Tungt vand er nøglen til en type reaktor, hvor plutonium kan være avlet ud fra naturligt uran. Som sådan er produktionen af tungt vand altid blevet overvåget, og materialet er eksportkontrolleret. Derudover er en kilde til deuterium afgørende for produktionen af tritium og 6LiD, to ingredienser af termonukleære våben., En nation, der søger store mængder tungt vand, ønsker sandsynligvis at bruge materialet til at moderere en reaktor og planlægger muligvis at producere plutonium. CANDU (CANadian Deuterium Uranium) reaktorer designet og bygget i Canada bruges imidlertid til kommerciel elproduktion.

Ddeuterium, 2H, et atom, hvis kerne indeholder en neutron, blev opdaget før selve neutronen. I 1931 troede de fleste forskere, at de forskellige vægte af isotoper skyldtes ekstra protoner bundet til “nukleare elektroner.,”Det år, ved Columbia University, fandt Harold Urey spektrallinjerne i 2H i kommerciel brintgas og identificerede den ved Thanksgiving i et par kubikcentimeter koncentreret flydende brint. I februar 1932, i Cambridge, England, James Chadwick opdagede neutronen — at tage sit udgangspunkt fra Irène og Frédéric Joliot-Curie, som havde observeret effekter af neutroner, men misforstået dem.

Deuterium er fysisk så forskellig fra almindeligt brint (omtrent dobbelt så massivt, for )n ting), at kemikere ivrigt vendte deres opmærksomhed mod det., De spekulerede på, hvilke forskelle deuterium i stedet for almindeligt brint kunne gøre i kemiske forbindelsers opførsel; hvad virkningerne på planter og dyr af vand med to deuteriumatomer pr.

tungt vand, D2O, er vand, hvor begge hydrogenatomer er blevet erstattet med deuterium, isotopen af hydrogen indeholdende en proton og en neutron. Det er til stede naturligt i vand, men i kun små mængder, mindre end 1 del i 5.000., Tungt vand er en af de to vigtigste moderatorer, der tillader en atomreaktor at operere med naturligt uran som brændstof. Den anden moderator er grafit af reaktorkvalitet (grafit indeholdende mindre end 5 ppm bor og med en densitet på over 1, 50 gm/cm 3 ). Den første atomreaktor bygget i 1942 brugte grafit som moderator; den tyske indsats under Anden Verdenskrig koncentrerede sig om at bruge tungt vand til at moderere en reaktor ved hjælp af naturligt uran.,

betydningen af tungt vand for en nuklear proliferator er, at det giver en mere vej til at producere plutonium til brug i våben, helt uden om uranberigelse og hele den tilhørende teknologiske infrastruktur. Derudover kan tunge vandmodererede reaktorer bruges til at fremstille tritium.

Deuterium forekommer naturligt i en koncentration på omkring 0,015 procent i grundstoffet hydrogen. Denne naturligt forekommende isotop blev koncentreret til at producere rent deuterium i form af “tungt vand.”Tungt vand blev brugt som kølevæske og moderator i reaktorer til produktion af nukleare materialer., Tungt vand kan fremstilles ved hjælp af hydrogensulfid-kemisk udveksling af vand, vanddestillation eller elektrolyse.

  • Hydrogen Sulfid-Vand Udveksling – I en blanding af hydrogensulfid (H2S) og vand ved kemisk ligevægt, koncentrationen af deuterium i vand er højere end koncentrationen i H2S. Forskellen i disse koncentrationer afhænger af temperaturen af blandingen. I praksis får vand og hydrogensulfidgas til at strømme i modsatte retninger ved to forskellige temperaturer. Deuterium overføres fra gassen til vandet i den kolde sektion., Den udtømte gas recirkuleres til den varme sektion, hvor deuterium overføres tilbage til gassen fra vandet. Flere stadier af denne proces tillader deuterium berigelser på op til 20-30%. fraktioneret destillation-vandmolekyler indeholdende deuteriumatomer fordampes ved en højere temperatur end dem uden deuterium, så kogepunktet for tungt vand er lidt højere end for normalt vand. Vanddamp over en blanding af normalt og tungt vand vil blive lidt udtømt i deuterium som følge heraf, mens væsken vil blive lidt beriget., Berigelse skyldes successivt kogning af og fjernelse af damp indeholdende normalt hydrogen.
  • elektrolyse-vand, der indeholder normalt hydrogen, adskilles lettere til hydrogen-og iltgasser ved en elektrisk strøm end vand, der indeholder deuterium. Dette gør det muligt at adskille isotoperne. Savannah River Site heavy waterater plant brugte hydrogensulfid-vandudvekslingsprocessen til delvis at berige tungt vand. Deuterium blev yderligere koncentreret ved fraktioneret destillation og derefter ved elektrolyse., Moderator-omarbejdningsenheden ved SRS brugte fraktioneret destillation til at berige reaktor-moderator, der var blevet udtømt i deuterium.

