Продолжаю выкладывать материалы по тритию и тритиевой воде [1]. Выходит сумбурно, но кроме личной вины автора на это есть и объективная причина. Работа в НИИ (научно-исследовательских институтах) именно так и происходит: в режиме конвульсий. Большую часть времени - сонное царство, а потом не просто: "давай-давай Луну с неба", но вместе с Луной - все крупные спутники Юпитера сразу. Соответственно материалы накапливались неравномерно, кое-что забывалось, многое пришлось вынужденно отложить из-за других работ. Но лучше описать и выложить позже, чем никогда.

Итак, тритий. У многих данный изотоп водорода ассоциируется с "тритиевыми брелками" - светящимися в темноте безделушками. Не видел, если честно (видел, конечно, но только на картинках). Зато тритиевой воды - насмотрелся. Образуется она в ядерных реакторах в результате облучения нейтронами "обычной" (легкой) или дейтериевой (тяжелой) воды. Тритиевая вода, или сверхтяжелая вода является нежелательным и опасным отходом атомной энергетики. Не вдаваясь в подробности, можно сказать: "Мы не знаем, что с тритиевой водой делать - как от нее избавиться".

Казалось бы, в чем проблема? Тритий - бета-активный изотоп водорода с периодом полураспада 12.32 года. Энергия образующихся при распаде бета-частиц очень мала - что сильно уменьшает их проникающую способность. В результате распада трития образуется легкий изотоп гелия (гелий-3). Что тут опасного? Тем более что в отличие от урана и плутония тритий не проявляет "химической" токсичности (не связанной с их радиоактивными свойствами) - по крайней мере, в тех концентрациях, с которыми мы имеем дело.

Один участник форума, например, был бы рад оснастить каждый дамский фен реактором РБМК, каждый карманный фонарик - изотопным источником энергии, а тут какой-то тритий: брелков испугались?

Но не все так просто.

Дело в том, что тритий - изотоп не урана или плутония, а водорода. В отличие от этих двух металлов водород является биогенным элементом. Т.е., водород входит в состав важнейших биологических молекул, причем в больших количествах. Вместе с легким изотопом водорода - протием в эти молекулы может включаться и тритий, занимая место "обычного" водорода. А это означает не только внутреннее облучение организма (при котором альфа- и бета-частицы гораздо более опасны, чем гамма-кванты). Критически опасным является повреждение молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), что ведет к мутациям и, как результат, - онкологическим заболеваниям, патологиям у потомства и т.д. Обычно такое повреждение происходит или за счет прямого разрыва химических связей в нуклеиновых кислотах ионизирующим излучением, или под действием свободных радикалов, которые образуются при действии высокоэнергетических частиц на другие молекулы.

В случае с тритием радиоактивные атомы уже входят в состав нуклеиновых кислот (и других важных биологических молекул). Для повреждения структуры не обязательно попадания в молекулу бета-частицы. Не обязательна встреча биологической молекулы с образованными бета-частицей свободными радикалами. Достаточно просто акта радиоактивного распада трития. Тритий переходит в гелий, который с химическими связями не дружит, в результате связи C-H, O-H, N-H или S-H автоматически разрываются с образованием свободного радикала. Т.е., молекула ДНК, белка, гормона и т.п. напрямую становится радикалом.

Человек потребляет большое количество воды, поэтому, если в ней содержится тритий, - он быстро расходится по всему организму. Кроме желудочно-кишечного тракта тритиевая вода проникает в организм через легкие и через кожу. Вымывается тритий из организма тоже хорошо и быстро (в отличие, например, от стронция, который накапливается в костях, частично замещая кальций), но для этого нужно прекратить поступление опасных доз трития.

Кроме атомных станций тритий образуется при ядерных испытаниях, в большей мере это относится к прошлому - тот тритий преимущественно успел распасться. Но атомные испытания не совсем отошли в прошлое (Северная Корея). А, учитывая события в США (захват Капитолия и попытка государственного переворота), а также - исключительную агрессивность нашего северного соседа, зарекаться от новых ядерных взрывов не следует.

Какие можно сделать выводы? Актуальным является исследование миграции трития в экосистемах и разработка рациональных методов его утилизации. Например, известно, что в виде простого вещества (Н₂) или в форме углеводородов (например, полиэтилена) тритий способен к обмену и включению в состав биологических молекул несравненно в меньшей степени, чем когда тритий находится в виде воды.

