Злободневная физика: тритий (водород-3)
Текст Анатолия Сорокина
Хайп стоит, но куда интереснее то, что спрятано за ним. Например, откуда берётся этот самый тритий в воде, использованной для охлаждения разрушенных активных зон фукусимских реакторов и ныне сбрасываемой в океан?
Тритий - нестабильный изотоп водорода (т. е. заряд ядра его атома +1 элементарный) с массовым числом 3 и с периодом полураспада около 12 лет. То, что на Фукусиме стало негде хранить содержащую тритий воду, свидетельствует о том, что его доля там не убывает, как должно бы быть в нормальной ситуации.
Откуда вообще берётся на Земле тритий? Первый канал его получения - взаимодействие космических лучей, где есть высокоэнергетичные нейтроны, с газами атмосферы Земли. Причём чем ближе к поверхности, тем больше шанс того, что такие нейтроны по пути либо поглотятся, либо растеряют свою энергию в толще атмосферы - и меньше вероятность порождающей тритий ядерной реакции. Кроме того, свободный тритий - очень лёгкий газ и он быстро покидает приземный слой воздуха.
Второй путь - облучение водорода свободными нейтронами, когда из протия (водород-1) сначала получается дейтерий (водород-2), а потом уже тритий. Откуда в естественной среде (без работающих атомных реакторов и взрывов ядерных зарядов) могут взяться свободные нейтроны, если не брать космические лучи? Только за счёт спонтанного распада ядер атомов сверхтяжёлых элементов (уран и торий). Самым активным среди них в этом плане является уже знакомый нам уран-238: на каждый миллион распадов его ядер атомов только 54 события являются «развалом» на два приблизительно равных осколка с выделением пары (очень редко одного или трёх) свободных нейтронов. Остальные 999946 событий - это альфа-распад, когда из ядра атома урана-238 получается ядро атома тория-234 и альфа-частица (ядро атома гелия-4), разобранный тут (https://afirsov.livejournal.com/896878.html). Если у нас есть 1 кг урана-238, то за год спонтанное деление даст всего лишь 21 миллиард событий (против 392400 миллиардов альфа-распадов), т. е. около 42 миллиардов свободных нейтронов, львиная доля которых останется внутри тела из урана-238, прежде чем долетит до атомов водорода в молекулах охлаждающей это тело воды. Вот раствор солей урана куда более опасен в этом плане, но и тут тритий буде получаться чуть ли не в штучных количествах - ведь сначала надо получить ещё и дейтерий, а не каждое взаимодействие нейтрона с ядром атома водорода приводит к захвату первого последним. И в атом кислорода в молекуле воды, больший по размеру, нейтрон с куда более значительной вероятностью может попасть, если уж совсем примитивно процесс описывать. Тем самым ещё уменьшается шанс образования трития.
И совсем уж сущая редкость - третий и прямой путь порождения трития через так называемое тройное деление ядер атомов урана, которое составляет одну десятитысячную от числа обычных делений. При спонтанном процессе деления в нашем килограммовом куске урана-238 за год так получится не более чем 2 миллиона 100 тысяч ядер трития (ибо вместо него может появиться ядро атома гелия или лития)- мелочь невообразимая по атомным меркам.
Но на Фукусиме тритий стал проблемой, а значит идёт его накопление (хотя с 2011 года половина образовавшегося до того трития должна уже распасться). Естественным путём даже сотня-другая тонн урана-238 через спонтанное (обычное и тройное) деление такого не даст. И остаётся только один вывод, совместимый с «фактурой» - в разрушенной активной зоне по-прежнему «тлеет» цепная реакция деления урана (как 235-го, так и 238-го). Она даёт и нейтроны для активации охлаждающей её воды, и «прямой» тритий. Японцы, вы невероятные! Как там у вас - «бака»! Даже разрушенный взрывом реактор 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС ушёл в глубоко подкритичное состояние, цепная реакция деления ядер атомов урана там надёжно заглохла. А вы так построили свои АЭС, что после аварии энерговыделение там продолжается и вы за десяток с лишним лет так и не сделали ничего, чтобы его прекратить. Наличие трития не даст соврать!
Заметим, что у «росатомовских» АЭС последнего поколения с реакторами типа ВВЭР под реакторами сейчас строится «нейтронопоглотительная» ловушка. Она нужна, чтобы при «фукусимском» сценарии проплавившая стальной корпус реактора разрушенная активная зона стекла туда в виде расплава и в ней надёжно «заглохла» цепная реакция деления ядер атомов урана. Это достигается за счёт поглощения возникающей в её ходе нейтронов материалом этой ловушки. Без этих нейтронов дальнейший ход реакции становится невозможным, энерговыделение прекращается и расплав охлаждается с последующим его застыванием.