삼중수소

수소의 동위원소들 - 수소, 중수소, 삼중수소 ()

삼중수소(tritium)는 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어진 핵을 가지는 수소의 동위원소이다. T 또는 ³H로 표기한다. 자연에 존재하는 삼중수소는 우주 방사선(cosmic ray)과 대기가 만나 생성되며 그 양은 매우 적다. 인공적으로는 원자로에서 리튬과 중성자 간의 반응으로 제조한다. 반감기 12.32년의 방사성 동위원소로서 삼중수소가 질량수 3 헬륨으로 붕괴하여 저에너지 음의 베타 입자(전자)를 방출한다. 방사선량이 작아 자체 발광 표지판, 시계, 나침판, 휴대용 조명의 제품에 사용된다.

목차

1937년 러더퍼드(Ernest Rutherford), 올리판트(Mark Oliphant), 하텍(Paul Harteck)이 중수소에서부터 처음 삼중수소를 제조하여 그 존재를 확인하였다.¹⁾ 순수한 삼중수소의 분리는 1939년 알바레즈(Luis Alvarez)와 콜노그(Robert Cornog)가 성공하였으며, 방사성 붕괴 성질을 함께 보고하였다.²⁾

자연에 존재하는 삼중수소는 우주 방사선과 대기 입자들 사이의 상호작용으로 생성된다. 하지만 그 농도는 매우 낮다. 질소와 중성자의 반응으로 탄소와 삼중수소로 전환되는 과정이 가장 대표적인 생성 경로이다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{14}_{7}N + n ->^{12}_{6}C +^{3}_{1}T }@@NAMATH_INLINE@@

현재 대부분의 삼중수소는 원자로에서 리튬-6울 중성자로 활성화하여 제조한다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{6}_{3}Li + n ->^{4}_{2}He +^{3}_{1}T }@@NAMATH_INLINE@@

수소의 동위원소 가운데 수소, 중수소는 방사능을 가지지 않는 안정 동위원소이지만, 삼중수소는 불안정한 핵의 구조를 가지는 방사성 동위원소이다. 음의 베타 입자(전자)와 반중성미자를 방출하여 더 안정한 헬륨-3으로 전환되는 베타 붕괴반응을 일으킨다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{3}_{1}T ->^{3}_{2}He + e^{-}{+} v_{e} }@@NAMATH_INLINE@@

이 반응은 반감기가 12.32년으로 매우 느리며, 그 방출하는 전자의 에너지가 작아 피부를 통과하지 못하여 외부 삼중수소의 붕괴에 의한 방사선 피폭 부작용은 우려할 수준이 아니다. 하지만 일정 농도 이상으로 농축이 된 삼중수소가 체내에 들어가는 경우는 방사선 피폭에 의한 암 유발 원인이 될 수 있다.

물 분자에서 하나의 수소가 삼중수소로 치환된 HTO가 대부분의 삼중수소 형태이다. 체내에는 7일에서 14일 정도의 반감기를 가져 체내 축적에 따른 문제점은 없다.

삼중수소의 베타 붕괴로 발생하는 베타 입자(전자)는 형광체와 만나 빛을 내게 한다. 이를 방사선 발광이라 하며, 시계, 나침반, 야광 낚시찌, 무기 가늠자, 표지판에 외부 에너지 공급 없이 발광이 요구되는 용도에 쓰인다. 특히 기존에 방사선 발광 페인트에 사용되던 라듐의 높은 방사선 수치에 의한 부작용 문제가 발생하였고 이를 삼중수소가 대체하였다. 매년 수백 그램 정도의 삼중수소가 발광 제품 제조에 사용된다.

삼중수소의 방사능 발광 램프()

삼중수소는 핵무기에서 핵융합을 통해 더욱 높은 핵출력을 얻기 위해 사용된다. 하지만, 삼중수소는 저장해두기가 힘들기 때문에, 많은 핵무기는 삼중수소 대신 리튬을 지니는데, 리튬은 폭발 시에 높은 중성자 선속과 작용하여 삼중수소를 생성한다.

유기물에 있는 수소를 삼중수소로 치환하여 표지 화합물을 만들고, 그 물질의 이동 경로를 분자 단위로 추적하는 목적으로 사용한다. 에너지가 높지 않아 추적에 어려움이 있지만, 그 반감기가 길며 방사능 방출량이 적어 제조, 보관, 사용에 편리하다.

신약 개발 과정에서 삼중수소로 치환된 표지 화합물을 활용하여 약품의 이동 경로 및 체내 축척 및 배출량 측정 목적으로 사용한다. 또한 핵실험 또는 핵발전소의 폐기물 유출 경로와 그 영향을 파악하는데 삼중수소가 포함된 물 분자를 추적하는 방법을 사용하였다.

핵융합은 가벼운 원자핵들이 높은 온도와 압력이 가해져 충돌하여 하나의 원자핵으로 결합하는 현상이다. 삼중수소는 중수소와 높은 온도와 압력에서 핵융합을 일으켜 중성자와 헬륨으로 변한다. 이 과정에서 발생하는 질량손실이 에너지로 변환되는데 발생 에너지양이 매우 높아 미래의 에너지원으로서 주목받고 있다. ³⁾

1. Oliphant, M. L.; Harteck, P.; Rutherford (1934). 'Transmutation Effects observed with Heavy Hydrogen'. Nature. 133 (3359): 413.
2. Alvarez, Luis; Cornog, Robert (1939). 'Helium and Hydrogen of Mass 3'. Physical Review. 56 (6): 613. doi: .
3.