ไฮโดรเจน เป็นธาตุที่เบาที่สุด (โปรเทรียม, 1H, มวลโมเลกุล 1) และพบมากที่สุดในโลก สามารถพบเจอได้ตามธรรมชาติในรูปของแก๊ส และเป็นองค์ประกอบในโมเลกุลน้ำ ไฮโดรเจน มีทั้งไอโซโทปเสถียรและไอโซโทปรังสี เรียกว่า ดิวเทอเรียม (มวลโมเลกุล 2) และ ทริเทรียม (มวลโมเลกุล 3) ตามลำดับ ทริเทรียม เป็นไอโซโทปรังสี มีค่าครึ่งชีวิต 12.32 ปี เป็นผลผลิตตามธรรมชาติที่ได้จากปฏิกิริยาระหว่างรังสีคอสมิกเรย์จากอวกาศกับไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศของโลก ซึ่งในสภาวะปรกติสามารถพบได้ปริมาณน้อย ในทางกลับกันทริเทรียมสามารถถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อใช้สำหรับทำสารเรืองแสงบนหน้าปัดนาฬิกา และเป็นผลผลิตจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ดังเช่นในช่วงปี คศ. 1960 หลายประเทศมีการทดลองอาวุธนิวเคลียร์ทำให้ปริมาณทริเทรียมในชั้นบรรยากาศและในน้ำฝนเพิ่มสูงขึ้นอย่างมีนัยยะสำคัญ ดังแสดงในภาพ 1 จนกระทั่งมีสนธิสัญญาลดการทดลองอาวุธนิวเคลียร์ทำให้ปริมาณทริเทรียมเริ่มคงที่ หลังจากนั้นปริมาณทริเทรียมจะลดลงตามกระบวนการสลายตัวตามค่าครึ่งชีวิตของทริเทรียม
เนื่องจากทริเทรียมเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน ทำให้ทริเทรียมนั้นสามารถแทนที่ไฮโดรเจนในโมเลกุลของน้ำและก๊าซไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศ และเข้าสู่ระบบวัฎจักรน้ำผ่านทางฝนที่ตกลงสู่ผิวดินและสะสมลงสู่แม่น้ำลำคลองและไหลผ่านลงทะเล น้ำส่วนหนี่งไหลซึมเข้าสู่ระบบน้ำใต้ดิน ซึ่งไม่มีการแลกเปลี่ยนทริเทรียมจากชั้นบรรยากาศและมีการเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางซึ่งมีระยะเวลาการไหลช้า ปริมาณทริเทรียมในน้ำจะลดลงตามระยะทางที่น้ำเคลื่อนที่เนื่องจากปฏิกิริยาการสลายตัว
ด้วยคุณสมบัติและแหล่งที่มานี้ ทริเทรียมจึงเปรียบเสมือนกับสารติดตามในอุดมคติ (ideal tracer) ของนักวิทยาศาสตร์และนักอุทกธรณีวิทยา สำหรับการวัดอายุของน้ำบาดาลหรือการศึกษาระยะเวลาการไหลของน้ำบาดาล เป็นพารามิเตอร์สำคัญสำหรับการหาเส้นทางการไหล การประเมินและแปรผลการไหลของน้ำบาดาลในแต่ละพื้นที่ อย่างไรก็ตามการศึกษาระยะเวลาการไหลของน้ำบาดาลด้วยการวัดทริเทรียมมีข้อจำกัดอยู่หลายอย่าง เช่น
การวัดอายุโดยใช้ค่าครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสีนั้นสามารถคำนวณได้ ประมาณ 5 เท่าของค่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปรังสีนั้นๆ ทริเทรียมนั้นมีค่าครึ่งชีวิตประมาณ 12.32 ปี ซึ่งสามารถวัดอายุน้ำได้ประมาณ 60 ปี ก่อนปัจจุบัน ดังนั้นจึงนิยมใช้ทริเทรียมสำหรับการวัดอายุของน้ำบาดาลในชั้นตื้น
