Тритий: что это такое, особенности, свойства и производство

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия: Н₂=2Н — 432 кДж Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция: Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород: F₂+H₂=2HF С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, наприме: CuO + Н₂ = Cu + Н₂0 Записанное уравнение отражает реакцию восстановления. Реакциями восстановления называются процессы, в результате которых от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются). Далее будет дано и другое определение понятиям «окисление» и «восстановление». А данное определение, исторически первое, сохраняет значение и в настоящее время, особенно в органической химии. Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Обе эти реакции всегда протекают одновременно как один процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ → CH₄

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды:

Na + H₂ → 2 NaH

Ca + H₂ → CaH₂

Mg + H₂ → MgH₂

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂ ↑

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2 Fe + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH.

Меры предосторожности

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.

Считается, что взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % по объёму. Такие цифры фигурируют сейчас в большинстве справочников, и ими вполне можно пользоваться для ориентировочных оценок. Однако следует иметь в виду, что более поздние исследования (примерно конец 80-х) выявили, что водород в больших объёмах может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации. Чем больше объём, тем меньшая концентрация водорода опасна.

Источник этой широко растиражированной ошибки в том, что взрывоопасность исследовалась в лабораториях на малых объёмах. Поскольку реакция водорода с кислородом — это цепная химическая реакция, которая проходит по свободнорадикальному механизму, «гибель» свободных радикалов на стенках (или, скажем, поверхности пылинок) критична для продолжения цепочки. В случаях, когда возможно создание «пограничных» концентраций в больших объёмах (помещения, ангары, цеха), следует иметь в виду, что реально взрывоопасная концентрация может отличаться от 4 % как в большую, так и в меньшую стороны.

Легкий водород

Это наиболее просто устроенный атом. Изотоп водорода протий с атомной массой 1,0078 а. е. м. обладает ядром, в состав которого входит только одна частица – протон. Поскольку он стабилен (теоретически время жизни протона оценивается не менее чем в 2,9×1029 лет), то стабилен и атом протия. При записи ядерных реакций он обозначается как 1H₁ (нижний индекс – это атомный номер, то есть число протонов, верхний – общее число нуклонов в ядре), иногда просто p – «протон».

Легкий изотоп – это почти 99,99 % всего водорода; лишь чуть более одной сотой процента приходится на остальные формы. Именно протий вносит решающий вклад в распространенность водорода в природе: во Вселенной в целом – около 75 % массы барионного вещества и приблизительно 90 % атомов; на Земле – 1 % массы и целых 17 % атомов всех элементов, входящих в состав нашей планеты. Вообще, протий (точнее сказать, протон как один из главных компонентов Вселенной) смело можно назвать важнейшим элементом. Он обеспечивает возможность термоядерного синтеза в недрах звезд, в том числе и Солнца, и за счет него образуются прочие элементы. Кроме того, легкий водород играет важную роль в построении и функционировании живого вещества.

В молекулярной форме водород вступает в химические взаимодействия при высоких температурах, поскольку для расщепления его достаточно прочной молекулы нужно много энергии. Атомарный водород характеризуется очень высокой химической активностью.

использовать

Брелок с тритием

Дейтерия и трития атомного ядра сливаются, образуют ядро гелия , освобождая быстрый нейтрон и кинетической энергии частиц.

В биологии , химии и медицине , помимо прочего , тритий используется в качестве так называемого индикатора для маркировки определенных веществ, в том числе для определения возраста грунтовых вод .

В газообразных источниках света с тритием (лампах с длительным сроком службы) газообразный тритий используется вместе с люминофором в герметичных трубках из боросиликатного стекла . Бета — излучение трития стимулирует флуоресцентное покрытие на внутренней части стеклянной трубки , чтобы дать слабое свечение ( флуоресценции ). Эти «холодные фонари» имеют теоретический срок службы несколько десятилетий и доступны в различных цветах.

Вышеупомянутые источники света из газообразного трития также используются в качестве источника света на циферблатах и ​​стрелках некоторых моделей часов. В компасах , которые использовались армией США в 1980-х годах, для обозначения сторон света использовался тритий 120 мКи . Светящаяся краска, содержащая тритий, также наносилась на прицелы оружия.