Ниже дано немного фотографий работы с тритиевой водой - с целью изучения миграции трития в организмах и разработки способов его концентрирования и утилизации. Под термином "тритиевая вода" не следует понимать чистую T₂O. Чистая тритиевая вода под действием собственного радиоактивного распада будет сильно нагреваться и разлагаться (авторадиолиз). Образцы, показанные на фотографиях, имели активность до 1000000 (один миллион) беккерель на литр. Т.е., в 1 литре происходило до 1000000 распадов в секунду. А в большинстве случаев - тритиевая вода была намного более разбавленной.

Сколько это в привычных для химиков единицах концентрации - "моль на литр"? Посчитать несложно.

1 моль - 6.02*10²³ молекул. Количество распадов в секунду - 10⁶ делим на 6*10²³, множим на 60*60*24*365 - количество секунд в году, множим на 12.32 (период полураспада трития в годах) и множим на 2 (за один период полураспада распадается только половина радиоактивных атомов). У меня вышло 1.3*10^-9М (если считать на НТО, а не на Т₂О). Другими словами, чуть больше грамма чистой "полу-тритиевой" воды - НТО на 1000 тонн обычной Н₂О: т.е., тритиевая вода очень сильно разбавленная. Насколько, что даже формулу "Т₂О" писать нет смысла - подавляющая часть трития находится в форме НТО. Но даже с такой водой следует работать со всеми предосторожностями.

Если честно, до такого расчета руки дошли только сейчас, хотя с тритием проработал больше года. Поэтому не уверен, не ошибся ли (забыв где-то умножить или поделить еще на какую-то константу), но даже, если ошибся на несколько порядков, - сути дела это не изменит: трития в исследуемых образцах воды - "кот наплакал".

Начнем.

"Тритиевый лес" ("тритиевое болото")

Ниже показан "тритиевый лес", или "тритиевое болото" - как кому нравится. Суть эксперимента. В ящики насыпали землю. В землю посадили толстые ветки ивы (это растение славится своей способностью укореняться). Потом налили туда известное количество тритиевой воды с известной активностью (т.е., с известной концентрацией трития). Чтобы вода меньше испарялась в атмосферу лаборатории, ящики накрыли полиэтиленовой пленкой, проделав отверстие для веток. Ива укоренилась и зазеленела.

Ящики с тритиевой водой поставили под вытяжкой - в нашей лаборатории, а парень, который проводил этот эксперимент, сидел в другой - чистой лаборатории. Почему он не поставил этот "сад" у себя - места там завались? Под поводом, что в его лаборатории делают химические анализы (в противном случае он бы придумал другой повод). Раз-два в неделю приходил и доставал ивовые ветки для анализа, а вы сидите, дышите тритием. Если будете светиться в темноте - не благодарите.

С какой целью это делалось? Установить, как тритий, который вводится в систему в виде воды, накапливается в растениях (ива). Ветки сжигали в кислороде, воду улавливали и мерили ее активность. Оказалось, что тритий накапливается в иве хорошо, но только до определенного передела (когда введение дополнительного трития в систему уже не ведет к возрастанию его содержания в растении).

Пробовали налить больше воды и запустить туда карасей, но они не выжили (задохнулись). Зато "тритиевые комары" в этом болоте появились и на жизнь не жаловались. Сказал товарищу:

- Нужно будет проверить, не светятся ли они в темноте?

Чуть позже научный руководитель предложил мне идею новой темы:

- Раз Иван Степанович изучает накопление трития в растениях, придумайте, как можно исследовать его вымывание из растений.

Не выдержал и сказал, как есть:

- А что мешает Ивану Степановичу слить тритиевую воду из ящика в раковину и набрать на ее место воды из-под крана!?

Такая новизна, что зла не хватает... Убедитесь, что ива уже насытилась тритием, слейте остаток радиоактивной воды и добавьте на нее место обычную. Потом время от времени проверяйте содержание трития в ветках.

На следующий день пришел Иван Степанович и сказал, что начальник ему поручил... именно то, что днем ранее я ему сказал. Поручил от своего имени, разумеется. Но такие мелочи меня интересовали мало, интереснее было: появляется ли в ящике "тритиевые лягушки" - чтобы заняться "тритиевыми комарами"?

__________________________________________________
¹ См. также статьи: Жидкий сцинтиллятор (для определения трития) [ссылка]

Аквариум с тритием (модельная экосистема для исследования распределения трития) [ссылка]

Тритий (работа с тритиевой водой) [ссылка - ч.1] [ссылка - ч.2] [ссылка - ч.3]

Плесень и водоросли в тритиевой воде

Химики прекрасно знают, что даже в дистиллированной воде нередко заводятся водоросли, а в некоторых рабочих растворах (например, фосфатный буфер) - плесневые грибы. Перегнанная тритиевая вода ведет себя аналогично. Сколько-там распадов трития в секунду - не помеха, ни плесени, ни водорослям. Фотографии даны ниже.

