El tritio ( / t r ɪ t i ə m / o / t r ɪ ʃ i ə m / , desde antiguo griegas τρίτος (Tritos) 'tercero') o hidrógeno-3 (símbolo T o 3 H ) es un raro y isótopo radiactivo de hidrógeno . El núcleo del tritio (a veces llamado tritón ) contiene un protón y dos neutrones., mientras que el núcleo del isótopo común hidrógeno-1 ( protio ) contiene solo un protón, y el del hidrógeno-2 ( deuterio ) contiene un protón y un neutrón.
General | |
---|---|
Símbolo | 3 H |
Nombres | tritio, H-3, hidrógeno-3, T, 3 T |
Protones | 1 |
Neutrones | 2 |
Datos de nucleidos | |
Abundancia natural | 10 −18 en hidrógeno [1] |
Media vida | 12,32 años |
Productos de descomposición | 3 Él |
Masa de isótopos | 3.0160492 u |
Girar | 1 ⁄ 2 |
Exceso de energia | 14,949.794 ± 0.001 keV |
Energía de unión | 8.481,821 ± 0,004 keV |
Modos de decaimiento | |
Modo de decaimiento | Energía de desintegración ( MeV ) |
Emisión beta | 0.018590 |
Isótopos de hidrógeno Tabla completa de nucleidos |
El tritio natural es extremadamente raro en la Tierra. La atmósfera tiene solo trazas, formadas por la interacción de sus gases con los rayos cósmicos . Puede producirse artificialmente mediante la irradiación de metales de litio 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, numerosos instrumentos y herramientas, e incluso artículos novedosos como llaveros autoiluminados. Se utiliza en un entorno médico y científico como marcador radiactivo . El tritio también se utiliza como combustible de fusión nuclear, junto con el deuterio más abundante , en los reactores tokamak y en las bombas de hidrógeno .
Historia
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 comprende un núcleo de deuterio). El deuterio es otro isótopo de hidrógeno. [2] [3] Sin embargo, su experimento no pudo aislar el tritio, lo que luego fue logrado por Luis Álvarez y Robert Cornog , quienes también se dieron cuenta de la radiactividad del tritio. [4] [5] Willard F. Libby reconoció que el tritio podría usarse para la datación radiométrica del agua y el vino . [6]
Decaer
Si bien el tritio tiene varios valores diferentes de vida media determinados experimentalmente , el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología enumera 4.500 ± 8 días ( 12,32 ± 0,02 años ). [7] Se desintegra en helio-3 por desintegración beta como en esta ecuación nuclear:
y libera 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 electrón antineutrino casi indetectable . Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo unos 6,0 mm de aire y son incapaces de atravesar la capa más externa muerta de la piel humana. [8] La inusualmente baja energía liberada en la desintegración del tritio beta hace que la desintegración (junto con la del renio-187 ) sea apropiada para las mediciones absolutas de masa de neutrinos en el laboratorio (el experimento más reciente es KATRIN ).
La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el recuento de 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 puede tener lugar dentro de las cerámicas denominadas cerámicas reproductoras . La producción de tritio a partir de litio-6 en tales cerámicas reproductoras es posible con neutrones de cualquier energía, y es una reacción exotérmica que produce 4,8 MeV. 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 que consisten en cerámicas con contenido de litio, incluidas Li 2 TiO 3 y Li 4 SiO 4 , para la reproducción de tritio dentro de un lecho de guijarros refrigerado con helio, también conocido como manta reproductora. [9]
6 3Li + norte → 4 2Él ( 2,05 MeV ) + 3
1T
( 2,75 MeV )
Los neutrones de alta energía también pueden producir tritio a partir del litio-7 en una reacción endotérmica (que consume calor neto), que consume 2,466 MeV. Esto se descubrió cuando la prueba nuclear Castle Bravo de 1954 produjo un rendimiento inesperadamente alto. [10]
7 3Li + norte → 4 2Él + 3
1T
+ norte
Boro
Los neutrones de alta energía que irradian boro-10 también producen ocasionalmente tritio: [11]
10 5B + norte → 2 4 2Él + 3
1T
Un resultado más común de la captura de neutrones boro-10 es 7
Li
y una sola partícula alfa . [12]
Deuterio
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 deseable 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 aproximadamente 2,5 kg (5,5 libras) de tritio, dejándola disponible para otros usos. . [13]
La sección transversal de absorción del deuterio para los neutrones térmicos es de aproximadamente 0,52 milibarns , mientras que la del oxígeno-16 (16
8O
) es de aproximadamente 0,19 milibarns y la del oxígeno-17 (17
8O
) es de unos 240 milibares.