Ионизационные детекторы дыма иногда работают с ампулой газообразного трития в качестве ионизатора. Однако производство и хранение больших количеств опасно для здоровья из-за радиоактивности. Следовательно, это через фосфоресцентные источники света, такие как. Б. Суперлюминова заменена. 241 Am (америций) также можно использовать в дымовых пожарных извещателях вместо трития .

Смесь дейтерия и трития (DT) в соотношении 1: 1 имеет в качестве топлива для получения энергии термоядерного синтеза : высокий выход энергии, относительно большое поперечное сечение, минимально возможная кулоновская сила, которую необходимо преодолеть (только один электрический заряд на атом) и, следовательно, сравнительно низкая температура плавления. В термоядерных реакторах она составляет около 100 миллионов Кельвинов по сравнению с 400 миллионами Кельвинов в следующей наиболее подходящей дейтерий-дейтериевой реакции. Поэтому для будущих термоядерных электростанций можно рассматривать только смесь DT. Однако для их непрерывной работы достаточное количество трития можно было получить только путем с литием-6 в самом реакторе. Первые эксперименты, в которых были обнаружены DT-синтезы, до сих пор проводились на испытательных объектах Joint European Torus (JET) в Калхэме, Англия, и на испытательном реакторе Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) в Принстоне. Крупномасштабные эксперименты DT запланированы на второй экспериментальный этап проекта ИТЭР . Системы для исследования основ термоядерной электростанции, такие как модернизация токамака ASDEX в Гархинге в Германии или стелларатор Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, с другой стороны, используют только дейтериевую или водородную плазму, потому что поначалу все сводилось к получению стабильная плазменная продукция. Это означает, что есть доступ к системе и измерительным приборам сразу после каждого эксперимента, а усилия по радиационной защите можно снизить (это также необходимо для дейтериевой плазмы, потому что в ней происходят многочисленные слияния дейтерия и дейтерия даже при 100 млн Кельвин).

Тритий также является неотъемлемой частью определенного ядерного оружия . Всего несколько граммов газообразной дейтерий-тритиевой смеси могут увеличить взрывной эффект ядерного оружия деления в два раза, также известный как «ускорение». Тритий даже необходим для функционирования нейтронных бомб; Здесь требуется до 20 граммов трития на боеголовку. В водородных бомбах тритий используется только в качестве ускорителя и для регулировки взрывной мощности на стадии деления , тогда как дейтерид лития используется на стадии термоядерного синтеза , из которого тритий образуется только при нейтронной бомбардировке.

Из-за относительно короткого периода полураспада, составляющего 12,3 года, тритий используется для определения возраста приповерхностных грунтовых вод или для изучения гидрологических условий стока. Отправной точкой для расчетов является поступление трития в грунтовые воды в 1950-х и начале 1960-х годов. Причиной проникновения стали многочисленные атомные испытания в атмосфере, в результате которых было выделено значительное количество трития.

В результате бета-распада трития образуется нерадиоактивный гелий-3 . Из-за его крайней редкости в природных источниках гелия, в настоящее время это самый дешевый источник гелия-3. Он необходим в фундаментальных исследованиях.

Получение

Основная статья: Производство водорода

См. также: Биотехнологическое получение водорода

В промышленности

На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м3 газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO₂. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.

Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C:

 CH₄ + H₂O  ⇄  CO + 3H₂ 

Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:

 H₂O + C  ⇄  CO↑ + H₂↑ 

Электролиз водных растворов солей:

 2NaCl + 2H₂O →  2NaOH + Cl₂↑ + H₂↑ 

Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов (преимущественно, гидроксида калия)

 2H₂O →4e− 2H₂↑ + O₂↑

Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной.

Каталитическое окисление кислородом:

 2CH₄ + O₂ ⇄  2CO + 4H₂ 

Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:

 Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑

Взаимодействие кальция с водой:

 Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

Гидролиз гидридов:

 NaH + H₂O → NaOH + H₂↑ 

Действие щелочей на цинк или алюминий:

 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

 Zn + 2KOH + 2H₂O → K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

 2H₃O+ + 2e− → 2H₂O + H₂↑

Очистка

В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из углерод-содержащего сырья (т. н. водородсодержащий газ — ВСГ).