Компактирование трития - сорбенты

Учитывая проблему, которую создают тритиевые отходы, привлекательной кажется перспектива связать тритий каким-то дешевым сорбентом, чтобы очистить от него загрязненную воду. Поскольку тритий - изотоп водорода и его там исключительно мало (а другого изотопа водорода, протия - много), задача эта сложная. Конечно, изотопы водорода отличаются по химическим свойствам гораздо сильнее, чем изотопы, например, железа, но протий там в большом избытке. Эксперимент ведется довольно примитивными методами: или тритиевую воду циркулируют через слой сорбента перистальтическим насосом, либо просто наливают воду в бутылку, насыпают туда навеску сорбента, встряхивают. Потом выдерживают некоторое время, периодически встряхивая, после чего дают сорбенту осесть, а воду отбирают на анализ.

На фото показан минерал сапонит (примерный состав Na(Mg,Fe)₃[AISi₃O₁₀](OH)₂·nH₂O), точнее - попытка использовать этот минерал в качестве сорбента для тритиевой воды.

Измерение содержания трития

Кстати, как измеряют содержание трития в образцах? Навеску тритиевой воды смешивают с навеской жидкого сцинтиллятора в специальной пластиковой бутылочке, которая играет роль кюветы фотометра. Под действием излучения трития сцинтиллятор светится, причем его свечение пропорционально содержанию трития. Потом эту кювету помещают в специальный чувствительный фотометр, оснащенный двумя ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), которые измеряет интегральную интенсивность сигнала (свечения) на протяжении определенного времени (час, полчаса, если трития много - 10 минут).

Фотометр находится в подвале в специальной темной комнате без окон - за время работы я там ни разу не был: так его и не увидел. Ничего секретного в этом приборе нет, поэтому не поздно сходить в гости и посмотреть даже сейчас - надеюсь дойдут руки (пока прибор еще действует).

Зато измерительный блок этого фотометра видел - когда инженер его демонтировал и принес наверх для ремонта. Он показан на фотографиях ниже (по центру помещается кювета, с боков 2 ФЭУ).

Кстати, товарищ меня успокоил: нет там ничего "выдающегося". Показанный на фото блок помещен внутрь "свинцового домика" - сооружения из свинцовых кирпичей для устранения внешнего радиоактивного облучения.

Сцинтиллятор не отличается специфичностью именно к тритию, он светится даже при действии ультрафиолетовых лучей (см. статью: Жидкий сцинтиллятор (для определения трития) [ссылка]), другие радиоактивные изотопы тоже способны вызвать свечение данного сцинтиллятора - например, радиоактивный калий, углерод и… хлор. Некоторые нерадиоактивные вещества тоже мешают (усиливают или ослабляют сечение сцинтиллятора). Поэтому перед анализом тритиевую воду перегоняют, а органику - "убивают" добавкой при перегонке большого избытка перманганата. Кстати, сцинтиллятор довольно дорогой, его стоимость дает 9/10 стоимости анализа.

Другой (альтернативный) метод - тритий переводят в газообразное состояние (HT), далее - ионизационная камера (аналог счетчика Гейгера).

"Изотопный осмос"

Данный рассказ вполне подошел бы для раздела "Химический юмор", однако, приведенные факты - не выдумка. Что такое осмос? Если два раствора с разной концентрацией растворенного вещества разделены полупроницаемой перегородкой (проницаемой для растворителя и непроницаемой для растворенного вещества), то между ними возникнет разница давлений - за счет того, что молекулы растворителя будут переходить из раствора с более низкой концентрацией вещества в раствор с более высокой концентрацией. Если, например, в стакан с водой опустить цилиндр с раствором соли, дно которого будет сделано из полупроницаемой мембраны, и уровни жидкостей в стакане и сосуде будут первоначально одинаковыми, то вода будет переходить из стакана в цилиндр. В результате между стаканом и цилиндром возникнет перепад уровней (по которому можно измерить осмотическое давление).

Чтобы продемонстрировать осмос, обычно в один сосуд помещают дистиллированную воду (если ее нет - можно водопроводную воду), в другой - раствор соли или сахара (чем больше концентрация - выше тем осмотическое давление).

А можно ли наблюдать осмос, если в одном сосуде будет дистиллированная вода, а в другом - дистиллированная вода с небольшой примесью сверхтяжелой (тритиевой) воды? - Именно такую задачу мне и поставили.

