L’acqua pesante è la chiave di un tipo di reattore in cui il plutonio può essere allevato dall’uranio naturale. Come tale, la produzione di acqua pesante è sempre stata monitorata e il materiale è controllato dall’esportazione. Inoltre, una fonte di deuterio è essenziale per la produzione di trizio e 6LiD, due ingredienti delle armi termonucleari., Una nazione in cerca di grandi quantità di acqua pesante probabilmente vuole utilizzare il materiale per moderare un reattore, e può essere in programma di produrre plutonio. Tuttavia, i reattori CANDU (Canadian Deuterium Uranium) progettati e costruiti in Canada sono utilizzati per la produzione di energia elettrica commerciale.

Ddeuterium, 2H, un atomo il cui nucleo include un neutrone, è stato scoperto prima del neutrone stesso. Nel 1931, la maggior parte degli scienziati pensava che i diversi pesi degli isotopi fossero dovuti a protoni extra legati a “elettroni nucleari.,”Quell’anno, alla Columbia University, Harold Urey trovò le linee spettrali di 2H nel gas idrogeno commerciale e, per Ringraziamento, lo identificò in pochi centimetri cubici di idrogeno liquido concentrato. Nel febbraio 1932, a Cambridge, in Inghilterra, James Chadwick scoprì il neutrone taking prendendo spunto da Irène e Frédéric Joliot-Curie, che avevano osservato gli effetti dei neutroni ma li avevano interpretati male.

Il deuterio è fisicamente così diverso dall’idrogeno ordinario (circa due volte più massiccio, per prima cosa) che i chimici hanno rivolto la loro attenzione ad esso., Si sono chiesti quali differenze il deuterio invece dell’idrogeno ordinario potrebbe fare nel comportamento dei composti chimici; quali potrebbero essere gli effetti sulle piante e sugli animali dell’acqua con due atomi di deuterio per molecola; e persino quale potenziale terapeutico potrebbe possedere questa acqua letteralmente pesante.

L’acqua pesante, D2O, è acqua in cui entrambi gli atomi di idrogeno sono stati sostituiti con deuterio, l’isotopo dell’idrogeno contenente un protone e un neutrone. È presente naturalmente in acqua, ma solo in piccole quantità, meno di 1 parte su 5.000., L’acqua pesante è uno dei due principali moderatori che consentono a un reattore nucleare di funzionare con uranio naturale come combustibile. L’altro moderatore è la grafite di tipo reattore (grafite contenente meno di 5 ppm di boro e con una densità superiore a 1,50 gm / cm 3). Il primo reattore nucleare costruito nel 1942 utilizzava la grafite come moderatore; gli sforzi tedeschi durante la seconda guerra mondiale si concentrarono sull’uso di acqua pesante per moderare un reattore usando uranio naturale.,

L’importanza dell’acqua pesante per un proliferatore nucleare è che fornisce un’altra via per produrre plutonio per l’uso in armi, bypassando completamente l’arricchimento dell’uranio e tutte le relative infrastrutture tecnologiche. Inoltre, i reattori moderati ad acqua pesante possono essere utilizzati per produrre trizio.

Il deuterio si presenta naturalmente ad una concentrazione di circa lo 0,015% nell’elemento idrogeno. Questo isotopo naturale è stato concentrato per produrre deuterio puro sotto forma di ” acqua pesante.”L’acqua pesante è stata utilizzata come refrigerante e moderatore nei reattori di produzione di materiali nucleari., L’acqua pesante può essere prodotta utilizzando lo scambio chimico di idrogeno solforato-acqua, la distillazione dell’acqua o l’elettrolisi.