• Низкотемпературная конденсация: ВСГ охлаждают до температур конденсации метана и этана, после чего водород отделяют ректификацией. Процесс ведут при температуре −158 °C и давлении 4 МПа. Чистота очищенного водорода составляет 93—94 % при его концентрации в исходном ВСГ до 40 %.
• Адсорбционное выделение на цеолитах: Настоящий метод на сегодняшний день наиболее распространён в мире. Метод достаточно гибок и может использоваться как для выделения водорода из ВСГ, так и для доочистки уже очищенного водорода. В первом случае процесс ведут при давлениях 3,0—3,5 МПа. Степень извлечения водорода составляет 80-85 % с чистотой 99 %. Во втором случае часто используют процесс «PSA» фирмы «Union Carbide». Он впервые был реализован в промышленности в 1978 году. На настоящий момент функционирует более 250 установок от 0,6 до 3,0 млн м3 H₂/сут. Образуется водород высокой чистоты 99,99 %.
• Абсорбционное выделение жидкими растворителями: Этот метод применяется редко, хотя водород получается высокой чистоты 99,9 %.
• Концентрирование водорода на мембранах: На лучших образцах метод позволяет получать водород чистотой 95-96 %, однако производительность таких установок невысока.
• Селективное поглощение водорода металлами: Метод основан на способности сплавов лантана с никелем, железа с титаном, циркония с никелем и других поглощать до 30 объёмов водорода.

Стоимость

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2—7 USD/кг. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.

Технические соображения

Дейтерий — тритий реакция синтеза (ДТ) считается наиболее перспективной для получения термоядерной энергии .

Схема ДЕМО термоядерной электростанции

Когда дейтерий и тритий сливаются, два ядра объединяются, чтобы сформировать резонансное состояние, которое расщепляется, образуя, в свою очередь, ядро гелия ( альфа-частицу ) и нейтрон высокой энергии .

2 ₁ЧАС + 3 ₁ЧАС → 4 ₂Он + 1 п + 17,6 МэВ

DEMO будет построен после того, как будут разработаны конструкции, решающие многие проблемы современных термоядерных реакторов. Эти проблемы включают: удержание плазменного топлива при высоких температурах, поддержание достаточно высокой плотности реагирующих ионов и улавливание нейтронов высокой энергии из реакции без плавления стенок реактора.

• Энергия активации слияния очень велика, потому что протоны в каждом ядре сильно отталкиваются друг от друга; они оба заряжены положительно . Для слияния ядра должны находиться в пределах 1 фемтометра (1 × 10 -15 метров) друг от друга, где эффекты квантового туннелирования позволяют родительским ядрам сливаться вместе в резонансное состояние. Принцип состоит в том, чтобы сформировать квазимаксвелловское распределение для дейтронов и тритонов при очень высоких температурах, когда ядра в хвосте Максвелла подвергаются слиянию, в то время как непрерывные упругие столкновения между другими ядрами не изменяют состояние ядра. плазма.
• DEMO, реактор Tokamak , требует как плотной плазмы, так и высоких температур для поддержания реакции синтеза.
• Высокие температуры дают ядрам достаточно энергии, чтобы преодолеть их электростатическое отталкивание . Для этого требуются температуры порядка 100000000  ° C и достигается за счет использования энергии из различных источников, включая омический нагрев (от электрических токов, индуцированных в плазме), микроволны , ионные пучки или инжекцию нейтрального пучка.
• Сосуды сдерживания плавятся при этих температурах, поэтому плазму следует удерживать вдали от стенок с помощью магнитного удержания .

Как только термоядерный синтез начнется, нейтроны высоких энергий с температурой около 160 000 000 000  кельвинов будут выливаться из плазмы вместе с рентгеновскими лучами , на них не действуют сильные магнитные поля. Поскольку нейтроны получают большую часть энергии от термоядерного синтеза, они будут основным источником тепловой энергии реактора. Ультра-горячий гелиевый продукт с температурой примерно 40 000 000 000 кельвинов останется (временно) для нагрева плазмы и должен компенсировать все механизмы потерь (в основном тормозное рентгеновское излучение от замедления электронов), которые имеют тенденцию довольно быстро охлаждать плазму.

