el agua Pesada es la clave para un tipo de reactor en el que el plutonio puede ser cultivado a partir de uranio natural. Como tal, la producción de agua pesada siempre ha sido monitoreada, y el material está controlado por la exportación. Además, una fuente de deuterio es esencial para la producción de tritio y 6LiD, dos ingredientes de las armas termonucleares., Una nación que busca grandes cantidades de agua pesada probablemente desee utilizar el material para moderar un reactor, y puede estar planeando producir plutonio. Sin embargo, los reactores CANDU (CANadian Deuterium Uranium) diseñados y construidos en Canadá se utilizan para la producción comercial de energía eléctrica.

Ddeuterium, 2H, un átomo cuyo núcleo incluye un neutrón, fue descubierto antes que el propio neutrón. En 1931, la mayoría de los científicos pensaron que los diferentes pesos de los isótopos se debían a protones adicionales Unidos a «electrones nucleares».,»Ese año, en la Universidad de Columbia, Harold Urey encontró las líneas espectrales de 2H en el gas de hidrógeno comercial y, por acción de Gracias, lo identificó en unos pocos centímetros cúbicos de hidrógeno líquido concentrado. En febrero de 1932, en Cambridge, Inglaterra, James Chadwick descubrió el neutrón taking siguiendo el ejemplo de Irène y Frédéric Joliot-Curie, que habían observado los efectos de los neutrones pero los malinterpretaron.

el deuterio es físicamente tan diferente del hidrógeno ordinario (aproximadamente el doble de masivo, por una cosa) que los químicos le prestaron mucha atención., Se preguntaban Qué diferencias podría hacer el deuterio en lugar del hidrógeno ordinario en el comportamiento de los compuestos químicos; cuáles podrían ser los efectos sobre las plantas y los animales del agua con dos átomos de deuterio por molécula; e incluso qué potencial terapéutico podría poseer esta agua literalmente pesada.

El agua pesada, D2O, es agua en la que ambos átomos de hidrógeno han sido reemplazados por deuterio, el isótopo del hidrógeno que contiene un protón y un neutrón. Está presente de forma natural en el agua, pero solo en pequeñas cantidades, menos de 1 parte de cada 5.000., El agua pesada es uno de los dos moderadores principales que permiten que un reactor nuclear funcione con uranio natural como combustible. El otro moderador es el grafito de grado reactor (grafito que contiene menos de 5 ppm de boro y con una densidad superior a 1,50 gm/cm 3). El primer reactor nuclear construido en 1942 utilizó grafito como moderador; los esfuerzos alemanes durante la Segunda Guerra Mundial se concentraron en el uso de agua pesada para moderar un reactor con uranio natural.,

la importancia del agua pesada para un proliferador nuclear es que proporciona una ruta más para producir plutonio para su uso en armas, evitando por completo el enriquecimiento de uranio y toda la infraestructura tecnológica conexa. Además, se pueden utilizar reactores moderados por agua pesada para fabricar tritio.

el deuterio ocurre naturalmente a una concentración de aproximadamente 0.015 por ciento en el elemento hidrógeno. Este isótopo natural se concentró para producir deuterio puro en forma de «agua pesada».»El agua pesada se utilizaba como refrigerante y moderador en los reactores de producción de materiales nucleares., El agua pesada se puede hacer utilizando sulfuro de hidrógeno-intercambio químico de agua, destilación de agua o electrólisis.

  • Sulfuro de Hidrógeno-Intercambio de Agua – En una mezcla de sulfuro de hidrógeno (H2S) y agua en equilibrio químico, la concentración de deuterio en el agua es mayor que la concentración de H2S. La diferencia en estas concentraciones depende de la temperatura de la mezcla. En la práctica, el agua y el gas sulfuro de hidrógeno fluyen en direcciones opuestas a dos temperaturas diferentes. El deuterio se transfiere del gas al agua en la sección fría., El gas agotado se recircula a la sección caliente, donde el deuterio se transfiere de nuevo al gas desde el agua. Varias etapas de este proceso permiten enriquecimientos de deuterio de hasta 20-30%.
  • destilación fraccionada: las moléculas de agua que contienen átomos de deuterio se vaporizan a una temperatura más alta que las que no tienen deuterio, por lo que el punto de ebullición del agua pesada es ligeramente más alto que el del agua normal. El vapor de agua por encima de una mezcla de agua normal y pesada se agotará ligeramente en deuterio como resultado, mientras que el líquido se enriquecerá ligeramente., El enriquecimiento resulta de hervir sucesivamente y eliminar el vapor que contiene hidrógeno normal.
  • electrólisis-el agua que contiene hidrógeno normal es más fácilmente disociada en gases de hidrógeno y oxígeno por una corriente eléctrica que el agua que contiene deuterio. Esto permite separar los isótopos. La planta de agua pesada del sitio del río Savannah utilizó el proceso de intercambio de sulfuro de hidrógeno y agua para enriquecer parcialmente el agua pesada. El deuterio se concentró más por destilación fraccionada, y luego por electrólisis., La unidad de reelaboración del moderador en SRS usó destilación fraccionada para volver a enriquecer el moderador del reactor que se había agotado en deuterio.

