Ciężka woda

Nie mylić z wodą twardą lub wodą trytowaną .

Ciężka woda
Spacefill model of heavy water
Heavy water.svg
Nazwy
nazwa IUPAC
( 2 H 2 ) Woda
Inne nazwy
  • Tlenek deuteru
  • Woda- d 2
  • Tlenek dideuteru
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
CHEBI
CHEMBL
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.029.226 Edit this at Wikidata
Numer WE
  • 232-148-9
97
KEGG
Siatka Deuter + tlenek
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
  • ZC0230000
UNII
  • InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2  ☒ N
    Klucz: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N  ☒ N
  • [2H]O[2H]
Nieruchomości
D
2 O
Masa cząsteczkowa 20,0276 g mol -1
Wygląd Bezbarwna ciecz
Zapach Bezwonny
Gęstość 1,107 g ml -1
Temperatura topnienia 3,82°C; 38,88 ° F; 276,97 tys
Temperatura wrzenia 101,4 ° C (214,5 ° F; 374,5 K)
Mieszalny
dziennik P −1,38
1.328
Lepkość 1,25 MPa·s (przy 20°C)
1,87 D
Zagrożenia
NFPA 704 (ognisty diament)
1
0
0
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
☒  N ( co to jest check☒ T N ?)

Ciężka woda ( tlenek deuteru , 2
H
2 O , D
2 O ) jest formą wody zawierającą tylko deuter ( 2
H lub D, znany również jako ciężki wodór ) zamiast zwykłego izotopu wodoru-1 ( 1
H lub H, zwany także protium ), który stanowi większość wodoru w normalnej wodzie. Obecność cięższego izotopu wodoru nadaje wodzie inne właściwości jądrowe, a wzrost masy nadaje jej nieco inne właściwości fizyczne i chemiczne w porównaniu do zwykłej wody.

Kompozycja

Deuter jest izotopem wodoru z jądrem zawierającym neutron i proton ; jądro atomu protu (normalnego wodoru) składa się tylko z protonu. Dodatkowy neutron powoduje, że atom deuteru jest mniej więcej dwa razy cięższy niż protu .

Cząsteczka ciężkiej wody ma dwa atomy deuteru zamiast dwóch atomów protu zwykłej „lekkiej” wody. Termin ciężka woda zdefiniowany w IUPAC może również odnosić się do wody, w której większa niż zwykle proporcja atomów wodoru to deuter, a nie prot. Dla porównania, zwykła woda („zwykła woda” używana jako wzorzec deuteru) zawiera tylko około 156 atomów deuteru na milion atomów wodoru, co oznacza, że ​​0,0156% atomów wodoru jest typu ciężkiego. Zatem ciężka woda, zgodnie z definicją w Złotej Księdze, obejmuje tlenek wodoru i deuteru (HDO) oraz inne mieszaniny D2O
zwykle w ,
. H2O i HDO , których udział deuteru jest większy niż Na przykład ciężka woda stosowana w reaktorach CANDU to wysoce wzbogacona mieszanina wody, która zawiera głównie tlenek deuteru D
2 O , ale także trochę wodoru i tlenku deuteru oraz mniejszą ilość zwykłego tlenku wodoru H
2 O . Jest w 99,75% wzbogacony frakcją atomową wodoru, co oznacza, że ​​99,75% atomów wodoru jest typu ciężkiego; jednak ciężka woda w sensie Złotej Księgi nie musi być tak bardzo wzbogacona. Masa cząsteczki ciężkiej wody nie różni się jednak zasadniczo od masy normalnej cząsteczki wody, ponieważ około 89% masy cząsteczkowej wody pochodzi z pojedynczego atomu tlenu, a nie z dwóch atomów wodoru.

Ciężka woda nie jest radioaktywna . W czystej postaci ma gęstość około 11% większą niż woda, ale poza tym jest fizycznie i chemicznie podobny. Niemniej jednak różne różnice w wodzie zawierającej deuter (szczególnie wpływające na właściwości biologiczne) są większe niż w jakimkolwiek innym powszechnie występującym związku podstawionym izotopem, ponieważ deuter jest wyjątkowy wśród ciężkich stabilnych izotopów , ponieważ jest dwa razy cięższy niż najlżejszy izotop. Ta różnica zwiększa siłę wiązań wodorowo-tlenowych w wodzie, a to z kolei wystarczy, aby spowodować różnice, które są ważne dla niektórych reakcji biochemicznych. Ludzkie ciało naturalnie zawiera deuter w ilości odpowiadającej około pięciu gramom ciężkiej wody, która jest nieszkodliwa. Kiedy duża część wody (> 50%) w organizmach wyższych zostaje zastąpiona przez ciężką wodę, wynikiem jest komórek i śmierć.

Ciężka woda została po raz pierwszy wyprodukowana w 1932 roku, kilka miesięcy po odkryciu deuteru. Wraz z odkryciem rozszczepienia jądrowego pod koniec 1938 r. I potrzebą moderatora neutronów , który wychwytywał kilka neutronów, ciężka woda stała się elementem wczesnych badań nad energią jądrową . Od tego czasu ciężka woda jest niezbędnym składnikiem niektórych typów reaktorów, zarówno tych wytwarzających energię, jak i tych przeznaczonych do produkcji izotopów do broni jądrowej. Te reaktory ciężkowodne mają tę zaletę, że mogą pracować na naturalnym uranie bez użycia grafitu moderatorów stwarzających zagrożenie radiologiczne i wybuchem pyłu w fazie likwidacji. Moderowany grafitem radziecki RBMK starał się unikać stosowania wzbogaconego uranu lub ciężkiej wody (zamiast tego był chłodzony zwykłą „lekką” wodą), co dawało dodatni współczynnik pustki , który był jedną z serii wad konstrukcji reaktora prowadzących do katastrofy w Czarnobylu . Większość nowoczesnych reaktorów wykorzystuje wzbogacony uran ze zwykłą wodą jako moderatorem.

Inne ciężkie formy wody

Woda średnio ciężka

Struktura wody półciężkiej

Woda półciężka , HDO, występuje wtedy, gdy w mieszaninie występuje woda zawierająca lekki wodór (protium, 1
H ) i deuter (D lub 2
H ). Dzieje się tak, ponieważ atomy wodoru (wodór-1 i deuter) są szybko wymieniane między cząsteczkami wody. Woda zawierająca 50% H i 50% D w wodorze faktycznie zawiera około 50% HDO i po 25% H
2 O i D
2 O , w równowadze dynamicznej . W normalnej wodzie około 1 cząsteczka na 3200 to HDO (jeden wodór na 6400 ma postać D), a cząsteczki ciężkiej wody ( D
2 O ) występują tylko w proporcji około 1 cząsteczki na 41 milionów (tj. jednej na 6400 2 ). Tak więc półciężkie cząsteczki wody są znacznie bardziej powszechne niż „czyste” (homoizotopowe) cząsteczki ciężkiej wody.

Woda ciężka tlenowa

Woda wzbogacona w cięższe izotopy tlenu 17
O i 18
O jest również dostępna w handlu. Jest to „ciężka woda”, ponieważ jest gęstsza niż normalna woda ( H
2 18
O jest w przybliżeniu tak samo gęsta jak D
2 O , H
2 17
O ma mniej więcej połowę między H
2 O a D
2 O ) — ale rzadko jest nazywana ciężką wodą , ponieważ nie zawiera deuteru, który daje D 2 O jego niezwykłych właściwościach jądrowych i biologicznych. Jest droższy od D 2 O ze względu na trudniejsze rozdzielenie 17 O i 18 O. H 2 18 O jest również wykorzystywany do produkcji fluoru-18 do radiofarmaceutyków i radioznaczników oraz do pozytonowej tomografii emisyjnej . Niewielkie ilości 17
O i 18
O są naturalnie obecne w wodzie, a większość procesów wzbogacania ciężkiej wody wzbogaca również cięższe izotopy tlenu jako efekt uboczny. Jest to niepożądane, jeśli ciężka woda ma być stosowana jako moderator neutronów w reaktorach jądrowych, ponieważ 17
O może ulec wychwytowi neutronów, po czym następuje emisja cząstki alfa , w wyniku której powstaje radioaktywny 14
C. Jednak podwójnie znakowana woda , zawierająca zarówno ciężki tlen, jak i ciężki wodór, jest przydatna jako nieradioaktywny znacznik izotopowy.

W porównaniu z przemianą izotopową atomów wodoru, przemiana izotopowa tlenu ma mniejszy wpływ na właściwości fizyczne.

Woda trytowana

Woda trytowana zawiera tryt ( 3H ) zamiast protu ( 1H ) lub deuteru ( 2H ), a ponieważ sam tryt jest radioaktywny, woda trytowana jest również radioaktywna.

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne izotopologów wody
Nieruchomość D 2 O (ciężka woda) HDO (woda średnio ciężka) H 2 O (Lekka woda)

Temperatura topnienia ( ciśnienie standardowe ) 		3,82 ° C (38,88 ° F; 276,97 K) 2,04 ° C (35,67 ° F; 275,19 K) 0,0 ° C (32,0 ° F; 273,1 K)
Temperatura wrzenia 101,4 ° C (214,5 ° F; 374,5 K) 100,7 ° C (213,3 ° F; 373,8 K) 100,0 ° C (212,0 ° F; 373,1 K)
Gęstość w STP (g/ ml ) 1.1056 1.054 0,9982
Temp. o maksymalnej gęstości 11,6°C Niesprawdzony 3,98°C
Lepkość dynamiczna (przy 20 °C, mPa · s ) 1,2467 1.1248 1.0016
Napięcie powierzchniowe (przy 25 °C, N / m ) 0,07187 0,07193 0,07198
Ciepło topnienia ( kJ / mol ) 6.132 6.227 6.00678
Ciepło parowania (kJ/mol) 41.521 Niesprawdzony 40.657
pH (przy 25 °C) 7,44 („PD”) 7,266 („pHD”) 7.0
p K b (przy 25 °C) 7,44 („p Kb D 2 O”) Niesprawdzony 7.0
Współczynnik załamania światła (w 20 ° C, 0,5893 μm ) 1.32844 Niesprawdzony 1,33335

   Fizyczne właściwości wody i ciężkiej wody różnią się pod kilkoma względami. Ciężka woda jest mniej zdysocjowana niż woda lekka w danej temperaturze, a rzeczywiste stężenie jonów D + jest mniejsze niż jonów H + dla próbki wody lekkiej w tej samej temperaturze. To samo dotyczy jonów OD − vs. OH − . Dla ciężkiej wody Kw D 2 O (25,0 °C) = 1,35 × 10 −15 , a [D + ] musi być równe [OD − ] dla wody obojętnej. Zatem pKw D 2 O = p[ OD- ] + p[D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0°C), a p[D + ] obojętnej ciężkiej wody w temperaturze 25,0°C wynosi 7,44.

Wartość pD ciężkiej wody jest zwykle mierzona za pomocą elektrod pH, które dają wartość pH (pozorną) lub pHa, a w różnych temperaturach rzeczywiste pH kwasowe można oszacować na podstawie pHa mierzonego bezpośrednio przez pehametr, tak że pD+ = pHa (pozorny odczyt z pehametr) + 0,41. Korekta elektrody dla warunków alkalicznych wynosi 0,456 dla ciężkiej wody. Korekta alkaliczna wynosi wtedy pD+ = pH a (pozorny odczyt z pehametru) + 0,456. Poprawki te nieznacznie różnią się od różnic w p[D+] i p[OD-] wynoszących 0,44 od odpowiadających im w ciężkiej wodzie.

Ciężka woda jest o 10,6% gęstsza niż zwykła woda, a fizycznie odmienne właściwości ciężkiej wody można zobaczyć bez sprzętu, jeśli zamrożona próbka zostanie wrzucona do normalnej wody, ponieważ zatonie. Jeśli woda jest lodowata, można również zaobserwować wyższą temperaturę topnienia ciężkiego lodu: topi się on w temperaturze 3,7 ° C, a zatem nie topi się w lodowatej normalnej wodzie.

Eksperyment z 1935 roku nie wykazał „najmniejszej różnicy” w smaku między zwykłą a ciężką wodą. Jedno z badań wykazało, że ciężka woda smakuje „wyraźnie słodiej” dla ludzi i pośredniczy w niej TAS1R2 / TAS1R3 . Szczury, którym dano wybór między zwykłą wodą destylowaną a ciężką wodą, były w stanie uniknąć ciężkiej wody na podstawie zapachu i może ona mieć inny smak. Niektórzy twierdzą, że minerały w wodzie wpływają na smak, np. potas nadaje słodki smak twardej wodzie, ale istnieje wiele czynników wpływających na postrzegany smak wody, poza zawartością minerałów.

Ciężka woda nie ma charakterystycznego niebieskiego koloru lekkiej wody; dzieje się tak, ponieważ drgań molekularnych , które w lekkiej wodzie powodują słabą absorpcję w czerwonej części widma widzialnego, są przesunięte w podczerwień, a zatem ciężka woda nie pochłania światła czerwonego.

Żadne właściwości fizyczne nie są wymienione dla „czystej” półciężkiej wody, ponieważ jest ona niestabilna jako ciecz masowa. W stanie ciekłym kilka cząsteczek wody jest zawsze w stanie zjonizowanym , co oznacza, że ​​atomy wodoru mogą wymieniać się między różnymi atomami tlenu. Półciężką wodę można by teoretycznie wytworzyć metodą chemiczną [ wymagane dalsze wyjaśnienie ] , ale szybko przekształciłaby się ona w dynamiczną mieszaninę 25% lekkiej wody, 25% ciężkiej wody i 50% półciężkiej wody. Gdyby jednak zostały wykonane w fazie gazowej i bezpośrednio zdeponowane w stałą, półciężką wodę w postaci lodu może być stabilna. Wynika to z tego, że zderzenia między cząsteczkami pary wodnej są prawie całkowicie pomijalne w fazie gazowej w standardowych temperaturach, a po krystalizacji zderzenia między cząsteczkami całkowicie ustają z powodu sztywnej struktury sieciowej stałego lodu. [ potrzebne źródło ]

Historia

Amerykański naukowiec i laureat Nagrody Nobla Harold Urey odkrył izotop deuteru w 1931 roku i później był w stanie skoncentrować go w wodzie. Mentor Ureya, Gilbert Newton Lewis, wyizolował pierwszą próbkę czystej ciężkiej wody za pomocą elektrolizy w 1933 r. George de Hevesy i Erich Hofer użyli ciężkiej wody w 1934 r. W jednym z pierwszych eksperymentów ze znacznikami biologicznymi, aby oszacować tempo obrotu wody w organizmie człowieka . Poniżej opisano historię masowej produkcji i stosowania ciężkiej wody we wczesnych eksperymentach jądrowych.