• Защитный сосуд Токамака будет иметь футеровку, состоящую из керамических или композитных плиток, содержащих трубы, по которым будет течь теплый жидкий металлический литий , охлаждая футеровку.
• Литий легко поглощает высокоскоростные нейтроны с образованием гелия и трития, при этом нагреваясь.
• Это повышение температуры передается другой (промежуточной) охлаждающей жидкости, возможно (находящейся под давлением) жидкой воде в герметичной трубе под давлением.
• Тепло промежуточного хладагента будет использовано для кипячения воды в теплообменнике .
• Пар из теплообменника будет использоваться для привода турбин и генераторов, для создания электрического тока .
• Отработанная тепловая энергия сверх выработанной электроэнергии сбрасывается в окружающую среду.
• Побочный продукт гелия — это «пепел» этого синтеза, и ему не позволят слишком много накапливаться в плазме.
• Тщательно отмеренные количества дейтерия и трития снова добавляют в плазму и нагревают.
• Литий перерабатывается для удаления гелия и трития, а остаток перерабатывается для сбора большего количества тепла и нейтронов. Потребляется лишь небольшое количество лития.

Планируется, что проект DEMO будет развивать и улучшать концепции ИТЭР. Поскольку это только предлагается в настоящее время, многие детали, включая методы нагрева и метод захвата нейтронов высоких энергий, все еще не определены.

Источник

Естественный

На Земле естественные радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды.

• Радионуклиды образуются при звездном нуклеосинтезе и взрывах сверхновых вместе со стабильными нуклидами. Большинство из них быстро распадаются, но их все еще можно наблюдать астрономически и они могут сыграть роль в понимании астрономических процессов. Первичные радионуклиды, такие как уран и торий , существуют в настоящее время, потому что их период полураспада настолько велик (> 100 миллионов лет), что они еще не полностью распались. У некоторых радионуклидов период полураспада настолько велик (во много раз превышает возраст Вселенной), что распад был обнаружен только недавно, и для большинства практических целей их можно считать стабильными, в первую очередь висмут-209 : обнаружение этого распада означало, что висмут был больше не считается стабильным. Возможно, распад может наблюдаться и в других нуклидах, пополняющих этот список первичных радионуклидов.
• Вторичные радионуклиды — это радиогенные изотопы, полученные в результате распада первичных радионуклидов. У них более короткий период полураспада, чем у первичных радионуклидов. Они возникают в цепочке распада первичных изотопов тория-232 , урана-238 и урана-235 . Примеры включают природные изотопы полония и радия .
• Космогенные изотопы , такие как углерод-14 , присутствуют, потому что они постоянно образуются в атмосфере из-за космических лучей .

Многие из этих радионуклидов существуют в природе только в следовых количествах, включая все космогенные нуклиды. Вторичные радионуклиды будут встречаться пропорционально их периоду полураспада, поэтому короткоживущие радионуклиды будут очень редкими. Например, полоний содержится в урановых рудах в количестве около 0,1 мг на метрическую тонну (1 часть из 10 10 ). Другие радионуклиды могут встречаться в природе в практически не обнаруживаемых количествах в результате редких событий, таких как спонтанное деление или необычные взаимодействия космических лучей.

Ядерное деление

Радионуклиды образуются в результате ядерного деления и термоядерных взрывов . Процесс ядерного деления создает широкий спектр продуктов деления , большинство из которых являются радионуклидами. Дальнейшие радионуклиды могут образовываться в результате облучения ядерного топлива (создавая ряд актинидов ) и окружающих структур с образованием продуктов активации . Эта сложная смесь радионуклидов с различным химическим составом и радиоактивностью делает обращение с ядерными отходами и борьбу с ядерными осадками особенно проблематичными.

Синтетический

Искусственный нуклид америций-241, испускающий альфа-частицы, помещенный в камеру Вильсона для визуализации

Синтетические радионуклиды намеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов:

• Радиоизотопы можно не только извлекать из ядерных отходов, но и намеренно производить с помощью ядерных реакторов, используя высокий поток присутствующих нейтронов . Эти нейтроны активируют элементы, размещенные внутри реактора. Типичный продукт ядерного реактора — иридий-192 . Считается, что элементы, которые имеют большую склонность поглощать нейтроны в реакторе, имеют высокое нейтронное сечение .
• Ускорители частиц, такие как циклотроны, ускоряют частицы, чтобы бомбардировать цель с образованием радионуклидов. Циклотроны ускоряют протоны в мишени с образованием излучающих позитрон радионуклидов, например фтора-18 .
• Генераторы радионуклидов содержат родительский радионуклид, который распадается с образованием дочернего радиоактивного вещества. Родитель обычно производится в ядерном реакторе. Типичный пример — генератор технеция-99m, используемый в ядерной медицине . Материнским источником, получаемым в реакторе, является молибден-99 .

