Tritium

Tritium (von griechisch τρίτος trítos ‚der Dritte‘) ist ein natürliches Isotop des Wasserstoffs. Sein Atomkern wird auch Triton genannt, er besteht aus einem Proton und zwei Neutronen (³H). Tritium wird aufgrund seiner Masse auch als „Überschwerer“ oder „Superschwerer" Wasserstoff bezeichnet.

Die beiden anderen Isotope des Wasserstoffs sind Protium (¹H) und Deuterium (²H).

Eigenständige Namen und Symbole für Isotope eines Elements gibt es nur bei Deuterium (Symbol D anstatt ²H) und Tritium (Symbol T anstatt ³H), weil das Massenverhältnis zwischen Protium und seinen Isotopen verhältnismäßig groß ist (Deuterium 1:2 und Tritium 1:3) und sich daraus merkliche Unterschiede im chemischen Verhalten ergeben. (Zum Vergleich: Bei dem nächstgrößeren Isotopenpaar ³He und ⁴He ist es 1:1,33; bei ²³⁵U und ²³⁸U nur noch 1:1,013).

Entstehung

Natürliche Herkunft

Tritium entsteht auf natürliche Weise vor allem in der Stratosphäre. Schnelle Protonen der kosmischen Strahlung bilden durch Spallation teilweise direkt Tritium, vor allem aber sekundäre Neutronen, die in der Stratosphäre und oberen Troposphäre in Reaktionen mit Stickstoff Tritium bilden:

{}_{\ 7}^{14}\mathrm {N} \ +\ {}_{0}^{1}\mathrm {n} \ \rightarrow \ {}_{\ 6}^{12}\mathrm {C} \ +\ {}_{1}^{3}\mathrm {H}

oder auch

\mathrm {^{14}N\ +\ n\longrightarrow \ ^{12}C\ +\ T}

Das Tritium bildet zunächst HT (Tritiumwasserstoff), diffundiert (sofern in der Stratosphäre entstanden) zur Tropopause, oxidiert in der Troposphäre mit einer Zeitkonstanten von 6,5 Jahren durch photochemische Reaktionen zu HTO (T-haltiges Wasser) und regnet dann vergleichsweise schnell aus. Aus Bildung und radioaktivem Zerfall stellt sich ein Fließgleichgewicht ein, wodurch sich in der Biosphäre ständig ca. 3,5 kg Tritium aus natürlicher Produktion befinden,^[3] zu 99 % in oberflächennahen Schichten der Ozeane.^[4]

Nebenprodukt der Kernspaltung

In mit schwerem Wasser moderierten Reaktoren (siehe z. B. CANDU) fällt Tritium in einer Menge von rund 1 kg pro 5 GWa (Gigawattjahre) - das sind ca. 44 TWh - erzeugter elektrischer Energie als unvermeidliches Nebenprodukt an und kann aus dem Kühlwasser extrahiert werden.^[5]

Tritium ist außerdem ein weniger häufiges Nebenprodukt bei der Kernspaltung von ²³⁵U, ²³⁹Pu und ²³³U und entsteht dabei mit einer Häufigkeit von ungefähr einem Tritiumkern pro 10.000 Fissionen. Das bedeutet, dass die Freisetzung oder Zurückhaltung von Tritium beim Betrieb von Kernreaktoren, insbesondere bei der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen und der Lagerung von abgebrannten Brennelementen, berücksichtigt werden muss. Die Tritiumerzeugung beim Reaktorbetrieb ist dabei nicht beabsichtigt, sondern eine Nebenwirkung.

Das Tritium entsteht bei 7% der ternären Zerfälle, also wenn das Ausgangsnuklid in drei anstatt zwei Bruchstücke gespalten wird.^[6]^[7]

Produktion aus Lithium

Tritium kann durch Reaktion von ⁶Li mit Neutronen hergestellt werden:

\mathrm {^{6}Li\ +\ n\longrightarrow \ ^{4}He\ +\ T\ +\ 4{,}78\ MeV}

Dafür eignet sich der hohe Neutronenfluss in Kernreaktoren. Auf die gleiche Weise soll auch das zur Nutzung der Kernfusionsenergie benötigte Tritium im Blanket von Kernfusionsreaktoren erbrütet werden.

Eigenschaften

Wasserstoff, Deuterium, Tritium

Das Symbol ist ³H; aus Gründen der Vereinfachung in der Formelschreibweise wird häufig auch T verwendet.

