Tritium

Strukturformel
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[1]
Eigenschaften
Molare Masse	6,032099 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Schmelzpunkt	−252,5 °C[1]
Siedepunkt	−248,1 °C[1]
Dampfdruck	215,98 hPa (am Schmelzpunkt)[1]
Sicherheitshinweise
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [2] keine Einstufung verfügbar R- und S-Sätze R: siehe oben S: siehe oben
Radioaktivität
Radioaktiv
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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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 in den oberen Schichten der Erdatmosphäre durch die kosmische Strahlung über Neutronen-Beschuss auf Stickstoffkerne:

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

oder auch

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

Außerdem gelangt Tritium mit dem Sonnenwind in die Atmosphäre. Tritium aus diesen beiden Quellen gelangt durch Konvektionsströmungen zur Erdoberfläche, vor allem als HT (Tritiumwasserstoff). Aus diesem ständigen natürlichen Nachschub und dem radioaktiven Zerfall stellt sich ein Fließgleichgewicht ein, wodurch sich auf der Erdoberfläche ständig ca. 3,5 kg Tritium aus natürlicher Produktion befinden,^[3] die sich zu 99 % in oberflächennahen Schichten der Ozeane ansammeln.^[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) 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 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.

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

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. Davon erhält das Elektron im Mittel 5,7 keV kinetische Energie,^[5] 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.

Tritium wurde ebenfalls bis 1998 bzw. 2000 in selbstleuchtenden Leuchtstoffen z. B. auf Uhrenzifferblättern und -zeigern verwendet und später von Luminova und zwei Jahre später von Superluminova abgelöst, da diese beiden nachleuchtenden Stoffe keine radioaktive Strahlung aufweisen.^[6]

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.

Gegenwärtig wird der Einsatz von Tritium zur autarken Energieversorgung von Mikroprozessoren aus Silizium durch die Ausnutzung des Betazerfalls (siehe Betavoltaik) diskutiert. An der Universität von Pittsburgh wurde im Jahr 2006 ein Verfahren entwickelt, durch Beschuss einer Quarzoberfläche mit einem energiereichen ultravioletten Laserstrahl Tritiumatome bis zu einer Tiefe von acht Mikrometern in die Quarzschicht einzubauen. Für die Anwendung des Verfahrens in Silizium muss diese Methode allerdings noch mit der in der Industrie zur Herstellung von Schaltkreisen eingesetzten Photolithographie kombiniert 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.^[7] In Wasserstoffbomben wird Tritium nur als Booster und zur Einstellung der Sprengkraft in der Fissionstufe verwendet, in der Fusionstufe kommt hingegen Lithiumdeuterid zum Einsatz.^[8][9]

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.^[10] Eine andere Studie kommt sogar zu dem Schluss, dass die Wirkung bisher um den Faktor 1000–5000 unterschätzt worden sein könnte.^[11]

Nachweis

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

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d} Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 274. 
2. ↑ siehe Sicherheitshinweise
3. ↑ D. Lal, B. Peters: Cosmic ray produced radioactivity on the earth. In: Handbuch der Physik. Band 46/2, Springer, Berlin 1967, Seiten 551–612.
4. ↑ Jürgen Sültenfuß: Das Radionuklid Tritium im Ozean: Meßverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer. In: Ber. Polarforsch. 256, 1998, ISSN 0176027, S. 3 (PDF).
5. ↑ Table of Nuclides beim Korea Atomic Energy Research Institute
6. ↑ www.oysterinfo.de - Homepage für Uhrenliebhaber mit ausführlichem Bericht über verschiedene Leuchtmassen (incl. Tritium).
7. ↑ 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 (HTML).
8. ↑ Lithiumdeuterid
9. ↑ Principles of atomic bombs
10. ↑ Medienmitteilung zur Studie
11. ↑ EUROPEAN COMMISSION, RADIATION PROTECTION NO 152, Emerging Issues on Tritium and Low Energy Beta Emitters, EU Scientific Seminar 2007

Siehe auch

• Tritiummethode
• Isotopenuntersuchung

Weblinks

 Wiktionary: Tritium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen