘリウム3は、熱中性子と反応して陽子を放出する断面積が非常に大きい（5330バーン）ため、原子炉内で急速にトリチウムに戻ります。[29]

3
2彼+ n →1
1H +3
1H

これにより、トリチウムは崩壊しながらリサイクルされ、必要な在庫が維持される可能性があります。

宇宙線

トリチウムは、宇宙線が大気中のガスと相互作用することで自然界に存在します。自然界で生成される最も重要な反応は、高速中性子（ 4.0MeV [30]以上のエネルギーを持つ必要がある ）が大気中の窒素と相互作用することです。

14
7N + n →12
6C +3
1H

世界全体では、天然起源のトリチウム生産量は年間約4メガキュリー（148PBq）です。天然起源によるトリチウムの地球全体の平衡在庫量は、一定の生産量と原子核崩壊とのバランスにより、70メガキュリー（2,590PBq）でほぼ一定です。[31]これらはそれぞれ415gと7,250gとみなすことができます。

生産履歴

アメリカ合衆国

アメリカの核兵器用のトリチウムは、1988年に閉鎖されるまでサバンナリバーサイトの特殊な重水炉で生産されていました。冷戦終結後の戦略兵器削減条約（START）により、しばらくの間は既存の供給量で新しい少数の核兵器を賄うことができました。

1955年から1996年にかけて、アメリカ合衆国では225kg（496ポンド）のトリチウムが生産された。[a]トリチウムは継続的にヘリウム3に崩壊するため、報告書の時点で残っている総量は約75kg（165ポンド）であり、[32] [12] 2023年時点では約16kg（35ポンド）である。[33]

トリチウム生産は、2003年から2005年にかけて商業用ワッツ・バー原子力発電所の原子炉で、通常のホウ素、カドミウム、ハフニウムを含む制御棒に代えてリチウムを含む制御棒を照射することで再開され、2006年11月からサバンナ・リバー・サイトのトリチウム抽出施設で制御棒からトリチウムが抽出された。 [34] [35]原子炉運転中の制御棒からのトリチウム漏れにより、冷却材中のトリチウムの最大許容レベルを超えずに原子炉で使用できる数が制限される。[36]

プロパティ

トリチウムの原子量は3.016 049 28  Da。二原子トリチウム（T 2または3 H 2 ）は、標準温度および圧力では気体です。酸素と結合すると、トリチウム水（3 H 2 O）を形成します。

地球上の天然の組成を持つ水素と比較して、トリチウムは融点（ 20.62 K対13.99 K）、沸点（25.04 K対20.27 K）、臨界温度（40.59 K対32.94 K）、臨界圧力（1.8317 MPa対1.2858 MPa）が高い。[37]

トリチウムの比放射能は1グラムあたり9,650キュリー（3.57 × 1014Bq /g）である。[ 38 ] 

三重水素は、その有利な反応断面積と、重水素との反応で生成される大きなエネルギー（17.6 MeV）のために、核融合の研究において重要な役割を果たしています。

3
1H +2
1H →4
2彼+ n

すべての原子核は陽子から正電荷を帯びているため、同種の電荷同士が反発し合うため（クーロンの法則） 、互いに反発し合います。しかし、原子核の温度と圧力が十分に高い場合（例えば太陽の中心核）、原子核のランダムな運動によってこの反発力が克服され、強い核力が作用するのに十分な距離まで接近することで、より重い原子核に融合することができます。

1個の陽子と2個の中性子を含むトリチウム原子核（トリトン）は、他の水素原子核と同じ電荷を持ち、他の原子核に近づくと同じように静電反発力を受けます。しかし、トリトン内の中性子は、他の原子核に十分近づくと強い核力を増加させます。その結果、トリチウムは通常の水素よりも他の軽い原子核と核融合を起こしやすくなります。

重水素についても、程度は低いものの、同様のことが当てはまります。褐色矮星（「失敗した」恒星）が通常の水素を核融合させることができないのは、このためです。しかし、少量の重水素原子核は核融合させます。