Дефект масс и энергия связи трития

Одним из ключевых в физике элементарных частиц является понятие энергии связи атомных ядер. Под энергией связи ядра трития понимают то количество энергии, которое необходимо, чтобы произошло расщепление его ядра на отдельные нуклоны. Поскольку ядра удерживаются так называемым сильным взаимодействием, требуется большое количество энергии, чтобы их расщепить.

Чтобы высчитать энергию связи ядра, необходимо знать массу субатомных частиц. Известно, что масса покоя ядра меньше суммарной массы нуклонов в его составе. Разницу между массами ядра и суммами его нуклонов называют дефектом масс.

Дефект массы трития, как и других ядер, рассчитывается по формуле:

Δm = (Z*mp + N*mn) — Мя, где

Z — число протонов;

N — число нейтронов;

mp — масса протона;

mn — масса нейтрона;

Мя — масса ядра.

Удельная энергия связи для элемента трития составляет 2 827,2 кэВ на нуклон.

Трудности измерения мощности тритиевого облучения

Сверхтяжелая вода, как и газообразный тритий, негативно влияет на весь организм человека и относится к важнейшим дозообразующим радионуклидам. К сожалению, до сих пор плохо изучено воздействие малых концентраций тритированной воды на организм человека. Связано это с методическими трудностями определения содержания трития в природной среде и высокой стоимостью измерительной аппаратуры. Реальные дозы полученного облучения обычно определяют по содержанию трития в моче, но и в этой методике имеются недоработки:

• контролируется только активность оксида трития, без учета активности органических соединений трития.
• при расчете доз не учитываются экспериментальные данные ОСТ с периодом выведения более года и оксида трития – 10 дней.
• нормы ОСТ согласно НРБ в 2-3 раза меньше, чем пределы по оксиду трития.

Максимальный пробег бета-частиц трития в воздухе составляет всего 5 мм, что исключает использование измерительных приборов, где исследуемый объект отделяется от рабочего вещества какими-либо пленками. 

История концепции

Концепция реактора DEMO восходит к 1970-м годам. График В.М. Стейси показывает, что к 1979 году были завершены демонстрационные проекты General Atomics и Oak Ridge National Laboratory .

На совещании, организованном МАГАТЭ в июне 1986 года, участники согласились со следующим кратким определением реактора DEMO: «DEMO — это законченная электростанция, демонстрирующая, что все технологии, необходимые для прототипа промышленного реактора, работают достаточно надежно, чтобы вызвать достаточную уверенность в себе. такие коммерческие реакторы должны быть конкурентоспособными с другими источниками энергии. DEMO не обязательно должен быть экономичным и не должен быть полноразмерным реактором ».

В следующем году в документе МАГАТЭ показаны проектные параметры реактора DEMO в США, разработанного Аргоннской национальной лабораторией, реактора DEMO в Италии под названием FINTOR (Frascati, Ispra, Napoli Tokamak Reactor), реактора DEMO в Калхэме (Великобритания) и реактора DEMO в Италии. Европейский DEMO-реактор называется NET (Next European Torus). Основными параметрами NET были 628 МВт полезная электрическая мощность и 2200 МВт валовая тепловая мощность, что почти соответствует текущему проекту ЕС ДЕМО.

История открытия водорода

Доподлино установить кто открыл водорода невозможно, поскольку он известен с XVI века. Алхимики заметили, что при взаимодействии железных опилок с соляной или серной кислотой выделяется «горючий воздух», или «искусственный воздух». Однако его все-таки считали воздухом, получившим почему-то способность гореть.

Но вот сторонник точных измерений Генри Кавендиш (Henry Cavendish) выделил водород из серной и соляной кислот железом, цинком, оловом. Он собирал его в газометре и узнал, что при горении «горючего воздуха» образуется чистая вода. Поэтому считается, что лавры открытия водорода принадлежат именно ему.

