l’eau Lourde est la clé d’un type de réacteur, dans lequel le plutonium peut être obtenu à partir d’uranium naturel. En tant que tel, la production d’eau lourde a toujours été surveillée et le matériel est contrôlé à l’exportation. En outre, une source de deutérium est essentielle pour la production de tritium et de 6LiD, deux ingrédients des armes thermonucléaires., Un pays à la recherche de grandes quantités d’eau lourde souhaite probablement utiliser ce matériau pour modérer un réacteur et envisage peut-être de produire du plutonium. Cependant, les réacteurs CANDU (CANadian Deuterium Uranium) conçus et construits au Canada sont utilisés pour la production d’énergie électrique commerciale.

Ddeuterium, 2h, un atome dont le noyau comprend un neutron, a été découvert avant le neutron lui-même. En 1931, la plupart des scientifiques pensaient que les poids différents des isotopes étaient dus à des protons supplémentaires liés à des « électrons nucléaires., »Cette année-là, à L’Université Columbia, Harold Urey a trouvé les raies spectrales de 2H dans l’hydrogène gazeux commercial et, par Thanksgiving, l’a identifié dans quelques centimètres cubes d’hydrogène liquide concentré. En février 1932, à Cambridge, en Angleterre, James Chadwick découvre le neutron taking s’inspirant D’Irène et de Frédéric Joliot-Curie, qui avaient observé les effets des neutrons mais les avaient mal interprétés.

le deutérium est physiquement si différent de l’hydrogène ordinaire (environ deux fois plus massif, d’une part) que les chimistes s’y sont empressés., Ils se demandaient quelles différences le deutérium au lieu de l’hydrogène ordinaire pourrait faire dans le comportement des composés chimiques; quels pourraient être les effets sur les plantes et les animaux de l’eau avec deux atomes de deutérium par molécule; et même quel potentiel thérapeutique cette eau littéralement lourde pourrait posséder.

L’eau lourde, D2O, est une eau dans laquelle les deux atomes d’hydrogène ont été remplacés par du deutérium, l’isotope de l’hydrogène contenant un proton et un neutron. Il est présent naturellement dans l’eau, mais en petites quantités seulement, moins de 1 partie sur 5 000., L’eau lourde est l’un des deux principaux modérateurs qui permettent à un réacteur nucléaire à fonctionner avec de l’uranium naturel comme combustible. L’autre modérateur est le graphite de qualité réacteur (graphite contenant moins de 5 ppm de bore et ayant une densité supérieure à 1,50 gm/cm3 ). Le premier réacteur nucléaire construit en 1942 utilisait le graphite comme modérateur; les efforts Allemands pendant la Seconde Guerre mondiale se concentraient sur l’utilisation d’eau lourde pour modérer un réacteur utilisant de l’uranium naturel.,

l’importance de l’eau lourde pour un proliférateur nucléaire est qu’elle fournit une voie de plus pour produire du plutonium destiné à être utilisé dans des armes, en contournant entièrement l’enrichissement de l’uranium et toutes les infrastructures technologiques connexes. De plus, des réacteurs modérés à l’eau lourde peuvent être utilisés pour fabriquer du tritium.

le Deutérium se produit naturellement à une concentration d’environ 0,015% dans l’élément hydrogène. Cet isotope naturel a été concentré pour produire du deutérium pur sous forme d « eau lourde. »L’eau lourde a été utilisée comme liquide de refroidissement et modérateur dans les réacteurs de production de matières nucléaires., L’eau lourde peut être fabriquée à l’aide d’un échange chimique hydrogène sulfuré-eau, d’une distillation de l’eau ou d’une électrolyse.

  • sulfure D’hydrogène-échange D’eau – dans un mélange de sulfure d’hydrogène (H2S) et d’eau à l’équilibre chimique, la concentration de deutérium dans l’eau est supérieure à la concentration en H2S. la différence de ces concentrations dépend de la température du mélange. En pratique, l’eau et le sulfure d’hydrogène gazeux s’écoulent dans des directions opposées à deux températures différentes. Le deutérium est transféré du gaz à l’eau dans la section froide., Le gaz appauvri est recirculé dans la section chaude, où le deutérium est transféré dans le gaz de l’eau. Plusieurs étapes de ce processus permettent de deutérium enrichissements jusqu’à 20-30%.
  • Distillation fractionnée-les molécules d’eau contenant des atomes de deutérium se vaporisent à une température plus élevée que celles sans deutérium, de sorte que le point d’ébullition de l’eau lourde est légèrement supérieur à celui de l’eau normale. La vapeur d’eau au-dessus d’un mélange d’eau normale et lourde sera légèrement appauvrie en deutérium, tandis que le liquide sera légèrement enrichi., L’enrichissement résulte de l’ébullition successive et de l’élimination de la vapeur contenant de l’hydrogène normal.
  • électrolyse-l’eau contenant de l’hydrogène normal est plus facilement dissociée en hydrogène et en oxygène gazeux par un courant électrique que l’eau contenant du deutérium. Cela permet de séparer les isotopes. L’usine d’eau lourde du site de Savannah River a utilisé le procédé d’échange hydrogène sulfuré-eau pour enrichir partiellement l’eau lourde. Le deutérium a ensuite été concentré par distillation fractionnée, puis par électrolyse., L’Unité de reprise du modérateur de SRS a utilisé la distillation fractionnée pour ré-enrichir le modérateur du réacteur qui s’était appauvri en deutérium.