Emilian Bratu i Otto Redlich badali autodysocjację ciężkiej wody w 1934 roku.

Wpływ na systemy biologiczne

Różne izotopy pierwiastków chemicznych mają nieco inne zachowania chemiczne, ale w przypadku większości pierwiastków różnice są zbyt małe, aby miały efekt biologiczny. W przypadku wodoru występują większe różnice we właściwościach chemicznych między protem (lekki wodór), deuterem i trytem , ​​ponieważ energia wiązania chemicznego zależy od zmniejszonej masy układu jądro-elektron; zmienia się to w związkach ciężkiego wodoru (najpowszechniejszym gatunkiem jest tlenek wodoru i deuteru) bardziej niż w przypadku podstawienia ciężkimi izotopami obejmującymi inne pierwiastki chemiczne. Efekty izotopowe są szczególnie istotne w systemach biologicznych, które są bardzo wrażliwe na nawet mniejsze zmiany, ze względu na izotopowe właściwości wody, gdy działa ona jako rozpuszczalnik.

Ciężka woda wpływa na okres oscylacji okołodobowych , konsekwentnie zwiększając długość każdego cyklu. Efekt wykazano u organizmów jednokomórkowych, roślin zielonych, równonogów, owadów, ptaków, myszy i chomików. Mechanizm jest nieznany.

Aby wykonywać swoje zadania, enzymy polegają na swoich precyzyjnie dostrojonych sieciach wiązań wodorowych , zarówno w centrum aktywnym z ich substratami, jak i poza centrum aktywnym, aby ustabilizować swoje trzeciorzędowe struktury . Ponieważ wiązanie wodorowe z deuterem jest nieco silniejsze niż wiązanie ze zwykłym wodorem, w wysoce deuterowanym środowisku zaburzone są niektóre normalne reakcje w komórkach.

Ciężka woda szczególnie mocno ucierpiała na delikatnych zespołach formacji wrzecion mitotycznych niezbędnych do podziału komórek u eukariontów . Rośliny przestają rosnąć, a nasiona nie kiełkują, gdy podano tylko ciężką wodę, ponieważ ciężka woda zatrzymuje podział komórek eukariotycznych. Komórka deuteru jest większa i jest modyfikacją kierunku podziału. Zmienia się również błona komórkowa, która w pierwszej kolejności reaguje na działanie ciężkiej wody. W 1972 roku wykazano, że wzrost procentowej zawartości deuteru w wodzie zmniejsza wzrost roślin. Badania prowadzone nad wzrostem prokariotów Mikroorganizmy w sztucznych warunkach środowiska ciężkiego wodoru wykazały, że w tym środowisku wszystkie atomy wodoru w wodzie można zastąpić deuterem. Eksperymenty wykazały, że bakterie mogą żyć w 98% ciężkiej wodzie. Stężenia powyżej 50% są śmiertelne dla organizmów wielokomórkowych, jednak znanych jest kilka wyjątków, takich jak proso rózgowe ( Panicum virgatum ), które może rosnąć na 50% D 2 O; roślina Arabidopsis thaliana (70% D2O ) ; roślina Vesicularia dubyana (85% D 2 O); roślina Funaria hygrometrica (90% D2O ) ; oraz anhydrobiotyczny gatunek nicienia Panagrolaimus superbus (prawie 100% D 2 O). Kompleksowe badanie ciężkiej wody na drożdżach rozszczepialnych Schizosaccharomyces pombe wykazało, że komórki wykazywały zmieniony metabolizm glukozy i powolny wzrost przy wysokich stężeniach ciężkiej wody. Ponadto komórki aktywowały szlak odpowiedzi na szok termiczny i szlak integralności komórkowej, a mutanty w szlaku integralności komórkowej wykazywały zwiększoną tolerancję na ciężką wodę.

Wpływ na zwierzęta

Eksperymenty na myszach, szczurach i psach wykazały, że stopień 25% deuteracji powoduje (czasem nieodwracalną) bezpłodność, ponieważ ani gamety , ani zygoty nie mogą się rozwinąć. Wysokie stężenie ciężkiej wody (90%) szybko zabija ryby , kijanki , płazińce i Drosophila . Jedynym znanym wyjątkiem jest anhydrobiotyczny nicień Panagrolaimus superbus , który jest w stanie przetrwać i rozmnażać się w 99,9% D 2 O. Ssaki (np. szczury ), którym podano do picia ciężką wodę, umierają po tygodniu, w czasie, gdy ich woda w organizmie zbliża się do około 50% deuteracji. Sposób śmierci wydaje się być taki sam, jak w przypadku zatrucia cytotoksycznego (takiego jak chemioterapia ) lub w ostrym zespole popromiennym (chociaż deuter nie jest radioaktywny) i jest spowodowany działaniem deuteru w ogólnym hamowaniu podziału komórek. Jest bardziej toksyczny dla komórek złośliwych niż normalne komórki, ale potrzebne stężenia są zbyt wysokie do regularnego stosowania. Jak może się zdarzyć w chemioterapii, ssaki zatrute deuterem umierają z powodu niewydolności szpiku kostnego (powodującego krwawienia i infekcje) oraz funkcji bariery jelitowej (powodującej biegunkę i utratę płynów ).

Pomimo problemów roślin i zwierząt związanych ze zbyt dużą ilością deuteru, organizmy prokariotyczne , takie jak bakterie, które nie mają problemów mitotycznych wywołanych przez deuter, mogą być hodowane i rozmnażane w warunkach pełnego deuterowania, co skutkuje wymianą wszystkich atomów wodoru w białka bakteryjne i DNA z izotopem deuteru.

W organizmach wyższych pełne zastąpienie ciężkich izotopów można osiągnąć innymi nieradioaktywnymi ciężkimi izotopami (takimi jak węgiel-13, azot-15 i tlen-18), ale nie można tego zrobić w przypadku deuteru. Wynika to ze stosunku mas jądrowych między izotopami wodoru, który jest znacznie większy niż w przypadku jakiegokolwiek innego pierwiastka.

Tlenek deuteru jest używany do wzmocnienia terapii wychwytu neutronów borowych , ale efekt ten nie opiera się na biologicznych lub chemicznych skutkach deuteru, ale zamiast tego na zdolności deuteru do moderowania (spowalniania) neutronów bez ich wychwytywania.