Полная ерунда? Конечно. Легкая и сверхтяжелая вода немного отличаются по свойствам. Молекулы Н₂О и НТО (Т₂О) должны различаться по способности проходить через полупроницаемую мембрану - это могло бы создать осмотическое давление. Могло бы, если бы концентрация трития в воде не была мизерной - порядка 10^-9М и менее. А подними концентрацию трития до существенных значений - будет сильный разогрев и радиолиз воды за счет излучения от распадов самого трития. Тогда уж точно будет не до осмоса. Например, читал, что если бы металлический франций удалось получить в компактном виде, то его температура составила бы 7000 К (для какого изотопа франция и для куска какого размера и какой формы проводились расчеты - не уточнялось, но на суть явления это не влияет).

Но ведь есть статья, где утверждается, что между обычной водой (протиевой с природной примесью дейтерия) и той же водой, но с тритием (тысячи беккерель в литре) возникает осмотическое давление, за счет которого между сосудами образуется перепад уровней в несколько сантиметров!

Статья, правда, опубликована в журнале "Доклады Национальной академии наук Украины", который имеет мусорный уровень. Публикуются в нем исключительно академики и члены-корреспонденты (а также те, кого академики или члены-корреспонденты письменно порекомендовали). Бывают там и нормальные статьи, а бывают такие, что место им скорее в бульварной прессе. Более того, если в журнал попадает нормальная статья, то редакторы покромсают ее так, что авторы потом краснеют от стыда. Знаю, и по собственному опыту, и по опыту других людей. Например, при мне техническая редакторша (филолог) настаивала, что фразу "смещение рефлексов на рентгенограмме" следует обязательно заменить на "замещение рефлексов на рентгенограмме" - вы ничего не понимаете!

"Удав задушил и съел кролика" - неправильно: авторы писать не умеют… Должно быть: "Кролик задушил и съел удава!" - филологу лучше знать биологию (химию, физику, математику…)

Такие перлы там - не курьез, а железное правило. От одной из редакторш узнал, что за них они регулярно получали пинки от авторов (среди которых - академики), но не думаю, что что-то там изменилось.

Поэтому к статье в данном журнале отнесся прохладно и скептически. Но возникла мысль: под этот шумок можно поставить и заснять "обычный" осмос - в рабочее время и на рабочем месте, что я и сделал (cм. подборку статей Растворы (физическая химия) [ссылка]).

Возникла и другая мысль: а может дело в ионизации и в продуктах радиолиза, которые присутствуют в тритиевой воде? Сомнительно (поскольку их должно быть мало), однако такой вариант исключить нельзя - поэтому согласился поставить эксперименты.

В моем понимании нужно было использовать целлофановую пленку. Сотрудник, который мне это предложил, хотел использовать в качестве полупроницаемой мембраны слой глины. Решили сделать и так, и так.

Сотрудник поставил эксперимент с глиной, а я - с целлофановой мембраной. Через день он приходит и говорит:

- В твоем цилиндре вода уже поднялась на полмиллиметра!

Не поверил, поскольку человеку под 80 лет: у меня в 40 лет зрение плохое, а он вдвое старше… Полмиллиметра - в пределах ошибки при визуальном наблюдении. И действительно - и через день, и через несколько недель уровни воды в банках и поставленных в них цилиндрах не отличались. Эффект отсутствует - что и следовало доказать.

А как же статья? Ее, кстати, писали именно сотрудники отдела. На глаза мне попалась трехлитровая банка с тритиевой водой с подписью "не перегнанная". Дело в том, что эту воду не покупают на какой-то фирме, а берут из хранилища радиоактивных отходов. Есть, например, хранилище отработанных мишеней из насыщенного тритием титана (т.н. титан-тритиевая мишень). В хранилище проникают грунтовые воды, происходит изотопный обмен. Потом вода вытекает из него, но уже насыщенная тритием: бери сверхтяжелую воду - не хочу. Естественно, кроме трития эта вода содержит растворенные соли, которые создают осмотическое давление.

Все ясно: для экспериментов по осмосу взяли не перегнанную тритиевую воду, которая содержала соли. Чтобы убедиться, спрашиваю у непосредственного исполнителя:

- Воду перегоняли?

- Не помню.

Теперь окончательно ясно, поскольку в науке действует "презумпция вины": сомнения трактуются не в пользу "обвиняемого" (эксперимента, теории, гипотезы, наблюдения), а против него.

< Радиоактивность. Радиоактивные элементы>

<Дейтерий и Тритий (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]