放射発光性1.8キュリー（67  GBq）6インチ×0.2インチ（152.4 mm×5.1 mm）のトリチウムバイアルは、トリチウムガスを充填した薄いガラスバイアルで、内面は蛍光体でコーティングされています。ここに示されているバイアルは新品です。

水素の他の同位体と同様に、トリチウムを閉じ込めることは困難です。ゴム、プラスチック、そしてある種の鋼鉄は、いずれもある程度の透過性があります。そのため、トリチウムが大量に、特に核融合炉で使用される場合、放射能汚染の一因となる可能性があるという懸念が生じています。ただし、半減期が短いため、大気中への長期的な蓄積は避けられるはずです。

部分的核実験禁止条約の発効前に行われた高レベルの大気圏内核兵器実験は、海洋学者にとって予想外の有用性を示した。海洋上層に導入された高濃度のトリチウム酸化物は、その後長年にわたり、海洋上層と下層との混合速度を測定するために利用されてきた。

健康リスク

トリチウムは低エネルギーのベータ（β）線放出体であるため、体外的には危険ではない（β粒子は皮膚を透過しない）[31]が、吸入したり、食物や水を介して摂取したり、皮膚から吸収されると放射線の危険となる可能性がある。[39] [40] [41] [42] [43]

生物は3
1H HOはH 2 Oと同じように変換されます。 [44]植物は3
1H HO は有機結合トリチウム (OBT) に変換され、動物によって消費されます。3
1H・HOはヒトの体内に約12日間保持され、その一部はOBTとして体内に残ります。[45]トリチウムは、ある生物が別の生物を食べることで食物連鎖を通じて受け継がれますが、OBTの代謝は3
1H・H2O。[45]トリチウムは生物体内のRNA分子やDNA分子に取り込まれ、体細胞や遺伝子に影響を与える可能性があります。これらの影響は後世に現れる可能性があります。[46]

3
1H HOは人体における生物学的半減期が7～14日と短いため、単回摂取による影響を軽減し、長期の生体蓄積を防ぎます。3
1環境からのH HO。 [41] [47]人体におけるトリチウム水の生物学的半減期は、体内の水分のターンオーバーの尺度であり、季節によって変化する。インド、カルナタカ州の沿岸地域における職業放射線作業員の自由水中トリチウムの生物学的半減期に関する研究は、冬季の生物学的半減期が夏の2倍であることを示している。[47]トリチウム被曝が疑われる場合、または被曝が判明している場合は、汚染されていない水を飲むことで、体内のトリチウムを補充できる。発汗、排尿、呼吸の増加は、体が水分を排出し、それに含まれるトリチウムを排出するのに役立つ。しかし、脱水症状や体内の電解質の枯渇が生じないように注意する必要がある。なぜなら、これらのこと（特に短期的） による健康への影響は、トリチウム被曝による健康への影響よりも深刻になる可能性があるからである。

環境汚染

米国の65カ所の原子力施設のうち48カ所からトリチウムが漏洩しました。あるケースでは、漏洩水に1リットルあたり7.5マイクロキュリー（280 kBq）のトリチウムが含まれていました。これは、EPA（環境保護庁）の飲料水に対する現在の制限値の375倍、世界保健機関（WHO）の推奨制限値の28倍に相当します。[48]これは、1リットルあたり0.777ナノグラム（5.45 × 10 −8  gr/imp gal）、つまり約0.8パーツ・パー・ティリオン（1兆分の1 ）に相当します。