Ostatnie dowody eksperymentalne wskazują, że ogólnoustrojowe podawanie tlenku deuteru (30% uzupełnienie wody pitnej) hamuje wzrost guza w standardowym mysim modelu czerniaka ludzkiego , efekt przypisywany selektywnej indukcji komórkowej sygnalizacji stresu i ekspresji genów w komórkach nowotworowych.

Toksyczność u ludzi

Ponieważ potrzeba bardzo dużej ilości ciężkiej wody, aby zastąpić 25% do 50% wody w organizmie człowieka (woda stanowi z kolei 50–75% masy ciała) ciężką wodą, przypadkowe lub celowe zatrucie ciężką wodą jest mało prawdopodobne do punktu praktycznego lekceważenia. Zatrucie wymagałoby, aby ofiara przyjmowała duże ilości ciężkiej wody bez znacznego normalnego spożycia wody przez wiele dni, aby wywołać zauważalne efekty toksyczne.

Doustne dawki ciężkiej wody w zakresie kilku gramów, jak również ciężkiego tlenu 18 O, są rutynowo stosowane w eksperymentach metabolicznych na ludziach. (Patrz podwójnie oznaczone testy wody). Ponieważ jeden na około 6400 atomów wodoru to deuter, 50-kilogramowy (110 funtów) człowiek zawierający 32 kilogramy (71 funtów) wody w organizmie normalnie zawierałby wystarczającą ilość deuteru (około 1,1 grama lub 0,039 uncji ) do wytworzenia 5,5 grama (0,19 uncji) czystej ciężkiej wody, więc z grubsza ta dawka jest wymagana do podwojenia ilości deuteru w organizmie.

Utrata ciśnienia krwi może częściowo wyjaśniać zgłaszaną częstość występowania zawrotów głowy po spożyciu ciężkiej wody. Jednak bardziej prawdopodobne jest, że objaw ten można przypisać zmienionej funkcji przedsionkowej .

Zamieszanie związane z zanieczyszczeniem promieniowaniem ciężkiej wody

Chociaż wiele osób kojarzy ciężką wodę przede wszystkim z jej zastosowaniem w reaktorach jądrowych, czysta ciężka woda nie jest radioaktywna. Handlowa ciężka woda jest lekko radioaktywna ze względu na obecność śladowych ilości naturalnego trytu , ale to samo dotyczy zwykłej wody. Ciężka woda, która była używana jako chłodziwo w elektrowniach jądrowych, zawiera znacznie więcej trytu w wyniku bombardowania neutronami deuteru w ciężkiej wodzie ( tryt stanowi zagrożenie dla zdrowia w przypadku spożycia w dużych ilościach).

W 1990 roku niezadowolony pracownik Point Lepreau Nuclear Generating Station w Kanadzie pobrał próbkę (szacowaną na około „pół szklanki”) ciężkiej wody z pierwotnej pętli transportu ciepła reaktora jądrowego i załadował ją do dystrybutora napojów w stołówce . Ośmiu pracowników wypiło część zanieczyszczonej wody. Incydent został odkryty, gdy pracownicy zaczęli zostawiać próbki moczu do testów biologicznych z podwyższonym poziomem trytu poziomy. Ilość ciężkiej wody była znacznie niższa od poziomów, które mogłyby wywołać toksyczność ciężkiej wody, ale kilku pracowników otrzymało podwyższone dawki promieniowania z trytu i chemikaliów aktywowanych neutronami w wodzie. Nie był to przypadek zatrucia ciężką wodą, ale raczej zatrucia promieniowaniem innymi izotopami w ciężkiej wodzie.

Niektóre serwisy informacyjne nie były ostrożne w rozróżnianiu tych punktów, a część opinii publicznej miała wrażenie, że ciężka woda jest zwykle radioaktywna i bardziej toksyczna niż w rzeczywistości. Nawet gdyby czysta ciężka woda była używana w chłodnicy wody przez czas nieokreślony, jest mało prawdopodobne, aby incydent został wykryty lub spowodował szkodę, ponieważ żaden pracownik nie powinien otrzymywać znacznie więcej niż 25% dziennej wody pitnej z takiego źródła .

Produkcja

Na Ziemi woda deuterowana, HDO , występuje naturalnie w normalnej wodzie w proporcji około 1 cząsteczki na 3200. Oznacza to, że 1 na 6400 atomów wodoru to deuter, co stanowi 1 część na 3200 wagowych (masy wodoru). HDO można oddzielić od zwykłej wody przez destylację lub elektrolizę , a także za pomocą różnych procesów wymiany chemicznej, z których wszystkie wykorzystują kinetyczny efekt izotopowy . Z częściowym wzbogaceniem występującym również w naturalnych zbiornikach wodnych w określonych warunkach parowania. (Aby uzyskać więcej informacji na temat rozkładu izotopowego deuteru w wodzie, patrz Vienna Standard Mean Ocean Water ). Teoretycznie deuter do ciężkiej wody mógłby powstać w reaktorze jądrowym, ale oddzielenie od zwykłej wody jest najtańszym procesem produkcji masowej.

Różnica masy między dwoma izotopami wodoru przekłada się na różnicę energii punktu zerowego , a tym samym na niewielką różnicę w szybkości reakcji. Gdy HDO stanie się znaczącą częścią wody, ciężka woda stanie się bardziej rozpowszechniona, ponieważ cząsteczki wody bardzo często wymieniają atomy wodoru. Produkcja czystej ciężkiej wody przez destylację lub elektrolizę wymaga dużej kaskady destylatorów lub komór do elektrolizy i zużywa duże ilości energii, dlatego generalnie preferowane są metody chemiczne.

Najbardziej opłacalnym procesem wytwarzania ciężkiej wody jest proces siarczkowy z podwójną wymianą temperatur (znany jako proces siarczkowy Girdlera ) opracowany równolegle przez Karla-Hermanna Geiba i Jerome'a ​​​​S. Spevacka w 1943 roku.

Alternatywny proces, opatentowany przez Grahama M. Keysera, wykorzystuje lasery do selektywnej dysocjacji deuterowanych wodorofluorowęglowodorów w celu utworzenia fluorku deuteru , który można następnie oddzielić środkami fizycznymi. Chociaż energochłonność tego procesu jest znacznie mniejsza niż w przypadku procesu siarczkowego Girdlera, metoda ta jest obecnie nieekonomiczna ze względu na koszt pozyskania niezbędnych wodorofluorowęglowodorów.

Jak zauważono, nowoczesna ciężka woda komercyjna jest prawie powszechnie określana i sprzedawana jako tlenek deuteru. Najczęściej sprzedawany jest w różnych stopniach czystości, od 98% wzbogacenia do 99,75–99,98% wzbogacenia deuterem (stopień reaktora jądrowego), a czasami nawet o wyższej czystości izotopowej.