Fisión
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. [14] [15] La liberación o recuperación de tritio debe considerarse en la operación de 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. Es descargado a la atmósfera en pequeñas cantidades por algunas centrales nucleares. [dieciséis]
Localización | Instalaciones nucleares | más cercanos aguas | Líquido (TBq) | Vapor (TBq) | Total (TBq) | año |
---|---|---|---|---|---|---|
Reino Unido | Central nuclear de Heysham B | Mar de Irlanda | 396 | 2.1 | 398 | 2019 |
Reino Unido | Planta de reprocesamiento de Sellafield | Mar de Irlanda | 423 | 56 | 479 | 2019 |
Rumania | Unidad 1 de la central nuclear de Cernavodă | Mar Negro | 140 | 152 | 292 | 2018 |
Francia | Planta de reprocesamiento de La Hague | canal inglés | 11,400 | 60 | 11,460 | 2018 |
Corea del Sur | Planta de energía nuclear de Wolseong y otras | Mar de Japón | 211 | 154 | 365 | 2020 [18] |
Taiwán | Planta de energía nuclear de Maanshan | Estrecho de Luzón | 35 | 9.4 | 44 | 2015 |
porcelana | Planta de energía nuclear de Fuqing | Estrecho de Taiwán | 52 | 0,8 | 52 | 2020 |
porcelana | Central nuclear de Sanmen | mar del este de China | 20 | 0.4 | 20 | 2020 |
Canadá | Estación de generación nuclear Bruce A, B | Grandes Lagos | 756 | 994 | 1.750 | 2018 |
Canadá | Estación de generación nuclear de Darlington | Grandes Lagos | 220 | 210 | 430 | 2018 |
Canadá | Unidades 1-4 de la estación de generación nuclear de Pickering | Grandes Lagos | 140 | 300 | 440 | 2015 |
Estados Unidos | Unidades de la planta de energía de Diablo Canyon1, 2 | océano Pacífico | 82 | 2,7 | 84 | 2019 |
Fukushima Daiichi
En junio de 2016, el Grupo de trabajo sobre agua tritiada publicó un informe [19] 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 retención de tritio en el sitio en marzo de 2016 fue 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 almacenamiento, observando una disminución de un factor de diez durante los cinco años considerados (2011-2016), 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 considera 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 de para tratar agua con baja concentración de tritio " . [20] Después de una campaña de información pública patrocinada por el gobierno japonés, la liberación gradual en el mar del agua tritiada comenzará en 2023. El proceso tardará" décadas "en completarse. [21] China reaccionó con protesta. [22] [23] [24]
Helio-3
El producto de desintegración del tritio, helio-3, tiene una sección transversal muy grande (5330 graneros) para reaccionar con neutrones térmicos , expulsando un protón, por lo que se convierte rápidamente de nuevo en tritio en los reactores nucleares . [25]
3 2Él + norte → 1 1H + 3
1T
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 la producción natural, un neutrón rápido (que debe tener una energía superior a 4.0 MeV [26] ) interactúa con el nitrógeno atmosférico :
14 7norte + norte → 12 6C + 3
1T
A nivel mundial, la producción de tritio a partir de fuentes naturales es de 148 petabecquerels por año. El inventario de equilibrio global de tritio creado por fuentes naturales permanece aproximadamente constante en 2.590 petabecquerels. Esto se debe a una tasa de producción fija y pérdidas proporcionales al inventario. [27]
Historial de producción
Según un informe de 1996 del Instituto de Investigación Energética y Ambiental del Departamento de Energía de EE. UU. , Solo se produjeron 225 kg (496 lb) de tritio en los Estados Unidos entre 1955 y 1996. [a] Dado que se descompone continuamente en helio- 3, la cantidad total restante era de aproximadamente 75 kg (165 lb) en el momento del informe. [28] [10]
El tritio para 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 eran suficientes para los nuevos y más pequeños número de armas nucleares durante algún tiempo.
