Schwerwasser ist der Schlüssel zu einem Reaktortyp, in dem Plutonium aus natürlichem Uran gezüchtet werden kann. Daher wurde die Produktion von schwerem Wasser immer überwacht und das Material wird streng kontrolliert. Darüber hinaus ist eine Deuteriumquelle für die Herstellung von Tritium und 6LiD, zwei Bestandteilen thermonuklearer Waffen, unerlässlich., Eine Nation, die große Mengen schweres Wasser sucht, möchte das Material wahrscheinlich zur Moderation eines Reaktors verwenden und plant möglicherweise die Herstellung von Plutonium. CANDU-Reaktoren (CANadian Deuterium Uranium), die in Kanada entwickelt und gebaut wurden, werden jedoch für die kommerzielle Stromerzeugung verwendet.

Ddeuterium, 2H, ein Atom, dessen Kern ein Neutron enthält, wurde vor dem Neutron selbst entdeckt. Im Jahr 1931 dachten die meisten Wissenschaftler, die unterschiedlichen Gewichte von Isotopen seien auf zusätzliche Protonen zurückzuführen, die an „Kernelektronen“ gebunden sind.,“In diesem Jahr fand Harold Urey an der Columbia University die Spektrallinien von 2H in kommerziellem Wasserstoffgas und identifizierte sie durch Thanksgiving in einigen Kubikzentimetern konzentriertem flüssigem Wasserstoff. Im Februar 1932 entdeckte James Chadwick in Cambridge, England, das Neutron – unter Berufung auf Irène und Frédéric Joliot-Curie, die die Auswirkungen von Neutronen beobachtet, aber falsch interpretiert hatten.

Deuterium unterscheidet sich physikalisch so sehr von gewöhnlichem Wasserstoff (zum einen etwa doppelt so massiv), dass Chemiker ihre Aufmerksamkeit eifrig darauf richteten., Sie fragten sich, welche Unterschiede Deuterium anstelle von gewöhnlichem Wasserstoff im Verhalten chemischer Verbindungen machen könnte; welche Auswirkungen Wasser mit zwei Deuteriumatomen pro Molekül auf Pflanzen und Tiere haben könnte; und sogar welches therapeutische Potenzial dieses buchstäblich schwere Wasser besitzen könnte.

Schweres Wasser, D2O, ist Wasser, in dem beide Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt wurden, das Isotop von Wasserstoff, das ein Proton und ein Neutron enthält. Es ist natürlich in Wasser vorhanden, aber in nur kleinen Mengen, weniger als 1 Teil davon., Schwerwasser ist einer der beiden Hauptmoderatoren, die es einem Kernreaktor ermöglichen, mit natürlichem Uran als Brennstoff zu arbeiten. Der andere Moderator ist Reaktorgraphit (Graphit mit weniger als 5 ppm Bor und einer Dichte von mehr als 1,50 g / cm3). Der erste Atomreaktor, der 1942 gebaut wurde, verwendete Graphit als Moderator; Deutsche Bemühungen während des Zweiten Weltkriegs konzentrierten sich auf die Verwendung von schwerem Wasser, um einen Reaktor mit natürlichem Uran zu moderieren.,

Die Bedeutung von schwerem Wasser für einen nuklearen Proliferator besteht darin, dass es einen weiteren Weg zur Herstellung von Plutonium für den Einsatz in Waffen bietet, wobei die Urananreicherung und die gesamte damit verbundene technologische Infrastruktur vollständig umgangen werden. Zusätzlich können schwerwassermoderierte Reaktoren zur Herstellung von Tritium verwendet werden.

Deuterium kommt natürlicherweise in einer Konzentration von etwa 0,015 Prozent im Element Wasserstoff vor. Dieses natürlich vorkommende Isotop wurde konzentriert, um reines Deuterium in Form von „schwerem Wasser“ zu produzieren.“Schwerwasser wurde als Kühlmittel und Moderator in Kernmaterialproduktionsreaktoren verwendet., Schweres Wasser kann unter Verwendung des chemischen Austauschs von Schwefelwasserstoff-Wasser, der Wasserdestillation oder der Elektrolyse hergestellt werden.