Argentyna

Głównym producentem ciężkiej wody była Argentyna , korzystająca z instalacji opartej na wymianie amoniak / wodór, dostarczonej przez szwajcarską firmę Sulzer . Był także głównym eksporterem do Kanady, Niemiec, USA i innych krajów. Zakład produkcji ciężkiej wody zlokalizowany w Arroyito był największym na świecie zakładem produkcji ciężkiej wody. Argentyna produkowała 200 ton amerykańskich (180 ton) ciężkiej wody rocznie w 2015 roku przy użyciu monotermicznej metody wymiany izotopowej amoniak-wodór . Od 2017 roku fabryka Arroyito nie działa.

związek Radziecki

W październiku 1939 radzieccy fizycy Jakow Borysowicz Zel'dovich i Yulii Borisovich Chariton doszli do wniosku, że ciężka woda i węgiel są jedynymi możliwymi moderatorami dla naturalnego reaktora uranowego , aw sierpniu 1940 wraz z Gieorgijem Flyorowem przedłożyli plan Rosyjskiej Akademii Nauki obliczyły, że do reaktora potrzeba było 15 ton ciężkiej wody. Ze Związkiem Radzieckim nie mając wówczas kopalni uranu, młodzi pracownicy Akademii zostali wysłani do leningradzkich sklepów fotograficznych, aby kupić azotan uranu, ale cały projekt ciężkiej wody został wstrzymany w 1941 r., kiedy siły niemieckie zaatakowały podczas operacji Barbarossa .

Do 1943 roku radzieccy naukowcy odkryli, że cała literatura naukowa dotycząca ciężkiej wody zniknęła z Zachodu, o czym Flyorov w liście ostrzegł sowieckiego przywódcę Józefa Stalina, a w tym czasie było tylko 2–3 kg ciężkiej wody w całym kraj. Pod koniec 1943 r. radziecka komisja zakupów w USA pozyskała 1 kg ciężkiej wody i kolejne 100 kg w lutym 1945 r., a po zakończeniu II wojny światowej NKWD przejęło projekt.

W październiku 1946 roku, w ramach rosyjskiego Alsos , NKWD deportowało do Związku Sowieckiego z Niemiec niemieckich naukowców, którzy w czasie wojny pracowali przy produkcji ciężkiej wody, w tym Karla-Hermanna Geiba , wynalazcę procesu siarczkowego Girdlera . Ci niemieccy naukowcy pracowali pod nadzorem niemieckiego fizykochemika Maxa Volmera w Instytucie Chemii Fizycznej w Moskwie z fabryką, którą zbudowali, produkującą duże ilości ciężkiej wody do 1948 roku.

Stany Zjednoczone

Podczas Projektu Manhattan Stany Zjednoczone zbudowały trzy zakłady produkcji ciężkiej wody w ramach Projektu P-9 w Morgantown Ordnance Works, niedaleko Morgantown w Wirginii Zachodniej ; w Wabash River Ordnance Works, niedaleko Dana i Newport w stanie Indiana ; oraz w Alabama Ordnance Works, niedaleko Childersburga i Sylacauga w Alabamie . Ciężką wodę pozyskiwano również z zakładu Cominco w Trail w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie. Chicagowski stos-3 Eksperymentalny reaktor wykorzystywał ciężką wodę jako moderator i osiągnął stan krytyczny w 1944 roku. Trzy krajowe zakłady produkcyjne zostały zamknięte w 1945 roku po wyprodukowaniu około 81 470 funtów produktu. Fabryka Wabash wznowiła produkcję ciężkiej wody w 1952 roku.

W 1953 roku Stany Zjednoczone zaczęły używać ciężkiej wody w reaktorach do produkcji plutonu w Savannah River Site . Pierwszy z pięciu reaktorów ciężkowodnych uruchomiono w 1953 r., a ostatni został wyłączony w 1996 r. Reaktory SRS były reaktorami ciężkowodnymi, dzięki czemu mogły produkować zarówno pluton, jak i tryt na potrzeby amerykańskiego programu broni jądrowej .

Stany Zjednoczone opracowały proces produkcji chemicznej wymiany siarczków Girdlera - który po raz pierwszy zademonstrowano na dużą skalę w zakładzie Dana w stanie Indiana w 1945 r. Oraz w zakładzie Savannah River w Karolinie Południowej w 1952 r. Firma DuPont obsługiwała SRP dla USDOE do 1 kwietnia 1989, kiedy przejął ją Westinghouse .

Indie

Indie są jednym z największych na świecie producentów ciężkiej wody za pośrednictwem swojej Rady ds. Ciężkiej Wody . Eksportuje ciężką wodę do krajów, w tym do Republiki Korei, Chin i Stanów Zjednoczonych.

Cesarstwo Japonii

Stany Zjednoczone i Związek Radziecki podejrzewały, że austriacki chemik Fritz Johann Hansgirg zbudował pilotażową fabrykę dla Cesarstwa Japonii w rządzonej przez Japonię Korei Północnej do produkcji ciężkiej wody przy użyciu nowego, wymyślonego przez siebie procesu.

Norwegia

Główny artykuł: norweski sabotaż ciężkiej wody
„Ciężka woda” firmy Norsk Hydro

W 1934 roku firma Norsk Hydro zbudowała pierwszą komercyjną elektrownię ciężkiej wody w Vemork w Tinn , ostatecznie produkując 4 kilogramy (8,8 funta) dziennie. Od 1940 roku i przez całą II wojnę światową elektrownia znajdowała się pod niemiecką kontrolą, a alianci postanowili zniszczyć elektrownię i jej ciężką wodę, aby zahamować niemiecki rozwój broni jądrowej. Pod koniec 1942 roku planowany nalot o nazwie Operacja Freshman przez brytyjskie wojska powietrznodesantowe nie powiódł się, oba szybowce uległy awarii. Najeźdźcy zginęli w katastrofie lub zostali następnie rozstrzelani przez Niemców.

W nocy 27 lutego 1943 r. Operacja Gunnerside zakończyła się sukcesem. Norweskim komandosom i miejscowemu ruchowi oporu udało się zburzyć małe, ale kluczowe części ogniw elektrolitycznych, zrzucając nagromadzoną ciężką wodę do kanalizacji fabrycznej.

16 listopada 1943 r. lotnictwo alianckie zrzuciło na to miejsce ponad 400 bomb. Nalot aliantów skłonił nazistowski rząd do przeniesienia całej dostępnej ciężkiej wody do Niemiec na przechowanie. W dniu 20 lutego 1944 r. norweski partyzant zatopił prom M/F Hydro przewożący ciężką wodę przez jezioro Tinn , kosztem życia 14 norweskich cywilów, a większość ciężkiej wody prawdopodobnie została utracona. Kilka beczek było pełnych tylko w połowie, a więc pływających, i mogły zostać uratowane i przetransportowane do Niemiec.