Während sich im Atomkern des Wasserstoffatoms (¹H) neben dem Proton kein Neutron befindet und im Deuterium (²H oder D) ein Neutron, sind es im Tritium zwei. Im Gegensatz zu ¹H und ²H ist dieser Atomkern instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos in das Heliumisotop ³He (Betazerfall):

\mathrm {T} \longrightarrow \mathrm {^{3}He} +e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}

Bei diesem Zerfall wird insgesamt eine Energie von 18,6 keV frei:

$E_{\mathrm {max} }=\Delta m\cdot c^{2}=(3{,}0160492-3{,}0160293)u\cdot c^{2}=18552\,\mathrm {eV}$ .

Davon erhält das Elektron im Mittel 5,7 keV kinetische Energie.^[8] Im Vergleich zu anderen Betastrahlern ist die Strahlung sehr weich. In Wasser wird sie nach wenigen Mikrometern gestoppt; es kann auch die oberen Hautschichten nicht durchdringen. Die Radioaktivität von Tritium ist daher vor allem bei der Ingestion oder beim Einatmen gefährlich.

Tritiumoxid (überschweres Wasser) T₂O hat eine Siedetemperatur von 101,51 °C und eine Schmelztemperatur von 4,48 °C.

Verwendung

Tritium in einem Schlüsselanhänger

Unter anderem in der Biologie, Chemie und Medizin wird Tritium als sog. Tracer zur Markierung bestimmter Substanzen verwendet.

In Tritiumgaslichtquellen (langlebige Leuchtmittel) wird gasförmiges Tritium zusammen mit einem Leuchtstoff in versiegelten Borsilikatglasröhrchen verwendet. Die Betastrahlung des Tritiums regt die Leuchtstoff-Beschichtung innen auf dem Glasröhrchen zu einem schwachen Leuchten (Fluoreszenz) an. Diese »kalten Leuchten« haben eine theoretische Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten, sind in verschiedenen Farben zu erhalten und auch unter der Bezeichnung Traser, im Englischen Tritiums oder kurz Trits bekannt.

Die vorgenannten Tritiumgaslichtquellen kommen auch als Lichtquelle auf Uhrenzifferblättern und -zeigern bestimmter Uhrenmodelle zur Anwendung.^[9]

Ionisationsrauchmelder arbeiten teilweise mit einer Tritiumgas-Ampulle als Ionisator. Bei der Herstellung und Lagerung größerer Mengen bestehen wegen der Radioaktivität allerdings gesundheitliche Risiken. Daher wird es durch phosphoreszierende Leuchtmittel, wie z. B. Superluminova ersetzt. In Rauchmeldern kann statt Tritium auch ²⁴¹Am (Americium) verwendet werden.

Ein Deuterium- und ein Tritium-Atomkern verschmelzen zu einem Heliumkern unter Freisetzung eines schnellen Neutrons. Diese Energiequelle könnte den Bedarf der Menschheit auf Jahrtausende decken.

Tritium wird im zur Zeit entwickelten Kernfusionsreaktor ITER zusammen mit Deuterium als Fusionsstoff verwendet. Durch die Verwendung von Tritium sinkt die dafür notwendige Zündtemperatur auf etwa 100 Millionen Kelvin (gegenüber 400 Millionen Kelvin bei einer Deuterium-Deuterium-Reaktion). Auch zukünftige Fusionskraftwerke werden voraussichtlich dieses Gemisch als Brennstoff nutzen. Es soll in diesen selbst aus Lithium erbrütet werden.

Tritium ist ein entscheidender Bestandteil bestimmter Kernwaffen. Werden geringe Mengen von rund zwei bis drei Gramm gasförmigen Tritiums in die Waffe eingebracht, kann es die Sprengstoffwirkung von Kernspaltwaffen um den Faktor zwei verstärken. Man spricht hier auch vom „boosting“. Für Neutronenbomben ist Tritium sogar essentiell zur Funktion notwendig; hier werden jedoch größere Mengen von bis zu 20 Gramm Tritium pro Sprengkopf benötigt.^[10] In Wasserstoffbomben wird Tritium nur als Booster und zur Einstellung der Sprengkraft in der Fissionstufe verwendet, in der Fusionstufe kommt hingegen Lithiumdeuterid zum Einsatz.^[11]^[12]

Wie oben bereits dargestellt, entsteht aus Tritium durch Betazerfall selektiv ³He. Wegen der Seltenheit und aufwändigen Gewinnung von reinem ³He aus natürlichen Quellen ist dieses Isotop teuer und wird praktisch ausschließlich in der Grundlagenforschung eingesetzt.