Однако окончательное суждение о «горючем газе», так же как и о кислороде, принадлежит Антуану Лорану Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier). Он повторил опыт Кавендиша, поставил новые опыты и доказал, что «горючий воздух» — это простое вещество, что вода не простое тело, а химическое соединение двух элементов — водорода и кислорода. Лавуазье дал имя «горючему воздуху» hydrogene (от греч. «рождающий воду») .

Интересны первые русские наименования водорода: «водотворный газ», «водотвор». Легкость водорода, пожалуй, поразила первых наблюдателей больше, чем остальные его свойства. Думали даже, что он и есть тот таинственный с «отрицательным весом» флогистон, который, проникая в тела, сообщает им способность гореть.

В 1794 г. к водороду возник чисто военный интерес. В то время уже были изобретены воздушные шары, наполненные горячим воздухом, — монгольфьеры Их называли так в честь братьев французов Монгольфье, совершивших первый полет на таком аэростате в 1783 г.

Преимущества водорода перед нагретым воздухом были очевидны. Нагретый воздух обладал подъемной силой, пока он не остывал до температуры окружающего воздуха. Следовательно, чтобы совершить более или менее длительный полет, надо было под отверстием аэростата в гондоле пилота поддерживать огонь, подогревать воздух. Конечно, это было опасно и приводило к трагическим катастрофам. А водород всегда будет легче воздуха более чем в 14 раз. И его не надо нагревать, наоборот — беречь от огня.

Лавуазье разработал промышленный способ получения водорода, названный «железо-паровым». Заключался он в следующем. Пары воды из котла поступали в железные трубы, наполненные железными стружками. Трубы накалялись в жаровнях — протекала химическая реакция вытеснения водорода железом из воды с образованием железной окалины:

3Fe + 4Н₂O = Fe₃O₄ + 4Н₂

Избыток водяных паров, непрерывно поступающих в трубу, проходил через холодильник, а водород по трубам направлялся в аэростат и надувал его.

Когда железо израсходуется, его опять можно получить из накаленной окалины, если через трубу пропустить светильный газ. Уравнение показывает, что 3?56=168 г железа могут вытеснить 8 г водорода, или 4?22,4=89,6 л водорода.

В войнах 1904-1905 и 1914-1918 гг. привязанные канатами аэростаты служили главным образом для наблюдения за прицельностью артиллерийского огня, за передвижением войск. Во время Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. они защищали военные объекты от авиации противника. Летчики, опасаясь столкновений с аэростатом и канатами, летали на большой высоте, поэтому их бомбовые удары в значительной мере теряли прицельность.

Первый в мире полет на аэростате с научной целью совершил ученый Захаров Яков Дмитриевич в 1804 г. А в 1887 г. для наблюдения солнечного затмения и изучения воздуха поднялся в воздух Менделеев Дмитрий Иванович.

Возникновение

Естественное происхождение

Тритий возникает естественным образом в основном в стратосфере . Быстрые протоны космических лучей частично образуют тритий непосредственно в результате , но в основном вторичные нейтроны, которые образуют тритий в реакциях с азотом в стратосфере и верхней тропосфере:

 7-е14-еN + 1п →  6-е12-еС. + 13ЧАС{\ displaystyle {} _ {\ 7} ^ {14} \ mathrm {N} \ + \ {} _ {0} ^ {1} \ mathrm {n} \ \ rightarrow \ {} _ {\ 6} ^ { 12} \ mathrm {C} \ + \ {} _ {1} ^ {3} \ mathrm {H}}

короткая:

14-еN + п⟶ 12-еС. + Т{\ displaystyle \ mathrm {^ {14} N \ + \ n \ longrightarrow \ ^ {12} C \ + \ T}}

Тритий первоначально образует HT (водород трития), диффундирует (если образуется в стратосфере) в тропопаузу , окисляется в тропосфере с постоянной времени 6,5 лет в результате фотохимических реакций до HTO (T-содержащая вода), а затем относительно быстро уходит в дождь. Устойчивое состояние устанавливается в результате образования и радиоактивного распада, в результате которого в биосфере постоянно остается около 3,5 кг трития, образующегося в результате естественного производства, 99% которого находится в приповерхностных слоях океанов.

