Tritium

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar
H- und P-Sätze H: siehe oben
P: siehe oben
Radioaktivität
Radioaktiv
 
Radioaktiv

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:

{}^{14}_{\ 7} \mathrm {N} \ + \ {}^{1}_{0} \mathrm {n} \ \rightarrow \ {}^{12}_{\ 6} \mathrm {C} \ + \ {}^{3}_{1} \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, zu 99 % in oberflächennahen Schichten der Ozeane.

Strukturformel
Struktur von Tritium
Allgemeines
Name Tritium
Andere Namen
  • Überschwerer Wasserstoff
  • Superschwerer Wasserstoff
  • Wasserstoff 3
  • Triplogen (veraltet)
Summenformel T2 (molekulare Form)
CAS-Nummer 10028-17-8
PubChem 24824
Kurzbeschreibung farbloses Gas
Eigenschaften
Molare Masse
Aggregatzustand gasförmig
Schmelzpunkt −252,5 °C
Siedepunkt −248,1 °C
Dampfdruck 215,98 hPa (am Schmelzpunkt)

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. 158,4 PJ erzeugter elektrischer Energie – als unvermeidliches Nebenprodukt an und kann aus dem Kühlwasser extrahiert werden.

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 Spaltungen. Das bedeutet, dass die Freisetzung von Tritium beim Betrieb von Kernreaktoren, insbesondere bei der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen und der Lagerung von abgebrannten Brennelementen, berücksichtigt werden muss, da Tritium nicht zurückgehalten werden kann. 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.

Produktion aus Lithium

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

\mathrm{^6Li\ +\ n \longrightarrow \ ^4He\ +\ 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

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. 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 Nahrungsaufnahme 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 und sind in verschiedenen Farben zu erhalten.

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

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 und Bewegungsenergie der Teilchen.

Tritium hat zusammen mit Deuterium die günstigsten Eigenschaften als Brennstoff für die Fusionsenergie: Eine hohe Energieausbeute, einen relativ großen Wirkungsquerschnitt, die kleinstmögliche dafür zu überwindende Coulombkraft (nur eine elektrische Ladung je Atom) und dadurch eine vergleichsweise niedrige Fusionstemperatur. Sie beträgt etwa 150 Millionen Kelvin, gegenüber 400 Millionen Kelvin bei der in dieser Hinsicht nächstgeeigneten Deuterium-Deuterium-Reaktion. Deshalb ist kein anderes Brennstoffgemisch für Kernfusionen im großtechnischen Maßstab in Diskussion oder gar Erprobung. Es ist somit auch für ITER, Wendelstein 7-X und künftige Fusionskraftwerke vorgesehen. Für deren Dauerbetrieb wären jedoch ausreichende Mengen Tritium nur durch Erbrüten aus Lithium-6 im Reaktor selbst herstellbar.

Tritium ist auch ein wesentlicher Bestandteil bestimmter Kernwaffen. Werden geringe Mengen von rund zwei bis drei Gramm gasförmigen Tritiums in Kernspaltungs-Waffen eingebracht, kann es deren Sprengstoffwirkung um den Faktor zwei verstärken, auch „boosting“ genannt. Für Neutronenbomben ist Tritium sogar essentiell zur Funktion notwendig; hier werden jedoch größere Mengen von bis zu 20 Gramm Tritium pro Sprengkopf benötigt. In Wasserstoffbomben wird Tritium nur als Booster und zur Einstellung der Sprengkraft in der Fissionstufe verwendet, in der Fusionstufe kommt hingegen Lithiumdeuterid zum Einsatz.

Wie oben beschrieben 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 oder nach GHS, die sich nur mit den von der Chemie ausgehenden Gefahren befassen, würden hier eher verharmlosend wirken und wurden deshalb weggelassen, zumal Tritium nur in dafür fachlich qualifizierten Laboratorien und nur in geringen Mengen gehandhabt wird.

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. Eine andere Studie kommt sogar zu dem Schluss, dass die Wirkung bisher um den Faktor 1000–5000 unterschätzt worden sein könnte.

Nachweis

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

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia

 
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 02.01. 2019