米国原子力規制委員会は、2003 年の通常運転では、56 基の加圧水型原子炉が 40,600 キュリー (1,500,000 GBq) のトリチウム (最大: 2,080 Ci (77,000 GBq)、最小: 0.1 Ci (3.7 GBq)、平均: 725 Ci (26,800 GBq)) と 24 基の沸騰トリチウムを放出したと述べています。原子炉は液体流出物中に 665 Ci (24.6 TBq) (最大: 174 Ci (6,400 GBq)、最小: 0 Ci、平均: 27.7 Ci (1,020 GBq)) を放出しました。[49] 40,600 Ci (1,500,000 GBq) のトリチウムの重さは約 4.207 グラム (0.1484 オンス) です。

規制限度

飲料水中のトリチウムの法的制限値は国によって大きく異なります。以下にいくつかの数値を示します。

各国のトリチウム飲料水制限値[50]
国トリチウム限度
（Bq/L）		等価線量
（μSv /年）[b]
オーストラリア76,103 [c]1,000
日本6万788.4
フィンランド3万394.2
世界保健機関10,000131.4
スイス10,000131.4
ロシア7,700101.18
カナダ（オンタリオ州）7,00091.98
アメリカ合衆国7409.72
ノルウェー100 [53]1.31
ドイツ100 [54]1.31

米国の被ばく線量限度は、EPA規則40CFR141に基づき、年間4.0 ミリレム（ SI単位では40マイクロシーベルト）と定められており、これは1963年頃の国立標準技術研究所ハンドブック69の時代遅れの線量計算基準に基づいています。年間4ミリレムは、平均的な自然背景放射線（約3mSv）の約1.3%に相当します。国際放射線防護委員会報告書30に基づき、NRC規則10CFR20で使用されている最新の線量計算基準では、740Bq/L（20nCi/L）で年間0.9ミリレム（9μSv）の被ばく線量となります。[41]

使用

生物学と医学における放射分析

ピリジン（C 5 H 5 N ）の部分トリチウム化。触媒は示されていない。

候補薬物のトリチウム化により、その吸収と代謝の詳細な分析が可能になります。[55]トリチウムは、放射性炭素年代測定に類似した生物学的放射分析にも使用されています。例えば、[ 3H ]レチニルアセテートはラットの体内で追跡されました。[56]

自己発電照明

トリチウム発光文字盤を備えたスイスミリタリーウォッチ

少量のトリチウムから放出されるベータ粒子は、蛍光体と呼ばれる化学物質を発光させます。この放射線発光は、ベータライトと呼ばれる自己発電型照明装置に利用されており、銃器の照準器、腕時計、出口標識、地図灯、航法用コンパス（現在使用されているM-1950型米軍用コンパスなど）、ナイフ、その他様々な機器の夜間照明に使用されています。[d] 2000年現在、トリチウムの商業需要は年間400グラム（0.88ポンド）[12]で、コストは1グラムあたり3万ドル（1オンスあたり85万ドル）[57]以上です。[58]

核兵器

トリチウムは核兵器の重要な構成要素であり、 「ブースティング」と呼ばれるプロセスで核分裂爆弾の効率と出力、および水素爆弾の核分裂段階を高めるために使用されるほか、核兵器の外部中性子起爆装置にも使用されます。

中性子イニシエーター

これらは核兵器に組み込まれた装置で、爆弾が爆発すると中性子パルスを発生し、爆薬によって臨界質量まで圧縮された後、爆弾の核分裂性コア（ピット）内で核分裂反応を開始します。クライトロンのような超高速スイッチによって作動する小型粒子加速器は、三重水素と重水素のイオンを、重水素-三重水素核融合に必要な約 15  keV以上のエネルギーまで加速し、金属ターゲットに照射します。金属ターゲットでは、三重水素と重水素が水素化物として吸着されます。結果として生じる核融合反応で発生した高エネルギーの核融合中性子は、あらゆる方向に放射されます。これらの中性子の一部は、プライマリーのピット内のプルトニウムまたはウランの原子核に衝突し、核連鎖反応を開始します。生成される中性子の絶対量は大きいため、ピット内の原子核の総数と比較するとまだ小さいものの、通常は連鎖反応を何世代も繰り返す必要がある中性子レベルにピットはすぐに到達できます。