selvom man taler om at” lave ” tungt vand, fremstilles deuterium ikke i processen; snarere adskilles molekyler af tungt vand fra den store mængde vand, der består af H2O eller HDO (enkeltvis deutereret vand), og “dross” kasseres. Alternativt kan vandet elektrolyseres for at fremstille ilt og brint indeholdende normal gas og deuterium. Brintet kan derefter flydende og destilleres for at adskille de to arter., Endelig omsættes det resulterende deuterium med ilt for at danne tungt vand. Ingen nukleare transformationer forekommer.produktionen af tungt vand i betydelige mængder kræver en teknisk infrastruktur, men en, der har ligheder med ammoniakproduktion, alkoholdestillation og andre fælles industrielle processer. Man kan adskille tungt vand direkte fra naturligt vand eller først “berige” deuteriumindholdet i brintgas. Det er muligt at drage fordel af de forskellige kogepunkter for tungt vand (101.,4 C C) og normalt vand (100.C) eller forskellen i kogepunkter mellem deuterium (- 249,7. C) og hydrogen (- 252,5. C). På grund af den lave mængde deuterium måtte der imidlertid koges en enorm mængde vand for at opnå nyttige mængder deuterium. På grund af den høje fordampningsvarme af vand ville denne proces bruge enorme mængder brændstof eller elektricitet. Praktiske faciliteter, der udnytter kemiske forskelle, bruger processer, der kræver meget mindre mængder energi., Separationsmetoder omfatter destillation af flydende hydrogen og forskellige kemiske udvekslingsprocesser, der udnytter de forskellige affiniteter af deuterium og hydrogen til forskellige forbindelser. Disse omfatter ammoniak / brint system, som bruger kalium amid som katalysator, og hydrogensulfid/vand system (Girdler sulfid proces).

Separationsfaktorer pr.trin er signifikant større for deuteriumberigelse end for uranberigning på grund af den større relative masseforskel. Dette kompenseres dog, fordi den samlede berigelse, der er behov for, er meget større., Mens 235U er 0,72 procent af naturligt uran og skal beriges til 90 procent af produktet, er deuterium kun .015 procent af hydrogen i vand og skal beriges til mere end 99 procent. Hvis indgangsstrømmen har mindst 5 procent tungt vand, er vakuumdestillation en foretrukken måde at adskille tungt fra normalt vand på.

denne proces er næsten identisk med den, der bruges til at destillere brandy fra vin., Den væsentligste synlige forskel er brugen af en fosfor-Bron .e pakning, der er blevet kemisk behandlet for at forbedre befugtning for destillationskolonnen snarere end en kobber pakning. De fleste organiske væsker er ikke-polære og våde stort set ethvert metal, mens vand, der er et meget polært molekyle med en høj overfladespænding, befugter meget få metaller. Processen fungerer bedst ved lave temperaturer, hvor vandstrømmene er små, så befugtning af pakningen i søjlen er af særlig betydning. Phosphor-Bron .e er en legering af kobber med .02-.05 procent bly,.05-.15 procent jern,.5-.11 procent tin, og .01-.,35 procent fosfor.

tungt vand produceres i Argentina, Canada, Indien, Iran og Norge. Formentlig kan alle fem erklærede atomvåbenstater producere materialet. Det første kommercielle tungvandsanlæg var Norsk Hydro-anlægget i Norge (bygget 1934, kapacitet 12 metriske tons om året); dette er anlægget, der blev angrebet af de allierede for at nægte tungt vand til Tyskland. Den største fabrik var Bruce-anlægget i Canada (1979; 700 tons/år), men denne facilitet blev lukket i 1998. Indiens tilsyneladende kapacitet er meget høj, men dens program har været urolig., Ulykker og nedlukninger har ført til effektive produktionsbegrænsninger.Bruce Heavy plantater Plant i Ontario, Canada, var verdens største producent af D2O. den anvendte Girdler sulfid (GS) – processen, der inkorporerer en dobbelt kaskade i hvert trin. I den øvre (“kolde” 30-40.C) sektion migrerer deuterium fra hydrogensulfid fortrinsvis til vand. I den nedre (“varme” 120-140.c) sektion migrerer deuterium fortrinsvis fra vand til hydrogensulfid. En passende cas-cade-ordning opnår faktisk berigelse. I første fase er gassen beriget fra 0.,015% deuterium til 0, 07%. Den anden kolonne beriger dette til 0,35%, og den tredje kolonne opnår en berigelse mellem 10% og 30% deuterium. Dette produkt sendes til en destillationsenhed til efterbehandling til 99,75% “reaktor-grade” tungt vand. Kun omkring en femtedel af deuterium iplantefodervand bliver tungt vandprodukt. Produktionen af et enkelt pund tungt vand kræver 340.000 Pund fodervand.