توليد آب سنگين

[azarafrooz 14,221]

◄ مفهوم و مراحل توليد:

آب سنگين (D۲۰) نوع خاصي از مولکولهاي آب است که در آن ايزوتوپهاي هيدروژن حضور دارند. اين نوع از آب کليد اصلي تهيه پلوتونيوم از اورانيوم طبيعي است و به همين دليل توليد و تجارت آن تحت نظر قوانين بين المللي صورت گرفته و بشدت کنترل مي شود. با کمک اين نوع از آب مي توان پلوتونيوم لازم بري سلاح هاي اتمي را بدون نياز به غني سازي بالي اورانيوم تهيه کرد. از کاربردهاي ديگر اين آب مي توان به استفاده از آن در رآکتورهاي هسته اي با سوخت اورانيوم، متعادل کننده به جاي گرافيت و نيز عامل انتقال گرماي رآکتور نام برد. آب سنگين واژه اي است که معمولا به اکسيد هيدروژن سنگين، D۲Oيا ۲H۲Oاطلاق مي شود.

هيدروژن سنگين يا دوتريوم ايزوتوپي پايدار از هيدروژن است که به نسبت يک به ۶۴۰۰از اتمهاي هيدروژن درطبيعت وجود دارد. خواص فيزيکي و شيميايي آن به نوعي مشابه با آب سبک H۲Oاست. اتم هاي دوتريوم ايزوتوپ هاي سنگيني هستند که بر خلاف هيدروژن معمولي، هسته آنها شامل نوترون نيز هست. جايگزيني هيدروژن با دوتريوم در مولکولهاي آب سطح انرژي پيوندهاي مولکولي را تغيير داده و طبيعتا» خواص متفاوت فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي را موجب مي شود، بطوري که اين خواص را در کمتر اکسيد ايزوتوپي مي توان مشاهده کرد.

بعنوان مثال ويسکوزيته يا به زبان ساده تر چسبندگي آب سنگين به مراتب بيشتر از آب معمولي است. آب سنگين آبي است که در مقايسه با آب معمولي ديرتر مي جوشد و زودتر يخ مي زند و همانطور که ذکر شد «گيلبرت نيوتن لوييس» نخستين بار نمونه آن را از آب سنگين خالص در سال ۱۹۳۳به دست آورد.

هيدروژن طبيعي داراي دو ايزوتوپ است: ايزوتوپ هيدروژن سبک که تقريبا ۹۹‎/۹۸درصد هيدروژن موجود را تشکيل مي دهد و ايزوتوپ هيدروژن سنگين يا دوتريوم که مقدار آن ۱۵درصد است. ايزوتوپ دوتريوم برخلاف هيدروژن معمولي داراي يک نوترون است.آب معمولي از يک اتم اکسيژن و دو اتم هيدروژن تشکيل شده است،در حالي که آب سنگين، از يک اتم اکسيژن و دو اتم دوتريوم (D)تشکيل شده است.

براي توليد آب سنگين بايد مولکول هاي آب حاوي هيدروژن سنگين (دوتريوم) را از مولکول هاي آب معمولي جدا کنند يا از داخل هيدروژن ،اتم هاي هيدروژن سنگين يا دوتريوم را جدا و خالص کنند.

جرم مولکولي آب معمولي ۱۸و جرم مولکولي آب سنگين ۲۰است. از لحاظ خواص شيميايي تفاوت چنداني با خواص آب معمولي نداشته و اختلافات جزئي وجود دارد اما از لحاظ هسته اي هيدروژن معمولي مي تواند نوترون را جذب کند ،اما احتمال جذب نوترون توسط هيدروژن سنگين بسيار کم است. به دليل تفاوت مشخصات هسته اي دوتريوم با هيدروژن ازلحاظ «تکانه زاويه اي و گشتاور مغناطيسي »از آب سنگين و دوتريوم در زمينه هاي مختلف تحقيقاتي نيز استفاده مي شود. به عنوان مثال رفتار آب سنگين در دستگاه هاي MRIبا رفتار هيدروژن معمولي متفاوت است.

در فعاليت هاي تحقيقاتي به منظور بررسي برخي خواص از موادي استفاده مي کنند که هيدروژن طبيعي را در آن با هيدروژن سنگين (دوتريوم) جايگزين کرده اند. يکي از کاربردهاي دوتريوم استفاده در توليد نوترون در شتاب دهنده ها و توليد انرژي در «راکتورهاي گداخت» است.

 

◄ آب نيمه سنگين:

چنانچه دراکسيد هيدروژن تنها يکي از اتمهاي هيدروژن به ايزوتوپ دوتريوم تبديل شود نتيجه حاصله (HDO)را آب نيمه سنگين مي گويند. در مواردي که ترکيب مساوي از هيدروژن و دوتريوم در تشکيل مولکوهاي آب حضور داشته باشند، آب نيمه سنگين تهيه مي شود. دليل اين امر تبديل سريع اتم هي هيدروژن و دوتريوم بين مولکولهاي آب است، مولکول آبي که از ۵۰درصد هيدروژن معمولي (H)و ۵۰درصد هيدروژن سنگين (D)تشکيل شده است،در موازنه شيميايي در حدود ۵۰درصد HDOو ۲۵ درصد آب (H۲O)و ۲۵درصد D۲Oخواهد داشت.

نکته قابل توجه آن است که آب سنگين را نبايد با با آب سخت که اغلب شامل املاح زياد است و يا يا آب تريتيومor (T۲O ۳H۲O)که از ايزوتوپ ديگر هيدروژن تشکيل شده است، اشتباه گرفت. تريتيوم ايزوتوپ ديگري از هيدروژن است که خاصيت راديواکتيو دارد و بيشتر براي ساخت موادي که از خود نور منتشر مي کنند، بکار برده مي شود.

 

◄ آب با اکسيژن سنگين:

آب با اکسيژن سنگين،در حالت معمول H۲۱۸Oاست که به صورت تجارتي در دسترس است بيشتر براي رديابي بکار برده مي شود. بعنوان مثال با جايگزين کردن اين آب (از طريق نوشيدن يا تزريق) در يکي از عضوهاي بدن مي توان در طول زمان ميزان تغيير در مقدار آب اين عضو را بررسي کرد. اين نوع از آب به ندرت حاوي دوتريوم است و به همين علت خواص شيميايي و بيولوژيکي خاصي ندارد ،براي همين به آن آب سنگين گفته نمي شود. ممکن است اکسيژن در آنها بصورت ايزوتوپهاي O۱۷نيز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فيزيکي ين آب با آب معمولي تنها چگالي بيشتر آن است.