ブースティング

爆発前に、数グラムの三重水素-重水素ガスが核分裂性物質の空洞「ピット」に注入されます。核分裂連鎖反応の初期段階では、重水素-三重水素核融合を開始するのに十分な熱と圧縮が供給されます。その後、核分裂と核融合が並行して進行します。核分裂は加熱と圧縮を継続することで核融合を補助し、核融合は高エネルギー（14.1MeV）の中性子で核分裂を補助し ます。核分裂燃料が枯渇し、外側に爆発するにつれて、核分裂燃料は単独で臨界状態を維持するのに必要な密度を下回りますが、核融合中性子によって核分裂プロセスはブーストなしの場合よりも速く、より長く継続します。収量の増加は、主に核分裂の増加によるものです。核融合燃料の量が大幅に減少するため、核融合自体から得られるエネルギーは大幅に減少します。ブーストの効果には以下が含まれます。

  • （ブーストなしの場合と比較して、同じ量の核分裂燃料に対する収量の増加）
  • 核融合燃料の量を変えることで収量を可変にできる可能性
  • 非常に高価な核分裂性物質の使用量を削減できる
  • 近くの核爆発による予期せぬ爆発のリスクを排除する
  • 爆縮装置に関する要件がそれほど厳しくないため、より少量で軽い高性能爆薬を使用することができる。

弾頭内のトリチウムは絶えず放射性崩壊を起こし、核融合に利用できなくなります。また、その崩壊生成物であるヘリウム3は中性子を吸収します。ヘリウム3が過剰に蓄積されると、トリチウム本来の目的である自由中性子を多く生成する効果が打ち消されたり、逆に逆効果になったりする可能性があります。そのため、ブースト爆弾には定期的に新しいトリチウムが必要です。必要な量は弾頭1個あたり4グラム（0.14オンス）と推定されています。[12]トリチウム濃度を一定に保つには、弾頭1個あたり年間約0.20グラム（0.0071オンス）を爆弾に供給する必要があります。

重水素-三重水素ガス1モルには、約3.0グラム（0.11オンス）の三重水素と2.0グラム（0.071オンス）の重水素が含まれています。比較すると、核爆弾に含まれるプルトニウム20モルは、約4.5キログラム（9.9ポンド）のプルトニウム239で構成されています。

水素爆弾の二次燃料中のトリチウム

トリチウムは放射性崩壊を起こし、物理的に閉じ込めるのも難しいため、本物の水素爆弾に必要な大量の重水素同位体の二次電荷には、重水素とトリチウムの供給源として固体の重水素化リチウムが使用され、二次点火時にその場でトリチウムが生成されます。

熱核兵器（テラー・ウラム段階）における一次核分裂爆弾段階の爆発中、核融合段階の中心にある235 U/ 239 Puの円筒であるスパークプラグは、一次核分裂装置から放出された余剰中性子によって連鎖反応で核分裂を開始します。スパークプラグの核分裂により放出された中性子は、リチウム6をトリチウムとヘリウム4に分裂させ、リチウム7はヘリウム4、トリチウム、および中性子1個に分裂します。これらの反応が起こると、核融合段階は一次核分裂装置からの光子と、核融合段階を取り囲む238 U または238 U/ 235 U ジャケットの核分裂によって圧縮されます。そのため、核融合段階は爆発時に独自のトリチウムを生成します。爆発の極度の熱と圧力により、一部のトリチウムは重水素と融合し、その反応でさらに多くの中性子が放出されます。

この核融合プロセスでは、点火に極めて高い温度が必要であり、生成される中性子のエネルギーはますます少なくなるため（核分裂と核融合のみが正味の中性子を生成する）、重水素化リチウムはブースト爆弾ではなく、多段式水素爆弾に使用されます。