bien que l’on parle de « faire » de l’eau lourde, le deutérium n’est pas fabriqué dans le processus; plutôt, les molécules d’eau lourde sont séparées de la grande quantité d’eau constituée de H2O ou HDO (eau deutérée), et les « scories » sont jetées. Alternativement, l’eau peut être électrolysée pour produire de l’oxygène et de l’hydrogène contenant du gaz normal et du deutérium. L’hydrogène peut ensuite être liquéfié et distillé pour séparer les deux espèces., Enfin, le deutérium résultant réagit avec l’oxygène pour former de l’eau lourde. Aucune transformation nucléaire ne se produit.

la production d’eau lourde en quantités importantes nécessite une infrastructure technique, mais qui présente des similitudes avec la production d’ammoniac, la distillation d’alcool et d’autres procédés industriels courants. On peut séparer l’eau lourde directement de l’eau naturelle ou d’abord « enrichir » la teneur en deutérium en hydrogène gazeux. Il est possible de profiter des différents points d’ébullition de l’eau lourde (101.,4 °C) et de l’eau normale (100 °C) ou la différence de points d’ébullition entre le deutérium (-249,7 °C) et l’hydrogène (-252,5 °c). Toutefois, en raison de la faible abondance du deutérium, une énorme quantité d’eau à bouillir pour obtenir des quantités utiles de deutérium. En raison de la chaleur élevée de la vaporisation de l’eau, ce processus utiliserait d’énormes quantités de carburant ou d’électricité. Les installations pratiques qui exploitent les différences chimiques utilisent des processus nécessitant des quantités d’énergie beaucoup plus faibles., Les méthodes de séparation comprennent la distillation de l’hydrogène liquide et divers processus d’échange chimique qui exploitent les différentes affinités du deutérium et de l’hydrogène pour divers composés. Il s’agit notamment du système ammoniac/hydrogène, qui utilise l’amide de potassium comme catalyseur, et du système sulfure d’hydrogène/eau (procédé au sulfure de Girdler).

Les facteurs de séparation par étage sont significativement plus importants pour l’enrichissement du deutérium que pour l’enrichissement de l’uranium en raison de la plus grande différence de masse relative. Cependant, cela est compensé parce que l’enrichissement total nécessaire est beaucoup plus grand., Alors que 235U est 0.72 pour cent de l’uranium naturel, et doit être enrichi à 90 pour cent du produit, deutérium est seulement .015% de l’hydrogène dans l’eau et doit être enrichi à plus de 99 pour cent. Si le flux d’entrée contient au moins 5% d’eau lourde, la distillation sous vide est un moyen privilégié de séparer l’eau lourde de l’eau normale.

ce procédé est pratiquement identique à celui utilisé pour distiller l’eau-de-vie du vin., La principale différence visible est l’utilisation d’un emballage en bronze phosphoreux qui a été traité chimiquement pour améliorer la mouillabilité de la colonne de distillation plutôt qu’un emballage en cuivre. La plupart des liquides organiques sont non polaires et mouillent pratiquement n’importe quel métal, tandis que l’eau, Étant une molécule hautement polaire avec une tension superficielle élevée, mouille très peu de métaux. Le processus fonctionne mieux à basse température où les débits d’eau sont faibles, donc mouiller l’emballage dans la colonne est d’une importance particulière. Phosphore-bronze est un alliage de cuivre avec .02-.05 pour cent de plomb, .05-.15 pour cent de fer, .5-.11 pour cent d’étain, et .01-.,35 pour cent de phosphore.

l’eau lourde est produite en Argentine, au Canada, en Inde, en Iran et en Norvège. On peut supposer que les cinq États dotés d & apos; armes nucléaires déclarés peuvent produire ces matières. La première usine commerciale d’eau lourde a été L’usine Norsk Hydro en Norvège (construite en 1934, capacité 12 tonnes métriques par an); c’est l’usine qui a été attaquée par les Alliés pour refuser l’eau lourde à l’Allemagne. La plus grande usine était L’usine Bruce au Canada (1979; 700 tonnes métriques/an), mais cette installation a été fermée en 1998. La capacité apparente de l’Inde est très élevée, mais son programme a été perturbé., Les Accidents et les arrêts ont entraîné des limitations effectives de la production.

L’usine Bruce Heavy Water en Ontario, au Canada, était le plus grand producteur de D2O au monde. elle utilisait le procédé Girdler sulfure (GS) qui comprend une double cascade à chaque étape. Dans la section supérieure (« froide », 30-40 °C), le deutérium du sulfure d’hydrogène migre préférentiellement dans l’eau. Dans la section inférieure (« chaude », 120-140 °c), le deutérium migre préférentiellement de l’eau en sulfure d’hydrogène. Un arrangement cas-cade approprié permet effectivement l’enrichissement. Dans la première étape, le gaz est enrichi à partir de 0.,015% deutérium à 0,07%. La deuxième colonne enrichit cela à 0,35%, et la troisième colonne réalise un enrichissement entre 10% et 30% de deutérium. Ce produit est envoyé à une unité de distillation pour une finition à 99,75% d’eau lourde » de qualité réacteur ». Seulement environ un cinquième du deutérium dans leau d’alimentation de la plante devient un produit d’eau lourde. La production d’une seule Livre d’eau lourde nécessite 340 000 livres d’eau d’alimentation.