La producción de tritio se reanudó con la irradiación de barras que contenían litio (en sustitución de las barras de control habituales que contienen boro , cadmio o hafnio ) en los reactores de la estación de generación nuclear comercial Watts Bar de 2003 a 2005, seguida de la extracción de tritio de las barras. en la nueva instalación de extracción de tritio en el sitio del río Savannah a partir de noviembre de 2006. [29] [30] La fuga de tritio de las barras durante las operaciones del reactor limita el número que se puede usar en cualquier reactor sin exceder los niveles máximos permitidos de tritio en el refrigerante . [31]
Propiedades
El tritio tiene una masa atómica de 3,0160492 u . Tritio diatómico (
T
2 o3
H
2 ) es un gas a temperatura y presión estándar . Combinado con oxígeno , forma un líquido llamado agua tritiada (
T
2O).
La actividad específica del tritio es de 9.650 curies por gramo (3,57 × 10 14 Bq / g). [32]
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:
3
1T
+ 2 1D → 4 2Él + norte
Todos los núcleos atómicos contienen protones como sus únicas partículas cargadas eléctricamente. Por lo tanto, se repelen entre sí porque las cargas iguales se repelen. Sin embargo, si los átomos tienen una temperatura y presión lo 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 hacer efecto, fusionándolos en átomos más pesados.
El núcleo de tritio, que contiene un protón y dos neutrones, [14] tiene la misma carga que el núcleo del hidrógeno ordinario, y experimenta la misma fuerza repulsiva electrostática cuando se acerca a otro núcleo atómico. Sin embargo, los neutrones en el núcleo de tritio aumentan la fuerza nuclear fuerte y atractiva 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 fusionan la pequeña minoría de núcleos de deuterio.
Como los otros isótopos de hidrógeno , el tritio es difícil de confinar. El caucho, el plástico y algunos tipos de acero son todos algo permeables. Esto ha suscitado la 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 ensayos de armas nucleares atmosféricas que tuvieron lugar antes de la promulgación del Tratado de prohibición parcial de ensayos demostraron ser inesperadamente útiles para los oceanógrafos. Los altos niveles de óxido de tritio introducidos en las capas superiores de los océanos se han utilizado en los años transcurridos desde entonces para medir la tasa de mezcla de las capas superiores de los océanos con sus niveles inferiores.
Riesgos de salud
El tritio es un isótopo del hidrógeno, que le permite unirse fácilmente a los radicales hidroxilo , formando agua tritiada ( H T O ) y átomos de carbono. Dado que el tritio es un emisor beta de baja energía , no es peligroso externamente (sus partículas beta no pueden penetrar la piel), [27] pero puede ser un peligro de radiación cuando se inhala, se ingiere a través de los alimentos o el agua o se absorbe a través de la piel. . [33] [34] [35] [36] 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 y evita la bioacumulación a largo plazo de HTO de el entorno. [35] [37] La vida media biológica del agua tritiada en el cuerpo humano, que es una medida de la rotación de agua corporal, varía con la estación. Los estudios sobre la vida media biológica de los trabajadores de radiación ocupacionales para el tritio de agua libre en una región costera de Karnataka, India, muestran que la vida media biológica en la temporada de invierno es el doble que en la temporada de verano. [37]
Contaminación ambiental
El tritio se ha filtrado de 48 de los 65 emplazamientos nucleares de EE. UU. En un caso, el agua que goteaba contenía 7.5 microcurios (280 kBq) de tritio por litro, que es 375 veces el límite de la EPA para el agua potable. [38]
La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. Declara que en funcionamiento normal en 2003, 56 reactores de agua a presión liberaron 40,600 curies (1,50 PBq) de tritio (máximo: 2,080 Ci; mínimo: 0,1 Ci; promedio: 725 Ci) y 24 reactores de agua hirviendo liberaron 665 curies. (24,6 TBq) (máximo: 174 Ci; mínimo: 0 Ci; promedio: 27,7 Ci), en efluentes líquidos. [39]
Según la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. , Se ha descubierto recientemente que los letreros de salida autoiluminados que se colocan incorrectamente en los vertederos municipales contaminan los cursos de agua. [40]
Límites reglamentarios
Los límites legales para el tritio en el agua potable varían ampliamente de un país a otro. A continuación se dan algunas cifras:
Límites de tritio para el agua potable por país [41] País Límite de tritio
(Bq / l)Australia 76,103 [b] Japón 60.000 Finlandia 100 Organización Mundial de la Salud 10,000 Suiza 10,000 Rusia 7.700 Canadá (Ontario) 7.000 Estados Unidos 740
El límite estadounidense se calcula para producir una dosis de 4.0 milirems (o 40 microsieverts en unidades SI ) por año. [35] Esto es aproximadamente el 1,3% de la radiación de fondo natural (aproximadamente 3000 μSv).