Niedawne badanie dokumentacji produkcyjnej w Norsk Hydro i analiza nienaruszonej beczki, która została uratowana w 2004 r., ujawniły, że chociaż beczki w tej dostawie zawierały wodę o pH 14 — co wskazuje na alkaliczny proces rafinacji elektrolitycznej — nie zawierały one wysokich stężeń D 2 O. Pomimo pozornej wielkości przesyłki, całkowita ilość czystej ciężkiej wody była dość mała, większość beczek zawierała tylko 0,5–1% czystej ciężkiej wody. Niemcy potrzebowali łącznie około 5 ton ciężkiej wody, aby uruchomić reaktor jądrowy. Manifest wyraźnie wskazywał, że do Niemiec przewożono tylko pół tony ciężkiej wody. Hydro przewoziło o wiele za mało ciężkiej wody dla jednego reaktora, nie mówiąc już o 10 lub więcej tonach potrzebnych do wytworzenia wystarczającej ilości plutonu do broni jądrowej. Niemiecki program nuklearny był znacznie mniej zaawansowany niż projekt Manhattan i żaden reaktor zbudowany w nazistowskich Niemczech nigdy nie zbliżył się do punktu krytycznego . Żadna ilość ciężkiej wody by tego nie zmieniła.

Izrael przyznał się do eksploatacji reaktora Dimona z norweską ciężką wodą sprzedaną mu w 1959 roku. Poprzez reeksport przez Rumunię i Niemcy, Indie prawdopodobnie również używały norweskiej ciężkiej wody.

Szwecja

Podczas drugiej wojny światowej firma Fosfatbolaget w Ljungaverk w Szwecji produkowała rocznie 2300 litrów ciężkiej wody. Ciężka woda była następnie sprzedawana zarówno do Niemiec, jak i do projektu Manhattan w USA po cenie 1,40 SEK za gram ciężkiej wody.

Kanada

W ramach swojego wkładu w Projekt Manhattan Kanada zbudowała i obsługiwała elektrownię elektrolityczną ciężkiej wody o mocy od 1000 funtów (450 kg) do 1200 funtów (540 kg) miesięcznie (wydajność projektowa) w Trail w Kolumbii Brytyjskiej , która rozpoczęła działalność w 1943 r.

Projekt reaktora energetycznego Atomic Energy of Canada Limited (AECL) wymaga dużych ilości ciężkiej wody, aby działała jako moderator neutronów i chłodziwo. AECL zamówił dwie elektrownie ciężkiej wody, które zostały zbudowane i eksploatowane w Atlantic Canada w Glace Bay w Nowej Szkocji (przez Deuterium of Canada Limited) i Port Hawkesbury w Nowej Szkocji ( przez General Electric Canada). Zakłady te okazały się mieć znaczne problemy projektowe, konstrukcyjne i produkcyjne. W rezultacie firma AECL zbudowała fabrykę ciężkiej wody w Bruce ( ), którą później sprzedała Ontario Hydro , aby zapewnić niezawodne dostawy ciężkiej wody dla przyszłych elektrowni. Dwie fabryki w Nowej Szkocji zostały zamknięte w 1985 roku, kiedy ich produkcja okazała się niepotrzebna.

Bruce Heavy Water Plant (BHWP) w Ontario była największą na świecie fabryką ciężkiej wody o wydajności 1600 ton rocznie w szczytowym okresie (800 ton rocznie na pełną fabrykę, dwie w pełni sprawne elektrownie w szczytowym okresie). Wykorzystywał proces siarczkowy Girdlera do produkcji ciężkiej wody i wymagał 340 000 ton wody zasilającej do wyprodukowania jednej tony ciężkiej wody. Była częścią kompleksu obejmującego osiem reaktorów CANDU , które dostarczały ciepło i energię dla elektrowni ciężkiej wody. Witryna znajdowała się w Douglas Point / Elektrownia jądrowa Bruce w pobliżu Tiverton, Ontario, nad jeziorem Huron , skąd miała dostęp do wód Wielkich Jezior .

AECL wydał kontrakt na budowę w 1969 roku dla pierwszej jednostki BHWP (BHWP A). Uruchomienie BHWP A zostało przeprowadzone przez Ontario Hydro w latach 1971-1973, przy czym elektrownia weszła do eksploatacji 28 czerwca 1973 r., A projektowa zdolność produkcyjna została osiągnięta w kwietniu 1974 r. Ze względu na sukces BHWP A i dużą ilość ciężkiej wody, która byłaby być wymagane dla dużej liczby planowanych projektów budowy elektrowni jądrowych CANDU w przyszłości, firma Ontario Hydro uruchomiła trzy dodatkowe zakłady produkcji ciężkiej wody dla zakładu w Bruce (BHWP B, C i D). BHWP B została oddana do użytku w 1979 roku. Te pierwsze dwie elektrownie były znacznie bardziej wydajne niż planowano, a liczba projektów budowlanych CANDU okazała się znacznie niższa niż pierwotnie planowano, co doprowadziło do rezygnacji z budowy BHWP C & D. W 1984, BHWP A został zamknięty. Do 1993 roku Ontario Hydro wyprodukowało wystarczającą ilość ciężkiej wody, aby zaspokoić wszystkie przewidywane potrzeby domowe (które były niższe niż oczekiwano ze względu na lepszą efektywność wykorzystania i recyklingu ciężkiej wody), więc zamknęli i zburzyli połowę wydajności BHWP B Pozostała moc funkcjonowała w celu zaspokojenia zapotrzebowania na eksport ciężkiej wody, aż do jej trwałego wyłączenia w 1997 r., po czym elektrownia była stopniowo rozbierana, a teren oczyszczany.

AECL prowadzi obecnie badania nad innymi, bardziej wydajnymi i przyjaznymi dla środowiska procesami wytwarzania ciężkiej wody. Jest to istotne w przypadku reaktorów CANDU, ponieważ ciężka woda stanowiła około 15–20% całkowitego kosztu inwestycyjnego każdej elektrowni CANDU w latach 70. i 80. XX wieku.

Iranu

Od 1996 roku w Khondab koło Araku budowano zakład do produkcji ciężkiej wody . [ potrzebne źródło ] 26 sierpnia 2006 r. irański prezydent Ahmadineżad zainaugurował rozbudowę krajowej elektrowni ciężkiej wody. Iran wskazał, że zakład produkcji ciężkiej wody będzie działał równolegle z reaktorem badawczym o mocy 40 MW, którego zakończenie zaplanowano na 2009 rok.

Iran po raz pierwszy wyprodukował rozpuszczalniki deuterowane na początku 2011 roku.

Rdzeń IR-40 ma zostać przeprojektowany na podstawie porozumienia nuklearnego z lipca 2015 roku.

Iran może przechowywać tylko 130 ton (140 ton amerykańskich ) ciężkiej wody. Iran eksportuje nadwyżki produkcji po przekroczeniu przydziału, co czyni Iran trzecim co do wielkości eksporterem ciężkiej wody na świecie.

Pakistan

ciężkiej wody i uranu naturalnego o mocy 50 MW w Khushab w prowincji Pendżab jest centralnym elementem pakistańskiego programu produkcji plutonu, deuteru i trytu do zaawansowanych głowic kompaktowych (tj. broni termojądrowej ) . Pakistanowi udało się nabyć zakład oczyszczania i przechowywania trytu oraz materiały prekursorowe deuteru i trytu od dwóch niemieckich firm.

