تولید آب سنگین مراحل و كاربردها

[محمــد 4415]

«هارولد یوری» ،( ۱۸۹۳-۱۹۸۱)شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها كه در سال ۱۹۳۴جایزه نوبل در شیمی گرفت،در سال ۱۹۳۱ میلادی «ایزوتوپ هیدروژن سنگین»را كه بعدها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، كشف كرد. همچنین در سال «۱۹۳۳گیلبرت نیوتن لوئیس» شیمیدان و فیزیكدان مشهور آمریكایی و استاد هارولد یوری،توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را بوسیله عمل الكترولیز بوجود آورد. اولین كاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴توسط دو بیولوژیست بنامهای هوسی و هافر صورت گرفت. آنها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیكی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.

● مفهوم و مراحل تولید آب سنگین (D۲۰) نوع خاصی از مولكولهای آب است كه در آن ایزوتوپهای هیدروژن حضور دارند. این نوع از آب كلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی است و به همین دلیل تولید و تجارت آن تحت نظر قوانین بین المللی صورت گرفته و بشدت كنترل می شود. با كمك این نوع از آب می توان پلوتونیوم لازم بری سلاح های اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالی اورانیوم تهیه كرد. از كاربردهای دیگر این آب می توان به استفاده از آن در رآكتورهای هسته ای با سوخت اورانیوم، متعادل كننده به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمای رآكتور نام برد. آب سنگین واژه ای است كه معمولا به اكسید هیدروژن سنگین، D۲Oیا ۲H۲Oاطلاق می شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است كه به نسبت یك به ۶۴۰۰از اتمهای هیدروژن درطبیعت وجود دارد. خواص فیزیكی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب سبك H۲Oاست. اتم های دوتریوم ایزوتوپ های سنگینی هستند كه بر خلاف هیدروژن معمولی، هسته آنها شامل نوترون نیز هست. جایگزینی هیدروژن با دوتریوم در مولكولهای آب سطح انرژی پیوندهای مولكولی را تغییر داده و طبیعتا» خواص متفاوت فیزیكی، شیمیایی و بیولوژیكی را موجب می شود، بطوری كه این خواص را در كمتر اكسید ایزوتوپی می توان مشاهده كرد. بعنوان مثال ویسكوزیته یا به زبان ساده تر چسبندگی آب سنگین به مراتب بیشتر از آب معمولی است. آب سنگین آبی است كه در مقایسه با آب معمولی دیرتر می جوشد و زودتر یخ می زند و همانطور كه ذكر شد «گیلبرت نیوتن لوییس» نخستین بار نمونه آن را از آب سنگین خالص در سال ۱۹۳۳به دست آورد. هیدروژن طبیعی دارای دو ایزوتوپ است:ایزوتوپ هیدروژن سبك كه تقریبا ۹۹‎/۹۸درصد هیدروژن موجود را تشكیل می دهد و ایزوتوپ هیدروژن سنگین یا دوتریوم كه مقدار آن ۱۵درصد است. ایزوتوپ دوتریوم برخلاف هیدروژن معمولی دارای یك نوترون است.آب معمولی از یك اتم اكسیژن و دو اتم هیدروژن تشكیل شده است،در حالی كه آب سنگین، از یك اتم اكسیژن و دو اتم دوتریوم (D)تشكیل شده است. برای تولید آب سنگین باید مولكول های آب حاوی هیدروژن سنگین (دوتریوم) را از مولكول های آب معمولی جدا كنند یا از داخل هیدروژن ،اتم های هیدروژن سنگین یا دوتریوم را جدا و خالص كنند. جرم مولكولی آب معمولی ۱۸و جرم مولكولی آب سنگین ۲۰است. از لحاظ خواص شیمیایی تفاوت چندانی با خواص آب معمولی نداشته و اختلافات جزئی وجود دارد اما از لحاظ هسته ای هیدروژن معمولی می تواند نوترون را جذب كند ،اما احتمال جذب نوترون توسط هیدروژن سنگین بسیار كم است. به دلیل تفاوت مشخصات هسته ای دوتریوم با هیدروژن ازلحاظ «تكانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی »از آب سنگین و دوتریوم در زمینه های مختلف تحقیقاتی نیز استفاده می شود. به عنوان مثال رفتار آب سنگین در دستگاه های MRIبا رفتار هیدروژن معمولی متفاوت است. در فعالیت های تحقیقاتی به منظور بررسی برخی خواص از موادی استفاده می كنند كه هیدروژن طبیعی را در آن با هیدروژن سنگین (دوتریوم) جایگزین كرده اند. یكی از كاربردهای دوتریوم استفاده در تولید نوترون در شتاب دهنده ها و تولید انرژی در «راكتورهای گداخت» است.

● آب نیمه سنگین چنانچه دراكسید هیدروژن تنها یكی از اتمهای هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله (HDO)را آب نیمه سنگین می گویند. در مواردی كه تركیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشكیل مولكوهای آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می شود. دلیل این امر تبدیل سریع اتم هی هیدروژن و دوتریوم بین مولكولهای آب است، مولكول آبی كه از ۵۰درصد هیدروژن معمولی (H)و ۵۰درصد هیدروژن سنگین (D)تشكیل شده است،در موازنه شیمیایی در حدود ۵۰درصد HDOو ۲۵ درصد آب (H۲O)و ۲۵درصد D۲Oخواهد داشت. نكته قابل توجه آن است كه آب سنگین را نباید با با آب سخت كه اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیومor (T۲O ۳H۲O)كه از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشكیل شده است، اشتباه گرفت. تریتیوم ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است كه خاصیت رادیواكتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی كه از خود نور منتشر می كنند، بكار برده می شود.

● آب با اكسیژن سنگین آب با اكسیژن سنگین،در حالت معمول H۲۱۸Oاست كه به صورت تجارتی در دسترس است بیشتر برای ردیابی بكار برده می شود. بعنوان مثال با جایگزین كردن این آب (از طریق نوشیدن یا تزریق) در یكی از عضوهای بدن می توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی كرد. این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیكی خاصی ندارد ،برای همین به آن آب سنگین گفته نمی شود. ممكن است اكسیژن در آنها بصورت ایزوتوپهای O۱۷نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیكی ین آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است.