Usar
Iluminación autoalimentada
Las partículas beta emitidas por la desintegración radiactiva de pequeñas cantidades de tritio hacen que los productos químicos llamados fósforos brillen.
Esta radioluminiscencia se utiliza en dispositivos de iluminación autoamplificados 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. [c] A partir de 2000[actualizar], la demanda comercial de tritio es de 400 gramos por año [10] y el costo es de aproximadamente 30 000 dólares EE.UU. por gramo. [43]
Armas nucleares
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 " refuerzo ", así como en iniciadores de neutrones externos para tales armas.
Iniciador de neutrones
Estos son dispositivos incorporados en armas nucleares que producen un pulso de neutrones cuando se detona la bomba para iniciar la reacción de fisión en el núcleo fisionable (pozo) de la bomba, después de que se comprime a una masa crítica por explosivos. Accionado por un interruptor ultrarrápido como un krytron , un pequeño acelerador de partículas impulsa iones de tritio y deuterio a energías por encima de los 15 keV o más necesarios para la fusión deuterio-tritio y los dirige hacia un objetivo metálico donde el tritio y el deuterio se adsorben como hidruros . Los neutrones de fusión de alta energía de la fusión resultante se irradian en todas direcciones. Algunos de estos chocan con núcleos de plutonio o uranio en el pozo del 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 necesitarían muchas más generaciones de reacción en cadena, aunque todavía son pequeños 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 " 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 ayuda a la fusión mediante el calentamiento y la compresión continuos, y la fusión ayuda a la fisión con ( 14,1 MeV ) neutrones. A medida que el combustible de fisión se agota y también explota hacia afuera, cae por debajo de la densidad necesaria para mantenerse crítico por sí mismo, pero los neutrones de fusión hacen que el proceso de fisión progrese más rápido y continúe más tiempo de lo que lo haría sin impulso. El aumento de rendimiento proviene de manera abrumadora del aumento de la fisión. La energía liberada por 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 la detonación sin refuerzo)
- la posibilidad de rendimiento variable variando la cantidad de combustible de fusión
- permitiendo que la bomba requiera una cantidad menor del costoso material fisionable, y también eliminando el riesgo de predetonación por explosiones nucleares cercanas
- requisitos no tan estrictos en la configuración de implosión, lo que permite el uso de una cantidad más pequeña y ligera de explosivos de alta potencia
El tritio en 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 pretendido del tritio, que era generar muchos neutrones libres, si se ha acumulado demasiado helio-3 a partir de la desintegración del tritio. Por lo tanto, es necesario reponer periódicamente el tritio en las bombas reforzadas. La cantidad estimada necesaria es de 4 gramos por ojiva. [10] Para mantener niveles constantes de tritio, se deben suministrar a la bomba alrededor de 0,20 gramos por ojiva por año.
Un mol de gas deuterio-tritio contendría aproximadamente 3,0 gramos de tritio y 2,0 gramos de deuterio. En comparación, los 20 moles de plutonio en una bomba nuclear consisten en aproximadamente 4.5 kilogramos de plutonio-239 .