การวัดปริมาณทริเทรียมในตัวอย่างน้ำธรรมชาติไม่ได้เป็นการวัดอายุของน้ำโดยตรงแต่เป็นการวัดโดยอ้อม ซึ่งวัดจากปริมาณอนุภาคเบต้า (Beta emission) ที่เป็นผลิตผลจากการสลายตัวของทริเทรียม ด้วยเครื่อง Liquid scintillation counter (LSC)
LSC จะวัดปริมาณทริเทรียมจากการเรืองแสงของน้ำตัวอย่างที่ทำปฏิกริยากับสารเรืองแสง ซึ่งวัดเป็นค่า จำนวนนับต่อนาที (Count per minute) และค่าทีวัดได้จำถูกเทียบกับค่าที่ได้จากสารมาตรฐานและแปลงเป็นแปลงเป็นค่าปริมาณการแผ่กัมมันตรังสี ในหน่วย เบ็กเคอเรลต่อลิตร (Bq/l) เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบปริมาณของทริเทียมในแต่ละแหล่งปริมาณการแผ่กัมมันตรังสีจะถูกแปลงเป็น tritium unit (TU)
การหาอายุจะเป็นการเปรียบเทียบปริมาณทริเทรียมในน้ำบาดาลกับปริมาณทริเทรียมจากฝนในพื้นที่นั้นๆและคำนวนเป็นค่าอายุ แต่น้ำบาดาล มีกระบวนในธรรมชาติที่หลากหลายและซับซ้อนเข้ามาเกี่ยวข้อง ทำให้ในบางครั้งไม่สามารถเปรียบเทียบได้โดยตรง ดังนั้นในการแปลผลจึงจำเป็นต้องมีการใช้แบบจำลองสำหรับการแก้ค่าอายุจาก Tritium เช่น โปรแกรม TracerLPM
เนื่องจากกระบวนการสลายตัวเป็นกระบวนการต่อเนื่องทำให้ ปริมาณทริเทรียมในชั้นบรรยากาศซึ่งมีค่าสูงสุดในช่วงปี คศ. 1960 และในปัจจุบันมีความเข้มข้นน้อยลงเกินกว่าปริมาณต่ำสุดที่เครื่อง LSC สามารถวัดได้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธี Electrolytic enrichment ในการเพิ่มความเข้มข้นของทริเทรียมในน้ำ วิธีนี้เป็นวิธีที่จ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านน้ำตัวอย่างเพื่อให้น้ำแตกตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน เมื่อน้ำแตกตัวทำให้ไอโซโทปที่เบาคือ โปรเทรียม (1H) และ (16O) ซึ่งมีพันธะเคมีที่ยาวกว่าและน้ำหนักอะตอมน้อยกว่าหลุดออกก่อน ไอโซโทปที่หนักกว่า เช่น 17O, 18O, ดิวเทอเรียมและทริเทรียมจะคงเหลืออยู่ โดย ห้องปฏิบัติการไอโซโทปไฮโดรโลยี ของ สทน. มีการตรวจวัดทริเทรียมระดับต่ำในน้ำด้วยวิธี Electrolytic enrichment ซึ่งจะใช้น้ำเริ่มต้นซึ่งมีปริมาตร 500 ml ทำการปล่อยกระแสไฟฟ้าทำให้เหลือปริมาตร ประมาณ 18 ml ดังนั้นจะสามารถสามารถเพิ่มความเข้มข้นของน้ำได้ประมาณ 23 เท่าของความเข้มข้นเดิม
มณฑล ยงค์ประวัติ : นักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์
จักรกฤช แสงกรกฎ : นักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์
ธีรนัย เปลี่ยนสกุล : ผู้ช่วยนักวิจัย
ฝ่ายเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม
ศูนย์วิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)