Побочный продукт ядерного деления

В реакторах замедлителем с тяжелой водой (смотри , например , CANDU ), тритий происходит как неизбежный побочный продукт в количестве около 1 кг на 5  — то есть около 150 РЕТА-джоулей генерируемой электрической энергии. Экстракция из охлаждающей воды сложна, поскольку для этого требуется разделение изотопов .

Тритий также образуется в теплоносителе первого контура многих реакторов с водой под давлением , поскольку в воду добавляется определенное количество борной кислоты для регулирования реакционной способности активной зоны реактора. Желаемая реакция состоит в том, что бор-10 поглощает нейтрон, а затем немедленно распадается на альфа-частицу и литий-7. Однако нежелательной побочной реакцией является то, что бор-11 поглощает нейтрон, а затем распадается на тритий и бериллий-9.

Тритий также является менее распространенным побочным продуктом при делении делящихся ядер атомов, таких как 235 U, 239 Pu или 233 U, и образуется с частотой приблизительно 1 ядро ​​трития на 10 4 делений. Тритий образуется в 7% тройных распадов, т.е. когда исходный нуклид расщепляется на три, а не на два фрагмента. Как правило, этот тритий остается в ТВС вместе с другими продуктами деления. Однако он может высвободиться в случае расплавления активной зоны или при переработке ядерного топлива.

Производство из лития

Тритий можно получить путем реакции 6 Li с нейтронами:

6-еЛ.я + п⟶ 4-йЧАСе + Т + 4-й,78 М.еV{\ displaystyle \ mathrm {^ {6} Li \ + \ n \ longrightarrow \ ^ {4} He \ + \ T \ + \ 4 {,} 78 \ МэВ}}

В водородных бомбах тритий, необходимый для синтеза, в основном производится таким образом во время взрыва бомбы. Нейтроны , необходимые для этого изначально исходить от деления из урана или плутония , а затем и от самого слитой реакции.

Для термоядерных реакторов производство трития из лития планируется таким же образом: первоначально, особенно для работы исследовательских реакторов, тритий будет производиться с помощью потока нейтронов в ядерных реакторах . Позже необходимый тритий будет производиться в бланкете термоядерных реакторов.

Производство трития

В настоящее время получение данного изотопа не представляет трудностей, но является чрезвычайно дорогостоящим процессом. Для изготовления одного килограмма вещества требуются затраты в размере 30 млн долларов.

В качестве сырья используют чаще всего литий. Реже — бериллий или бор. Литий подвергают нейтронному облучению на циклотроне. Затем его растворяют в воде, получая водород, в составе которого имеется тритий. Половина лития приходит в негодность в результате этого процесса и отравляется в утиль.

Для получения водорода с тритием из бериллия и бора их обрабатывают серной кислотой.

Еще одним способом получения изотопа является облучение тяжелой воды дейтронами. Тяжелая вода — вещество, образующееся из дейтерия (другое название — оксид дейтерия). После облучения такую воду подвергают электролизу и затем извлекают тритий.

В настоящее время элемент производится в основном на территории США, Канады и России.

История получения дейтерия и трития

Дейтерий

Помимо «обычного» водорода (протия, от греческого protos – первый), в природе присутствует также его тяжелый изотоп – дейтерий (от латинского deuteros – второй) и в ничтожных количествах сверхтяжелый водород – тритий. Долгие и драматические поиски этих изотопов вначале не давали результата из-за недостаточной чувствительности приборов. В конце 1931 группа американских физиков – Г.Юри со своими учениками, Ф.Брикведде и Дж.Мэрфи, взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, т.е. уменьшив объем в 4 тысячи раз. Этот последний миллилитр жидкости после ее испарения и был исследован спектроскопическим методом. Опытный спектроскопист Юри заметил на спектрограмме обогащенного водорода новые очень слабые линии, отсутствующие у обычного водорода. При этом положение линий в спектре точно соответствовало проведенному им квантово-механическому расчету нуклида 2H (см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ).

После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделять изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно это открытие стало ключевым для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932, а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 за открытие тяжелого водорода Гарольд Клейтон Юри получил Нобелевскую премию по химии.

Тритий

17 марта 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов!). Несмотря на скромное название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом, она сообщала миру о выдающемся результате – искусственном получении третьего изотопа водорода – трития. В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом 1Н на 1018 атомов 3Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности (период полураспада 12,3 года).