Tritio en secundarios de bombas de hidrógeno
Dado que el tritio sufre desintegración radiactiva y también es difícil de confinar físicamente, la carga secundaria mucho mayor de isótopos de hidrógeno pesados necesarios 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 de bomba de fisión primaria en un arma termonuclear (etapa Teller-Ullam ), la bujía , un cilindro de 235 U / 239 Pu en el centro de la etapa (s) de fusión, comienza a fisión 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 de la fisión primaria y 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 a medida que detona 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 menos energéticos (solo fisión, fusión deuterio-tritio y 7
3Li
splitting son productores netos de neutrones), el deuteruro de litio no se usa en bombas reforzadas, sino en bombas de hidrógeno de múltiples etapas.
Fusión nuclear controlada
El tritio es un combustible importante para la fusión nuclear controlada en diseños de reactores de fusión de confinamiento magnético y confinamiento inercial . El reactor de fusión experimental ITER y la Instalación Nacional de Ignición (NIF) utilizarán combustible deuterio-tritio. La reacción deuterio-tritio es favorable ya que tiene la sección transversal de fusión más grande (aproximadamente 5,0 graneros ) y alcanza esta sección transversal máxima con la energía más baja ( centro de masa de aproximadamente 65 keV ) de cualquier combustible de fusión potencial.
La Asamblea Prueba de Sistemas de tritio (TSTA) era una instalación en el Laboratorio Nacional de Los Alamos , dedicada al desarrollo y demostración de tecnologías necesarias para el procesamiento de la fusión de deuterio y tritio-relevante.
Química analítica
El tritio se utiliza a veces como radiomarcaje . Tiene la ventaja de que casi todos los productos químicos orgánicos contienen hidrógeno, lo que facilita encontrar un lugar para colocar tritio en la molécula bajo investigación. Tiene la desventaja de producir una señal comparativamente débil.
Fuente de energía eléctrica
El tritio se puede utilizar en un dispositivo betavoltaico para crear una batería atómica para generar electricidad .
Úselo como un trazador transitorio oceánico
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. [44] Por lo tanto, el tritio se ha utilizado como una herramienta para examinar la circulación y la ventilación de los océanos y, para tales fines, generalmente se mide en unidades de tritio, donde 1 TU se define como la relación de 1 átomo de tritio por 10 18 átomos de hidrógeno, [44] aproximadamente igual a 0,118 Bq / litro. [45] Como se señaló anteriormente, las pruebas de armas nucleares, principalmente en las regiones de alta latitud del hemisferio norte, a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960 introdujeron grandes cantidades de tritio en la atmósfera, especialmente en la estratosfera . Antes de estas pruebas nucleares, solo había 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. [44] Algunas fuentes informaron que los niveles de fondo natural se excedieron en aproximadamente 1000 TU en 1963 y 1964 y el isótopo se usa en el hemisferio norte para estimar la edad del agua subterránea y construir modelos de simulación hidrogeológica. [46] Fuentes científicas recientes han estimado que los niveles atmosféricos en el punto álgido de las pruebas de armas se acercan a las 1.000 TU y los niveles de agua de lluvia previos a la lluvia radiactiva entre 5 y 10 TU. [47] En 1963, la isla de Valentia Irlanda registró 2.000 TU de precipitación. [48]
océano Atlántico Norte
Mientras estaba en la estratosfera (período posterior a la prueba), el tritio interactuó y se oxidó a moléculas de agua y estuvo presente en gran parte de la lluvia rápidamente producida, haciendo del tritio 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. [44]
Se utilizaron datos de bombas de tritio del programa Transient Tracers in the Ocean (TTO) para cuantificar las tasas de reabastecimiento y vuelco de aguas profundas ubicadas en el Atlántico norte. [49]
Bomb-tritium también entra en las profundidades del océano alrededor de la Antártida. [50] La mayor parte del agua tritiada por bomba (HTO) de la atmósfera puede ingresar al océano a través de los siguientes procesos:
- (a) precipitación
- (b) intercambio de vapor
- (c) escorrentía del río
Estos procesos hacen de HTO un gran trazador para escalas de tiempo de hasta algunas décadas. [49]
Utilizando los datos de estos procesos para 1981, la isosuperficie de 1 TU se encuentra entre 500 y 1,000 metros de profundidad en las regiones subtropicales y luego se extiende a 1,500-2,000 metros al sur de la Corriente del Golfo debido a la recirculación y ventilación en la parte superior del Océano Atlántico. . [44] Hacia el norte, la isosuperficie se profundiza y alcanza el suelo de la llanura abisal, que está directamente relacionada con la ventilación del suelo oceánico en escalas de tiempo de 10 a 20 años. [44]