制御核融合

トリチウムは、磁気閉じ込め型と慣性閉じ込め型の両核融合炉設計において、制御された核融合のための重要な燃料である。国立点火施設（NIF）は重水素-トリチウム燃料を使用しており、実験核融合炉ITERも同様に重水素-トリチウム燃料を使用する予定である。重水素-トリチウム反応は、最大の核融合断面積（約5.0 バーン）を有し、あらゆる核融合燃料の中で最も低いエネルギー（約65  keV重心）で最大断面積に達するため、好ましい反応である。トリチウムは地球上で非常に希少であるため、核融合炉のコンセプトにはトリチウムの増殖が含まれることが多い。想定される増殖核融合炉の運転中、増殖ブランケット（多くの場合、セラミックペブルの一部としてリチウムを含む）は中性子束にさらされ、トリチウムを生成して燃料サイクルを完了する。[59]

トリチウムシステム テスト アセンブリ(TSTA) は、ロスアラモス国立研究所の施設であり、核融合関連の重水素 - トリチウム処理に必要な技術の開発と実証を目的としていました。

電源

トリチウムは、ベータボルタ電池装置で使用して、電気を生成するための原子電池を作成することができます。

電子管での使用

トリチウムは、ツェルウェガーZE22/3グローチューブなど、様々な電子管に使用されています。これらのデバイスには、充填ガス（通常はネオンやアルゴンなどの希ガス）をイオン化するために少量のトリチウムが含まれています。このイオン化により、高電圧を印加した際に安定した電流が供給され、信頼性と一貫性のある動作が保証され、デバイスの性能と安定性が向上します。トリチウムは2つの電極を備えたガラス容器に封入されており、そのうちの1つは放射性物質でコーティングされており、電極間にイオン経路を形成しています。[60]

海洋の遷移トレーサーとしての使用

クロロフルオロカーボン（FCC）以外にも、トリチウムは一過性トレーサーとして作用し、その分布の変化から、世界中の海洋における生物学的、化学的、物理的な経路を「概説」することができます。[61]そのため、トリチウムは海洋循環と換気を調査するためのツールとして用いられており、そのような目的では通常、トリチウム単位で測定されます。1 TUは、10 18 個の水素原子あたり1個のトリチウム原子と定義され、[61]約0.118 Bq/リットルに相当します。[62] [63] [64]前述のように、1950年代後半から1960年代初頭にかけて、主に北半球の高緯度地域で行われた核実験により、大気圏、特に成層圏に大量のトリチウムが放出されました。これらの核実験以前は、地球表面のトリチウム量はわずか3～4 kgでしたが、実験後には2～3桁増加しました。[61] 1963年と1964年には自然背景放射能レベルが約1,000 TUを超えたとの報告もあり、北半球ではこの同位体が地下水の年代推定や水文地質学的シミュレーションモデルの構築に使用されている。[65]核実験の最盛期には大気中の放射能レベルが1,000 TUに近づき、降下物放出前の雨水レベルは5～10 TUの間であったと推定されている。[66] 1963年、アイルランドのヴァレンティア島では2,000 TUの降水量が記録された。[67]

北大西洋

成層圏（試験後期間）にいる間、トリチウムは水分子と反応して酸化され、急速に生成された降雨の多くに存在したため、トリチウムは北大西洋の水循環の進化と構造、および水塊の換気と形成を研究するための予測ツールとなりました。 [61]

北大西洋の深海における補充率と転覆率を定量化するために、海洋におけるトランジェントトレーサー（TTO）プログラムから得られた爆弾トリチウムデータが使用されました。[68]

爆弾に含まれるトリチウムは南極周辺の深海にも入り込んでいます。[69]大気中の爆弾に含まれるトリチウム水（H3HO）の大部分は、以下の過程を経て海洋に流入します。

  • 降水量
  • 蒸気交換
  • 川の流出

これらのプロセスにより、H 3 HOは数十年までの時間スケールに適したトレーサーになります。[68]