  • Schwefelwasserstoff-Wasseraustausch – In einer Mischung aus Schwefelwasserstoff (H2S) und Wasser im chemischen Gleichgewicht ist die Konzentration von Deuterium in Wasser größer als die Konzentration in H2S. Der Unterschied in diesen Konzentrationen hängt von der Temperatur der Mischung ab. In der Praxis werden Wasser und Schwefelwasserstoffgas dazu gebracht, bei zwei verschiedenen Temperaturen in entgegengesetzte Richtungen zu fließen. Deuterium wird im kalten Abschnitt vom Gas auf das Wasser übertragen., Das erschöpfte Gas wird in den heißen Abschnitt zurückgeführt, wo Deuterium aus dem Wasser zurück in das Gas übertragen wird. Mehrere Stufen dieses Prozesses ermöglichen Deuteriumanreicherungen von bis zu 20-30%.
  • Fraktionierte Destillation – Wassermoleküle, die Deuteriumatome enthalten, verdampfen bei einer höheren Temperatur als solche ohne Deuterium, so dass der Siedepunkt von schwerem Wasser etwas höher ist als der von normalem Wasser. Wasserdampf über einer Mischung aus normalem und schwerem Wasser wird dadurch in Deuterium leicht aufgebraucht, während die Flüssigkeit leicht angereichert wird., Die Anreicherung resultiert aus dem sukzessiven Abkochen und Entfernen von Dampf, der normalen Wasserstoff enthält.
  • Elektrolyse – Wasser, das normalen Wasserstoff enthält, lässt sich leichter durch elektrischen Strom in Wasserstoff-und Sauerstoffgase zerlegen als Wasser, das Deuterium enthält. Dadurch können die Isotope getrennt werden. Die Savannah River Site Heavy Water Plant verwendete den Schwefelwasserstoff-Wasser-Austauschprozess, um schweres Wasser teilweise anzureichern. Deuterium wurde weiter durch fraktionierte Destillation und dann durch Elektrolyse konzentriert., Die Moderator-Überarbeitungseinheit bei SRS verwendete eine fraktionierte Destillation, um Reaktormoderator, der in Deuterium erschöpft war, wieder anzureichern.

Obwohl man von der „Herstellung“ von schwerem Wasser spricht, wird Deuterium dabei nicht hergestellt; vielmehr werden Moleküle von schwerem Wasser von der großen Wassermenge getrennt, die aus H2O oder HDO (einzeln deuteriertes Wasser) besteht, und der „Tross“ wird verworfen. Alternativ kann das Wasser elektrolysiert werden, um Sauerstoff und Wasserstoff herzustellen, die normales Gas und Deuterium enthalten. Der Wasserstoff kann dann verflüssigt und destilliert werden, um die beiden Arten zu trennen., Schließlich wird das resultierende Deuterium mit Sauerstoff unter Bildung von schwerem Wasser reagiert. Es treten keine nuklearen Transformationen auf.

Die Herstellung von schwerem Wasser in erheblichen Mengen erfordert eine technische Infrastruktur, die jedoch Ähnlichkeiten mit der Ammoniakproduktion, der Alkoholdestillation und anderen gängigen industriellen Prozessen aufweist. Man kann schweres Wasser direkt von natürlichem Wasser trennen oder zuerst den Deuteriumgehalt im Wasserstoffgas „anreichern“. Es ist möglich, die verschiedenen Siedepunkte von schwerem Wasser zu nutzen (101.,4 °C) und normalem Wasser (100 °C) oder die Differenz in den siedepunkten zwischen deuterium (-249.7 °C) und Wasserstoff (-252.5 °C). Aufgrund des geringen Überflusses an Deuterium müsste jedoch eine enorme Menge Wasser gekocht werden, um nützliche Mengen an Deuterium zu erhalten. Aufgrund der hohen Verdampfungswärme von Wasser würde dieser Prozess enorme Mengen an Kraftstoff oder Strom verbrauchen. Praktische Einrichtungen, die chemische Unterschiede ausnutzen, verwenden Prozesse, die viel geringere Energiemengen erfordern., Trennverfahren umfassen die Destillation von flüssigem Wasserstoff und verschiedene chemische Austauschprozesse, die die unterschiedlichen Affinitäten von Deuterium und Wasserstoff für verschiedene Verbindungen ausnutzen. Dazu gehören das Ammoniak / Wasserstoff-System, das Kaliumamid als Katalysator verwendet, und das Schwefelwasserstoff/Wasser-System (Girdler Sulfid-Prozess).