También es evidente en el Océano Atlántico el perfil de tritio cerca de las Bermudas entre finales de los sesenta y finales de los ochenta. 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 aproximadamente 18 metros por año. [44] También hay aumentos de tritio a 1.500 metros de profundidad a fines de la década de 1970 y 2.500 metros a mediados de la década de 1980, los cuales corresponden a eventos de enfriamiento en aguas profundas y la ventilación de aguas profundas asociada. [44]
A partir de un estudio de 1991, el perfil de tritio se utilizó como herramienta para estudiar la mezcla y propagación de las aguas profundas del Atlántico norte (NADW) recién formadas , correspondientes a aumentos de tritio a 4 TU. [49] Este NADW tiende a extenderse 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 fronterizas profundas. Este proceso se explicó a través de la distribución de tritio a gran escala en el Atlántico norte profundo entre 1981 y 1983. [49] El giro subpolar tiende a ser refrescado (ventilado) por el NADW y está directamente relacionado con los altos valores de tritio (> 1,5 TU). También fue evidente la disminución de tritio en la corriente límite occidental profunda en un factor de 10 desde el Mar de Labrador hasta los Trópicos , lo que es indicativo de pérdida en el interior del océano debido a la mezcla turbulenta y la recirculación. [49]
Océanos Pacífico e Índico
En un estudio de 1998, se tomaron muestras de las concentraciones de tritio en el agua de mar superficial y el vapor de agua atmosférico (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. . [51] Los resultados indicaron que la concentración de tritio en el agua de mar superficial fue más alta en la bahía de Fremantle (aproximadamente 0,40 Bq / litro), lo que podría acreditarse por la mezcla de escorrentías de agua dulce de tierras cercanas debido a las grandes cantidades encontradas en las aguas costeras. [51] Normalmente, se encontraron concentraciones más bajas entre los 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 la bomba en el Océano Índico . En cuanto al vapor de agua, la concentración de tritio fue aproximadamente un orden de magnitud mayor que las concentraciones de agua de mar superficial (entre 0,46 y 1,15 Bq / litro). [51] Por lo tanto, el tritio del vapor de agua no se ve afectado por la concentración de agua de mar en la superficie; 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 lo tanto, el aire del océano mostró una dependencia del cambio latitudinal). [51]
En el Océano Pacífico Norte , el tritio (introducido como tritio bomba en el hemisferio norte) se extendió en tres dimensiones. Hubo máximos subsuperficiales en las regiones de 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 ( isopícnicos ) en la capa superior del océano. [52] Algunos de estos máximos incluso se correlacionan bien con los extremos de salinidad . [52] Con el fin de obtener la estructura para la circulación oceánica, se mapearon las concentraciones de tritio en 3 superficies de densidad potencial constante (23,90, 26,02 y 26,81). [52] 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 isopicnals menos profundos) entre este giro y el anticiclónico. giro hacia el sur; también, el tritio en las superficies 23.90 y 26.02 pareció intercambiarse a un ritmo más lento entre el giro central del Pacífico Norte y las regiones ecuatoriales. [52]
La profundidad de penetración del tritio de la bomba se puede dividir en 3 capas distintas:
- Capa 1
- La capa 1 es la capa más superficial e incluye la capa más profunda y ventilada en invierno; ha recibido tritio a través de la lluvia radiactiva y ha perdido algo debido a la advección y / o difusión vertical y contiene aproximadamente el 28% de la cantidad total de tritio. [52]
- Capa 2
- La capa 2 está debajo de la primera capa pero por encima de la isopicnal 26.81 y ya no es parte de la capa mixta. Sus 2 fuentes son la difusión hacia abajo desde la capa mixta y las expansiones laterales que afloran los estratos (hacia los polos); contiene aproximadamente el 58% del tritio total. [52]
- Capa 3
- La capa 3 es representativa de aguas que son más profundas que el afloramiento isopicnal y solo pueden recibir tritio por difusión vertical; contiene el 14% restante del tritio total. [52]
Sistema del río Mississippi
Los impactos de la lluvia radiactiva [ non sequitur ] se sintieron 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. [53] El estudio de estos sistemas también puede proporcionar a las sociedades y municipios información con fines agrícolas y la calidad general del agua del río.