Sicherheitshinweise

Die von Tritium ausgehenden chemischen Gefahren sind zwar mit denen von Wasserstoff identisch, aber vergleichsweise zu vernachlässigen gegenüber den radioaktiven Gefahren als gasförmiger Betastrahler, die auch völlig andere Handhabungsvorschriften erfordern. Die Kennzeichnung für Wasserstoff gemäß Anhang I der Richtlinie 67/548/EWG würde hier eher verharmlosend wirken und wurde deshalb weggelassen.

Tritium ist nicht stark radiotoxisch, kann jedoch in Form von Wasser im Körper gespeichert und umgesetzt werden. Eine französisch-belgische Studie von 2008 kommt zum Schluss, dass seine radiologischen Wirkungen bisher unterschätzt wurden: Es kann sich z.B. in die DNA (Erbsubstanz) einlagern, was vor allem bei einer Schwangerschaft problematisch sein kann.^[13] Eine andere Studie kommt sogar zu dem Schluss, dass die Wirkung bisher um den Faktor 1000–5000 unterschätzt worden sein könnte.^[14]

Nachweis

Der Nachweis von Tritium erfolgt unter anderem mittels Flüssigszintillationszählern oder offenen Ionisationskammern.

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 274.
↑ Diese Substanz wurde in Bezug auf ihre Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
↑ D. Lal, B. Peters: Cosmic ray produced radioactivity on the earth. In: Handbuch der Physik. Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S. 551–612.
↑ Jürgen Sültenfuß: Das Radionuklid Tritium im Ozean: Meßverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer (PDF). In: Ber. Polarforsch. 256, 1998, ISSN 0176027, S. 3.
↑ A. Fiege: Tritium. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992. ISSN 0303-4003.
↑ Emission von ternären Teilchen aus Spaltungsreaktionen (PDF) Dissertation, S. 9.
↑ O. Serot, C. Wagemans, J. Heyse: New Results on Helium and Tritium Gas Production From Ternary Fission. In: International conference on nuclear data for science and technology. AIP Conference Proceedings. 2005, 769, S. 857–860, doi:10.1063/1.1945141.
↑ Table of Nuclides beim Korea Atomic Energy Research Institute
↑ Webseite der hauseigenen Uhrenmarke des Tritiumleuchtmittel-Herstellers MB-Microtec AG.
↑ L. Colschen, M. B. Kalinowski: Tritium. Ein Bombenstoff rückt ins Blickfeld von Nichtweiterverbreitung und nuklearer Abrüstung. In: Informationsdienst Wissenschaft und Frieden. 9. Jg., Heft 4, 1991, S. 10–14.
↑ Lithiumdeuterid
↑ Principles of atomic bombs
↑ Medienmitteilung zur Studie
↑ EUROPEAN COMMISSION, RADIATION PROTECTION NO 152, Emerging Issues on Tritium and Low Energy Beta Emitters, EU Scientific Seminar 2007

Siehe auch

Weblinks

Wiktionary: Tritium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

[HoWi-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 274.

[NV-2] Diese Substanz wurde in Bezug auf ihre Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.

[Lal_Peters-3] D. Lal, B. Peters: Cosmic ray produced radioactivity on the earth. In: Handbuch der Physik. Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S. 551–612.

[4] Jürgen Sültenfuß: Das Radionuklid Tritium im Ozean: Meßverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer (PDF). In: Ber. Polarforsch. 256, 1998, ISSN 0176027, S. 3.

[5] A. Fiege: Tritium. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992. ISSN 0303-4003.

[6] Emission von ternären Teilchen aus Spaltungsreaktionen (PDF) Dissertation, S. 9.

[7] O. Serot, C. Wagemans, J. Heyse: New Results on Helium and Tritium Gas Production From Ternary Fission. In: International conference on nuclear data for science and technology. AIP Conference Proceedings. 2005, 769, S. 857–860, doi:10.1063/1.1945141.

[8] Table of Nuclides beim Korea Atomic Energy Research Institute

[9] Webseite der hauseigenen Uhrenmarke des Tritiumleuchtmittel-Herstellers MB-Microtec AG.

[Kalinowski-10] L. Colschen, M. B. Kalinowski: Tritium. Ein Bombenstoff rückt ins Blickfeld von Nichtweiterverbreitung und nuklearer Abrüstung. In: Informationsdienst Wissenschaft und Frieden. 9. Jg., Heft 4, 1991, S. 10–14.

[11] Lithiumdeuterid

[12] Principles of atomic bombs

[13] Medienmitteilung zur Studie

[14] EUROPEAN COMMISSION, RADIATION PROTECTION NO 152, Emerging Issues on Tritium and Low Energy Beta Emitters, EU Scientific Seminar 2007

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