Inne kraje

Rumunia produkowała ciężką wodę w obecnie wycofanej z eksploatacji elektrowni siarczkowej Drobeta Girdler na potrzeby krajowe i eksportowe.

Francja prowadziła małą fabrykę w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku. [ potrzebne źródło ]

Ciężka woda występuje w podwyższonym stężeniu w hypolimnionie jeziora Tanganika w Afryce Wschodniej . Jest prawdopodobne, że podobne podwyższone stężenia występują w jeziorach o podobnej limnologii , ale jest to tylko 4% wzbogacenia (24 vs. 28), a wody powierzchniowe są zwykle wzbogacane w D
2 O przez parowanie w jeszcze większym stopniu przez szybsze parowanie H
2 O .

Aplikacje

Magnetyczny rezonans jądrowy

Tlenek deuteru jest używany w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego przy użyciu wody jako rozpuszczalnika, jeśli interesującym nuklidem jest wodór. Dzieje się tak dlatego, że sygnał z cząsteczek rozpuszczalnika lekkiej wody ( 1 H 2 O) interferuje z sygnałem z rozpuszczonej w nim cząsteczki będącej przedmiotem zainteresowania. Deuter ma inny moment magnetyczny i dlatego nie ma udziału w sygnale 1H -NMR przy częstotliwości rezonansowej wodoru-1.

W przypadku niektórych eksperymentów może być pożądane zidentyfikowanie nietrwałych wodorów w związku, to jest wodorów, które mogą łatwo wymieniać się jako jony H + w niektórych pozycjach w cząsteczce. Po dodaniu D 2 O, czasami określanego jako wstrząs D 2 O , labilne atomy wodoru ulegają wymianie i są zastępowane przez atomy deuteru ( 2H ). Te pozycje w cząsteczce nie pojawiają się wówczas w widmie 1H -NMR.

Chemia organiczna

Tlenek deuteru jest często używany jako źródło deuteru do wytwarzania specyficznie znakowanych izotopologów związków organicznych. Na przykład wiązania CH sąsiadujące z ketonowymi grupami karbonylowymi można zastąpić wiązaniami CD, stosując katalizę kwasową lub zasadową. Jodek trimetylosulfoksoniowy , wytwarzany z sulfotlenku dimetylu i jodku metylu można rekrystalizować z tlenku deuteru, a następnie dysocjować w celu regeneracji jodku metylu i sulfotlenku dimetylu, oba znakowane deuterem. W przypadkach, gdy rozważane jest specyficzne podwójne znakowanie deuterem i trytem, ​​badacz musi mieć świadomość, że tlenek deuteru, w zależności od wieku i pochodzenia, może zawierać trochę trytu.

Spektroskopia w podczerwieni

Tlenek deuteru jest często używany zamiast wody podczas zbierania widm FTIR białek w roztworze. H 2 O tworzy silne pasmo, które pokrywa się z regionem amidowym I białek. Pasmo z D2O jest przesunięte z regionu amidowego I.

Moderator neutronów

Ciężka woda jest używana w niektórych typach reaktorów jądrowych , gdzie działa jako moderator neutronów , spowalniając neutrony, dzięki czemu jest bardziej prawdopodobne, że zareagują one z rozszczepialnym uranem-235 niż z uranem-238 , który wychwytuje neutrony bez rozszczepienia. Reaktor CANDU wykorzystuje ten projekt. Lekka woda działa również jako moderator, ale ponieważ lekka woda pochłania więcej neutronów niż ciężka woda, reaktory wykorzystujące lekką wodę jako moderator reaktora muszą używać wzbogaconego uranu zamiast uranu naturalnego, w przeciwnym razie krytyczność jest niemożliwe. Znaczna część przestarzałych reaktorów energetycznych, takich jak RBMK w ZSRR, została zbudowana przy użyciu zwykłej wody do chłodzenia, ale grafitu jako moderatora . Jednak niebezpieczeństwo związane z grafitem w reaktorach energetycznych (pożary grafitu częściowo doprowadziły do ​​katastrofy w Czarnobylu ) doprowadziły do ​​zaprzestania stosowania grafitu w standardowych konstrukcjach reaktorów.

Ponieważ nie wymagają wzbogacania uranu , reaktory ciężkowodne są bardziej niepokojące ze względu na rozprzestrzenianie broni jądrowej . [ Potrzebne źródło ] Hodowla i wydobycie plutonu może być stosunkowo szybką i tanią drogą do budowy broni jądrowej , ponieważ chemiczne oddzielenie plutonu od paliwa jest łatwiejsze niż oddzielenie izotopowe U-235 od naturalnego uranu. Wśród obecnych i przeszłych państw posiadających broń jądrową , Izrael, Indie i Korea Północna po raz pierwszy użyły plutonu z reaktorów z moderacją ciężkiej wody, spalających naturalny uran , podczas gdy Chiny, Republika Południowej Afryki i Pakistan jako pierwsze zbudowały broń przy użyciu wysoko wzbogaconego uranu .

Nazistowski program nuklearny , operujący skromniejszymi środkami niż współczesny Projekt Manhattan i hamowany przez wygnanie wielu czołowych naukowców (wielu z nich ostatecznie pracowało dla Projektu Manhattan), a także ciągłe walki wewnętrzne, niesłusznie odrzucił grafit jako moderator ze względu na nie rozpoznanie wpływu zanieczyszczeń. Biorąc pod uwagę, że separacja izotopów uranu została uznana za zbyt dużą przeszkodę, pozostała ciężka woda jako potencjalny moderator. Innym problemem była ideologiczna niechęć do tego, co propaganda odrzuciła jako „ żydowską fizykę”. ” oraz nieufność między tymi, którzy byli entuzjastycznymi nazistami jeszcze przed 1933 r., a tymi, którzy byli Mitläuferami lub starali się zachować dyskrecję. Częściowo z powodu alianckiego sabotażu i nalotów komandosów na Norsk Hydro (wówczas największy na świecie producent ciężkiej wody) jako podobnie jak wspomniane walki wewnętrzne, niemiecki program nuklearny nigdy nie zdołał zgromadzić wystarczającej ilości uranu i ciężkiej wody w jednym miejscu, aby osiągnąć krytyczność , mimo posiadania wystarczającej ilości obu do końca wojny.

Jednak w Stanach Zjednoczonych pierwszy eksperymentalny reaktor atomowy (1942), a także reaktory produkcyjne Manhattan Project Hanford, które produkowały pluton do testu Trinity i bomb Fat Man , wszystkie wykorzystywały moderatory neutronów z czystego węgla (grafitu) w połączeniu z normalną wodą rury chłodzące. Działały bez wzbogaconego uranu ani ciężkiej wody. Rosyjska i brytyjska produkcja plutonu również wykorzystywała reaktory moderowane grafitem.

Nie ma dowodów na to, że cywilne reaktory energetyczne na ciężką wodę - takie jak projekty CANDU lub Atucha - były używane do produkcji wojskowych materiałów rozszczepialnych. W krajach, które nie posiadają jeszcze broni jądrowej, materiały jądrowe w tych obiektach są objęte MAEA , aby zniechęcić do jakiegokolwiek przekierowania.