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) a lo largo de la cuenca del río Mississippi: el río Ohio (entrada más grande al flujo del río Mississippi), el río Missouri y el río Arkansas . [53] Las mayores concentraciones de tritio se encontraron en 1963 en todos los lugares muestreados a lo largo de estos ríos y se correlacionan bien con las concentraciones máximas de precipitación debido a las pruebas de bombas nucleares en 1962. Las concentraciones más altas en general se produjeron en el río Missouri (1963) y fueron superiores a 1200 TU, mientras que las concentraciones más bajas se encontraron en el río Arkansas (nunca más de 850 TU y menos de 10 TU a mediados de la década de 1980). [53]
Se pueden identificar varios procesos utilizando los datos del tritio de los ríos: escorrentía directa y salida de agua de los depósitos de agua subterránea. [53] Usando estos procesos, es posible modelar la respuesta de las cuencas de los ríos al trazador de tritio transitorio. Dos de los modelos más comunes son los siguientes:
- Enfoque de flujo de pistón
- la señal de tritio aparece inmediatamente; y
- Enfoque de reservorio bien mezclado
- la concentración de salida depende del tiempo de residencia del agua de la cuenca [53]
Desafortunadamente, ambos modelos no logran reproducir el tritio en las aguas de los ríos; por lo tanto, se desarrolló un modelo de mezcla de dos miembros que consta de 2 componentes: un componente de flujo rápido (precipitación reciente - "pistón") y un componente donde las aguas residen en la cuenca durante más de 1 año ("depósito bien mezclado" ). [53] Por lo tanto, la concentración de tritio en la cuenca se convierte en una función de los tiempos de residencia dentro de la cuenca, los sumideros (desintegración radiactiva) o las fuentes de tritio y la función de entrada.
Para el río Ohio, los datos de tritio indicaron que aproximadamente el 40% del flujo estaba compuesto por precipitación con tiempos de residencia de menos de 1 año (en la cuenca de Ohio) y las aguas más antiguas consistían en tiempos de residencia de aproximadamente 10 años. [53] Por lo tanto, los tiempos de residencia cortos (menos de 1 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 4 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). [53]
En cuanto al flujo de masa de tritio a través del cauce principal del río Mississippi hacia el golfo de México , los datos indican que aproximadamente 780 gramos de tritio han salido del río y han entrado en el golfo entre 1961 y 1997, [53] un promedio de 7,7 PBq / año Y los flujos actuales a través del río Mississippi son de aproximadamente 1 a 2 gramos por año en comparación con los flujos del período anterior a la bomba de aproximadamente 0,4 gramos por año. [53]
Ver también
- Hipertriton
- Lista de elementos que enfrentan escasez
Notas al pie
- ^ La producción total de tritio en Estados Unidos desde 1955 ha sido de aproximadamente 225 kilogramos, de los cuales se estima que 150 kilogramos se han descompuesto en helio-3, lo que deja un inventario actual de aproximadamente 75 kilogramos de tritio. - Zerriffi y Scoville (1996) [28]
- ^ 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 The Australian Drinking Water Guidelines 6, asumiendo que el tritio es el único radionúclido presente en el agua. [42]
- ^ El tritio ha reemplazado a la pintura radioluminiscente que contiene radio en esta aplicación. La exposición al radio causa cáncer de huesos y su uso ocasional ha estado prohibido en la mayoría de los países durante décadas.
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Más ligero: deuterio | El tritio es un isótopo de hidrógeno | Más pesado: hidrógeno-4 |
Producto de desintegración de: hidrógeno-4 | Cadena de desintegración del tritio | Decae a: helio-3 |