1981年のこれらのプロセスから得られたデータを用いると、1TU等値面は亜熱帯地域では水深500～1,000メートルにあり、大西洋上部の再循環と換気によりメキシコ湾流の南1,500～2,000メートルまで広がっている。 [61]北に向かうにつれて等値面は深くなり、深海平原の底部に達する。これは10～20年の時間スケールにおける海底の換気と直接関係している。[61]

大西洋では、1960年代後半から1980年代後半にかけて、バミューダ近海におけるトリチウム濃度のプロファイルが顕著に現れています。トリチウム濃度の最大値は、表層（1960年代）から水深400メートル（1980年代）にかけて下方に伝播しており、これは年間約18メートルの深海化速度に相当します。 [61]また、1970年代後半には水深1,500メートル、1980年代半ばには水深2,500メートルでトリチウム濃度が増加しており、いずれも深海における冷却現象とそれに伴う深海換気に起因しています。[61]

1991年の研究では、トリチウムのプロファイルは、新たに形成された北大西洋深層水（NADW）の混合と拡散を調べるためのツールとして使用されました。これは、トリチウムが4 TUに増加したことに対応しています。[68]このNADWは、ノルウェー海と北大西洋を隔てるシルを越えて溢れ出し、深層境界流に乗って西および赤道方向に流れる傾向があります。このプロセスは、1981年から1983年にかけての北大西洋深層における大規模なトリチウム分布によって説明されました。[68]亜極環流はNADWによって新鮮化（換気）される傾向があり、高いトリチウム値（> 1.5 TU）に直接関係しています。また、ラブラドル海から熱帯地方にかけて深層西部境界流のトリチウムが10分の1に減少したことも明らかであり、これは乱流混合と再循環による海洋内部への損失を示しています。[68]

太平洋とインド洋

1998 年の研究では、表層海水と大気中の水蒸気（海面から 10 メートル上）のトリチウム濃度が、以下の場所でサンプリングされました：スールー海、フリーマントル湾、ベンガル湾、ペナン湾、マラッカ海峡[70]。結果によると、表層海水のトリチウム濃度はフリーマントル湾で最高（約 0.40 Bq/リットル）でしたが、これは沿岸水域で大量に検出されたため、近くの陸地からの淡水流出が混ざったためと考えられます。[70]一般的に、南緯35 度から45度の間、および赤道付近で低濃度が検出されました。結果はまた、インド洋での爆弾トリチウムの物理的崩壊により、トリチウムが（一般的に）長年にわたり（1997 年まで）減少していることを示しました。水蒸気中のトリチウム濃度は、海面水濃度（0.46～1.15 Bq/L）よりも約1桁高かった。[70]したがって、水蒸気中のトリチウムは海面水濃度の影響を受けず、水蒸気中の高濃度トリチウムは、成層圏から対流圏への天然トリチウムの下方移動の直接的な結果であると結論付けられた（したがって、海中の空気は緯度変化に依存している）。[70]

北太平洋では、トリチウム（北半球では爆弾トリチウムとして導入された）が3次元的に広がっていた。中緯度および低緯度域では海面下で極大値を示しており、これは上層海洋における等密度線（等密度線）に沿った横方向の混合（移流）および拡散過程を示唆している。 [71]これらの極大値のいくつかは、塩分濃度の極大値とよく相関している。[71]海洋循環の構造を明らかにするため、等密度線（23.90、26.02、26.81）の3つの面におけるトリチウム濃度をマッピングした。[71]結果によると、亜北極低気圧性環流の26.81等密度面ではトリチウムがよく混合されており（6～7 TU）、この環流と南側の高気圧性環流との間では（より浅い等密度面に比べて）トリチウムの交換が遅いようであった。また、23.90と26.02の表面では、北太平洋の中央環流と赤道域との間でトリチウムの交換速度が遅いようであった。[71]