Die Trennfaktoren pro Stufe sind bei der Deuteriumanreicherung aufgrund des größeren relativen Massenunterschieds signifikant größer als bei der Urananreicherung. Dies wird jedoch kompensiert, da die Gesamtanreicherung viel größer ist., Während 235U 0,72 Prozent natürliches Uran ist und zu 90 Prozent des Produkts angereichert werden muss, ist Deuterium nur.015 Prozent des Wasserstoffs in Wasser und muss zu mehr als 99 Prozent angereichert werden. Wenn der Eingangsstrom mindestens 5 Prozent schweres Wasser aufweist, ist die Vakuumdestillation eine bevorzugte Methode, um schweres von normalem Wasser zu trennen.

Dieses Verfahren ist praktisch identisch mit dem Verfahren zur Destillation von Weinbrand., Der wichtigste sichtbare Unterschied besteht in der Verwendung einer Phosphorbronzeverpackung, die chemisch behandelt wurde, um die Benetzbarkeit für die Destillationssäule zu verbessern, und nicht in einer Kupferverpackung. Die meisten organischen Flüssigkeiten sind unpolar und benetzen praktisch jedes Metall, während Wasser als hochpolares Molekül mit hoher Oberflächenspannung nur sehr wenige Metalle benetzt. Das Verfahren funktioniert am besten bei niedrigen Temperaturen, bei denen die Wasserströme gering sind, daher ist die Benetzung der Verpackung in der Säule von besonderer Bedeutung. Phosphorbronze ist eine Legierung aus Kupfer mit .02-.05 Prozent führen, .05-.15 Prozent Eisen .5-.11 prozent Zinn, und .01-.,35 Prozent Phosphor.

Schwerwasser wird in Argentinien, Kanada, Indien, Iran und Norwegen produziert. Vermutlich können alle fünf erklärten Atomwaffenstaaten das Material produzieren. Die erste kommerzielle Schwerwasseranlage war die Norsk Hydro-Anlage in Norwegen (gebaut 1934, Kapazität 12 Tonnen pro Jahr); Dies ist die Anlage, die von den Alliierten angegriffen wurde, um Deutschland schweres Wasser zu verweigern. Das größte Werk war das Bruce-Werk in Kanada (1979; 700 Tonnen / Jahr), aber diese Anlage wurde 1998 geschlossen. Indiens offensichtliche Kapazität ist sehr hoch, aber sein Programm war beunruhigt., Unfälle und Stilllegungen haben zu wirksamen Produktionsbeschränkungen geführt.

Das Bruce Heavy Water Plant in Ontario, Kanada, war der weltweit größte Produzent von D2O. Es verwendete das Girdler Sulfid (GS) – Verfahren, das in jedem Schritt eine Doppelkaskade enthält. Im oberen („kalten“ 30-40 °C) Abschnitt wandert Deuterium aus Schwefelwasserstoff bevorzugt in Wasser. Im unteren („heißen“ 120-140 °C) Abschnitt wandert Deuterium bevorzugt aus Wasser in Schwefelwasserstoff. Eine entsprechende Cas-Cade-Vereinbarung erreicht tatsächlich die Bereicherung. In der ersten Stufe wird das Gas von 0 angereichert.,015% Deuterium auf 0,07%. Die zweite Säule reichert dies auf 0,35% an, und die dritte Säule erreicht eine Anreicherung zwischen 10% und 30% Deuterium. Dieses Produkt wird zu einer Destillationseinheit geschickt, um 99,75% „Reaktor-grade“ schweres Wasser zu beenden. Nur etwa ein Fünftel des Deuteriums in der Pflanze Speisewasser wird Schwerwasserprodukt. Die Produktion von einem einzigen Pfund schwerem Wasser erfordert 340.000 Pfund Speisewasser.