aunque se habla de» hacer «agua pesada, el deuterio no se hace en el proceso; más bien, las moléculas de agua pesada se separan de la gran cantidad de agua que consiste en H2O o HDO (agua deuterada), y la» escoria » se descarta. Alternativamente, el agua puede ser electrolizada para hacer oxígeno e hidrógeno que contienen gas normal y deuterio. El hidrógeno puede ser licuado y destilado para separar las dos especies., Finalmente, el deuterio resultante se hace reaccionar con oxígeno para formar agua pesada. No se producen transformaciones nucleares.

la producción de agua pesada en cantidades significativas requiere una infraestructura técnica, pero que tiene similitudes con la producción de amoníaco, la destilación de alcohol y otros procesos industriales comunes. Se puede separar el agua pesada directamente del agua natural o PRIMERO «enriquecer» el contenido de deuterio en el gas hidrógeno. Es posible aprovechar los diferentes puntos de ebullición del agua pesada (101.,4 ° C) y agua normal (100 °C) o la diferencia en los puntos de ebullición entre deuterio (-249,7 °c) e hidrógeno (-252,5 °C). Sin embargo, debido a la baja abundancia de deuterio, una enorme cantidad de agua tendría que ser hervida para obtener cantidades útiles de deuterio. Debido al alto calor de vaporización del agua, este proceso usaría enormes cantidades de combustible o electricidad. Las instalaciones prácticas que explotan las diferencias químicas utilizan procesos que requieren cantidades mucho más pequeñas de energía., Los métodos de separación incluyen la destilación del hidrógeno líquido y varios procesos de intercambio químico que explotan las diferentes afinidades del deuterio y el hidrógeno para varios compuestos. Estos incluyen el sistema de amoníaco / hidrógeno, que utiliza amida de potasio como catalizador, y el sistema de sulfuro de hidrógeno/agua (Proceso de sulfuro de Girdler).

Los Factores de separación por etapa son significativamente mayores para el enriquecimiento de deuterio que para el enriquecimiento de uranio debido a la mayor diferencia de masa relativa. Sin embargo, esto se compensa porque el enriquecimiento total necesario es mucho mayor., Mientras que el 235U es el 0.72 por ciento del uranio natural, y debe ser enriquecido al 90 por ciento del producto, el deuterio es solo .015 por ciento del hidrógeno en el agua y debe ser enriquecido a más del 99 por ciento. Si la corriente de entrada tiene al menos 5 por ciento de agua pesada, la destilación al vacío es una forma preferida de separar el agua pesada del agua normal.

Este proceso es prácticamente idéntico al utilizado para destilar el brandy del vino., La principal diferencia visible es el uso de un embalaje de bronce fosforado que ha sido tratado químicamente para mejorar la humectabilidad de la columna de destilación en lugar de un embalaje de cobre. La mayoría de los líquidos orgánicos son no polares y mojan prácticamente cualquier metal, mientras que el agua, al ser una molécula altamente polar con una alta tensión superficial, moja muy pocos metales. El proceso funciona mejor a bajas temperaturas donde los flujos de agua son pequeños, por lo que mojar el embalaje en la columna es de particular importancia. El bronce fosforado es una aleación de cobre con .02-.05 por ciento de plomo, .05-.15 por ciento de hierro, .5-.11 por ciento de estaño, y .01-.,35 por ciento de fósforo.

El agua pesada se produce en Argentina, Canadá, India, Irán y Noruega. Presumiblemente, los cinco estados declarados poseedores de armas nucleares pueden producir el material. La primera planta comercial de agua pesada fue la Norsk Hydro facility en Noruega (construida en 1934, con una capacidad de 12 toneladas métricas por año); esta es la planta que fue atacada por los aliados para negar agua pesada a Alemania. La planta más grande fue la planta Bruce en Canadá (1979; 700 toneladas métricas/año), pero esta instalación se cerró en 1998. La capacidad aparente de la India es muy alta, pero su programa ha sido problemático., Los accidentes y las paradas han llevado a limitaciones efectivas en la producción.

la planta de agua pesada Bruce en Ontario, Canadá, fue el mayor productor mundial de D2O. utilizó el proceso de sulfuro de Girdler (GS) que incorpora una doble cascada en cada paso. En la sección superior («fría», 30-40 °C), el deuterio del sulfuro de hidrógeno migra preferentemente al agua. En la sección inferior («caliente», 120-140 °C), el deuterio migra preferentemente del agua al sulfuro de hidrógeno. An appropriate cas-cade arrangement actually accomplishes enrichment. En la primera etapa el gas se enriquece a partir de 0.,015% de deuterio a 0,07%. La segunda columna enriquece esto al 0,35%, y la tercera columna logra un enriquecimiento entre el 10% y el 30% de deuterio. Este producto se envía a una unidad de destilación para terminar con un 99,75% de agua pesada «de grado reactor». Solo alrededor de una quinta parte del deuterio en el agua de alimentación de la planta se convierte en producto de agua pesada. La producción de una sola Libra de agua pesada requiere 340,000 libras de agua de alimentación.