爆弾のトリチウムの浸透深度は、3 つの異なる層に分けられます。

レイヤー1
第1層は最も浅い層で、冬季には最も深く、換気される層を含みます。放射性降下物によってトリチウムを受け取り、移流や垂直拡散によって一部を失い、トリチウム総量の約28%を含んでいます。[71]
レイヤー2
第2層は第1層より下ですが、等密度線26.81より上にあり、もはや混合層の一部ではありません。その発生源は、混合層からの下方拡散と、極方向の地層露出による横方向拡散の2つです。第2層には、トリチウム総量の約58%が含まれています。[71]
レイヤー3
第3層は露頭等密度線より深い水域の代表であり、垂直拡散によってのみトリチウムを吸収する。ここには総トリチウムの残りの14%が含まれている。[71]

ミシシッピ川水系

原子兵器実験からの微量の放射性物質がミシシッピ川水系全体に沈殿した。トリチウム濃度は、湖、小川、河川などの大陸水文システムの滞留時間を理解するために使用されてきた。 [72] 2004年の研究では、ミシシッピ川流域全体のトリチウム濃度の調査（1960年代に開始）で、オハイオ川（ミシシッピ川への最大の流入）、ミズーリ川、アーカンソー川など、いくつかの河川が考慮された。[72]これらの河川全体で1963年に最高のトリチウム濃度が検出された。このピークは、1962年に米国とソ連の間で大気圏核実験禁止条約が発効したことと相関している。全体的に最も高い濃度はミズーリ川（1963年）で発生し、1,200 TUを超えた。一方、最も低い濃度はアーカンソー川で観測された（850 TUを超えることはなく、1980年代半ばには10 TU未満）。[72]

ミシシッピ川本流からメキシコ湾へのトリチウムの質量フラックスについては、1961年から1997年の間に約780グラムのトリチウムがミシシッピ川からメキシコ湾に流出したことがデータで示されています[72]。これは平均で年間21.7グラム、年間7.7PBqに相当します。ミシシッピ川を流れる現在のフラックスは年間1～2グラムですが、原爆投下前のフラックスは約0.4グラムでした[72] 。

参照

脚注

  1. ^ 1955年以降の米国のトリチウム生産量は約225キログラムで、そのうち推定150キログラムがヘリウム3に崩壊し、現在の在庫は約75キログラムとなっている。— Zerriffi & Scoville (1996) [32]
  2. ^ ICRP報告書30の計算に基づく:1.8 × 10 −11  Sv/Bq、730 L/a、1 × 10 6  μSv/Sv ; [51]より引用
  3. ^ この数値は、オーストラリア飲料水ガイドライン6に記載されている飲料水中のすべての放射線源からの年間1mSvというガイドライン線量から算出されたもので、水中に存在する放射性核種がトリチウムのみであると仮定しています。[52]
  4. ^ この用途では、ラジウムを含む発光塗料の代わりにトリチウムが使用されています。ラジウムへの曝露は骨がんを引き起こすため、ほとんどの国では数十年前からその軽度の使用が禁止されています。

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ウィキメディア コモンズには、トリチウムに関連するメディアがあります。
  • 「トリチウムに関する注釈付き参考文献」.アルソスデジタルライブラリ. ワシントン・アンド・リー大学. 2006年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年3月3日閲覧。
  • 「核データ評価ラボ」。
  • トリチウムのリスクに関するレビュー（報告書）. ロンドン、英国：健康保護庁. 2007年11月. RCE-4. 2013年5月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年3月3日閲覧。
  • ベルジェロン、ケネス・D.（2004年9月17日）『氷上のトリチウム：核兵器と原子力発電の危険な新たな同盟』MITプレス、ISBN 978-0-262-26172-2。[全文引用が必要]
  • 「2011年度における米国におけるトリチウム生産と回収」。Fissile Materials誌、2010年2月。
  • 「トリチウム除去物質移動係数」ans.org。


ライター：
重水素 		トリチウムは水素の
同位体である		重い：
水素4
崩壊生成物：
水素4
トリチウムの崩壊系列		崩壊後：
ヘリウム3
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