Ze względu na jej potencjał do wykorzystania w programach broni jądrowej posiadanie lub import / eksport dużych przemysłowych ilości ciężkiej wody podlega kontroli rządowej w kilku krajach. Dostawcy ciężkiej wody i technologii produkcji ciężkiej wody zazwyczaj stosują zabezpieczenia i rozliczanie materiałów zarządzane przez MAEA (Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej) w odniesieniu do ciężkiej wody. (W Australii ustawa o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej (zabezpieczenia) z 1987 r .) W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie nieprzemysłowe ilości ciężkiej wody (tj. w zakresie od gramów do kilogramów) są rutynowo dostępne bez specjalnej licencji za pośrednictwem sprzedawców chemikaliów i firm handlowych, takich jak były główny światowy producent Ontario Hydro .

Detektor neutrin

Sudbury Neutrino Observatory (SNO) w Sudbury w Ontario wykorzystuje 1000 ton ciężkiej wody wypożyczonej z Atomic Energy of Canada Limited . Detektor neutrin znajduje się 6800 stóp (2100 m) pod ziemią w kopalni, aby chronić go przed mionami wytwarzanymi przez promieniowanie kosmiczne . SNO został zbudowany, aby odpowiedzieć na pytanie, czy neutrina typu elektronowego powstają w wyniku syntezy jądrowej w Słońcu (jedyny typ, który Słońce powinno wytwarzać bezpośrednio, zgodnie z teorią) może być w stanie przekształcić się w inne typy neutrin w drodze na Ziemię. SNO wykrywa promieniowanie Czerenkowa w wodzie z wysokoenergetycznych elektronów wytwarzanych z neutrin typu elektronowego , gdy przechodzą one oddziaływania prądu naładowanego (CC) z neutronami w deuterze , zamieniając je w protony i elektrony (jednak tylko elektrony są wystarczająco szybkie, aby wytworzyć promieniowanie Czerenkowa do wykrywania).

SNO wykrywa również zdarzenia rozpraszania elektronów przez neutrina (ES), w których neutrino przekazuje energię elektronowi, który następnie przechodzi do generowania promieniowania Czerenkowa, które można odróżnić od tego wytwarzanego przez zdarzenia CC. Pierwsza z tych dwóch reakcji jest wywoływana tylko przez neutrina typu elektronowego, podczas gdy druga może być spowodowana wszystkimi aromatami neutrin. Użycie deuteru ma kluczowe znaczenie dla funkcji SNO, ponieważ wszystkie trzy „smaki” (typy) neutrin można wykryć również w trzecim typie reakcji, dezintegracji neutrin, w której neutrino dowolnego typu (elektron, mion, lub tau) rozprasza się z jądra deuteru ( deuteron ), przenosząc wystarczającą ilość energii, aby rozbić luźno związany deuteron na wolny neutron i proton poprzez oddziaływanie prądu neutralnego (NC).

Zjawisko to jest wykrywane, gdy wolny neutron jest absorbowany przez 35 Cl − obecny z NaCl rozmyślnie rozpuszczony w ciężkiej wodzie, powodując emisję charakterystycznego wychwytu promieni gamma. Tak więc w tym eksperymencie ciężka woda nie tylko zapewnia przezroczyste medium niezbędne do wytworzenia i wizualizacji promieniowania Czerenkowa, ale także dostarcza deuter do wykrywania egzotycznych neutrin typu mu (μ) i tau (τ), a także nieabsorbującego moderatora medium, aby zachować wolne neutrony z tej reakcji, dopóki nie zostaną wchłonięte przez łatwo wykrywalny izotop aktywowany neutronami.

Badanie tempa metabolizmu i obrotu wodnego w fizjologii i biologii

Główny artykuł: Podwójnie oznakowany test wody

Ciężka woda jest wykorzystywana jako część mieszaniny z H 2 18 O do powszechnego i bezpiecznego badania średniego tempa przemiany materii u ludzi i zwierząt w trakcie ich normalnej aktywności. Szybkość wydalania samego deuteru jest miarą obiegu wody w organizmie. Jest to wysoce zmienne między poszczególnymi osobami i zależy od warunków środowiskowych, a także wielkości podmiotu, płci, wieku i aktywności fizycznej.

Produkcja trytu

Zobacz także: Tryt § Deuter

Tryt jest substancją czynną w samozasilającym się oświetleniu i kontrolowanej syntezie jądrowej, a jego inne zastosowania obejmują autoradiografię i znakowanie radioaktywne . Jest również używany w projektowaniu broni jądrowej do wzmocnionej broni rozszczepialnej i inicjatorów . Tryt ulega rozpadowi beta do helu-3 , który jest stabilnym, ale rzadkim izotopem helu, który sam w sobie jest bardzo poszukiwany. Część trytu powstaje w reaktorach z moderacją ciężkiej wody gdy deuter wychwytuje neutron. Ta reakcja ma mały przekrój poprzeczny (prawdopodobieństwo pojedynczego zdarzenia wychwytu neutronów) i wytwarza tylko niewielkie ilości trytu, chociaż wystarczające, aby uzasadnić czyszczenie trytu z moderatora co kilka lat w celu zmniejszenia ryzyka ucieczki trytu do środowiska. Biorąc pod uwagę, że hel-3 jest trucizną neutronową o przekroju poprzecznym wychwytywania o rzędy wielkości większym niż jakikolwiek składnik ciężkiej lub trytowanej wody, jego gromadzenie się w moderatorze neutronów lub tarczy do produkcji trytu w ciężkiej wodzie musi być ograniczone do minimum.

Wytwarzanie dużej ilości trytu w ten sposób wymagałoby reaktorów o bardzo wysokim strumieniu neutronów lub o bardzo wysokim udziale ciężkiej wody w paliwie jądrowym i bardzo niskiej absorpcji neutronów przez inny materiał reaktora. Tryt musiałby wówczas zostać odzyskany przez separację izotopów ze znacznie większej ilości deuteru, w przeciwieństwie do produkcji z litu-6 (obecna metoda), gdzie potrzebne jest tylko oddzielenie chemiczne.

Przekrój poprzeczny absorpcji deuteru dla neutronów termicznych wynosi 0,52 milibarna (5,2 × 10-32 m2 ; 1 barn = 10-28 m2 ) , podczas gdy przekrój poprzeczny absorpcji tlenu - 16 i tlenu-17 wynosi odpowiednio 0,19 i 0,24 milibarna. 17 O stanowi 0,038% naturalnego tlenu , co daje całkowity przekrój 0,28 milibarna. Dlatego w D 2 O z naturalnym tlenem 21% wychwytów neutronów odbywa się na tlenie, wzrastając do 17 O powstaje w wyniku wychwytywania neutronów na 16 O. Ponadto 17 O może emitować cząstkę alfa podczas wychwytywania neutronów, wytwarzając radioaktywny węgiel-14 .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heavy_water&oldid=1140532095 ”