  • Idrogeno solforato-Scambio idrico – In una miscela di idrogeno solforato (H2S) e acqua all’equilibrio chimico, la concentrazione di deuterio in acqua è maggiore della concentrazione in H2S. La differenza di queste concentrazioni dipende dalla temperatura della miscela. In pratica, l’acqua e il gas di idrogeno solforato vengono fatti fluire in direzioni opposte a due temperature diverse. Il deuterio viene trasferito dal gas all’acqua nella sezione fredda., Il gas esaurito viene ricircolato nella sezione calda, dove il deuterio viene trasferito nuovamente nel gas dall’acqua. Diverse fasi di questo processo consentono arricchimenti di deuterio fino al 20-30%.
  • Distillazione frazionata-Le molecole d’acqua contenenti atomi di deuterio vaporizzano a una temperatura più alta di quelle senza deuterio, quindi il punto di ebollizione dell’acqua pesante è leggermente superiore a quello dell’acqua normale. Il vapore acqueo sopra una miscela di acqua normale e pesante sarà leggermente esaurito in deuterio come risultato, mentre il liquido sarà leggermente arricchito., L’arricchimento deriva dalla successiva ebollizione e dalla rimozione del vapore contenente idrogeno normale.
  • Elettrolisi-L’acqua contenente idrogeno normale è più facilmente dissociata in gas idrogeno e ossigeno da una corrente elettrica rispetto all’acqua contenente deuterio. Ciò consente agli isotopi di essere separati. La Savannah River Site heavy water plant ha utilizzato il processo di scambio idrogeno solforato-acqua per arricchire parzialmente l’acqua pesante. Il deuterio è stato ulteriormente concentrato per distillazione frazionata e quindi per elettrolisi., L’unità di rilavorazione del moderatore a SRS ha usato la distillazione frazionata per ri-arricchire il moderatore del reattore che si era esaurito nel deuterio.

Sebbene si parli di “fare” acqua pesante, il deuterio non viene prodotto nel processo; piuttosto, le molecole di acqua pesante sono separate dalla grande quantità di acqua costituita da H2O o HDO (acqua singolarmente deuterata), e le “scorie” vengono scartate. In alternativa, l’acqua può essere elettrolizzata per produrre ossigeno e idrogeno contenenti gas normale e deuterio. L’idrogeno può quindi essere liquefatto e distillato per separare le due specie., Infine, il deuterio risultante viene fatto reagire con l’ossigeno per formare acqua pesante. Non si verificano trasformazioni nucleari.

La produzione di acqua pesante in quantità significative richiede un’infrastruttura tecnica, ma che ha somiglianze con la produzione di ammoniaca, la distillazione di alcol e altri processi industriali comuni. Si può separare l’acqua pesante direttamente dall’acqua naturale o prima “arricchire” il contenuto di deuterio nel gas idrogeno. È possibile sfruttare i diversi punti di ebollizione dell’acqua pesante (101.,4 °C) e acqua normale (100 °C) o la differenza nei punti di ebollizione tra deuterio (-249,7 °C) e idrogeno (-252,5 °C). Tuttavia, a causa della bassa abbondanza di deuterio, un’enorme quantità di acqua dovrebbe essere bollita per ottenere quantità utili di deuterio. A causa dell’elevato calore della vaporizzazione dell’acqua, questo processo utilizzerebbe enormi quantità di carburante o elettricità. Le strutture pratiche che sfruttano le differenze chimiche utilizzano processi che richiedono quantità molto minori di energia., I metodi di separazione includono la distillazione dell’idrogeno liquido e vari processi di scambio chimico che sfruttano le diverse affinità del deuterio e dell’idrogeno per vari composti. Questi includono il sistema ammoniaca / idrogeno, che utilizza l’ammide di potassio come catalizzatore, e il sistema idrogeno solforato/acqua (processo di solfuro di Girdler).

I fattori di separazione per stadio sono significativamente più grandi per l’arricchimento del deuterio che per l’arricchimento dell’uranio a causa della maggiore differenza di massa relativa. Tuttavia, questo è compensato perché l’arricchimento totale necessario è molto maggiore., Mentre 235U è 0,72 per cento di uranio naturale, e deve essere arricchito al 90 per cento del prodotto, deuterio è solo .015 per cento dell’idrogeno in acqua e deve essere arricchito a più di 99 per cento. Se il flusso di ingresso ha almeno il 5% di acqua pesante, la distillazione sotto vuoto è un modo preferito per separare l’acqua pesante dall’acqua normale.

Questo processo è praticamente identico a quello utilizzato per distillare il brandy dal vino., La principale differenza visibile è l’uso di un imballaggio in bronzo fosforoso che è stato trattato chimicamente per migliorare la bagnabilità per la colonna di distillazione piuttosto che un imballaggio in rame. La maggior parte dei liquidi organici non sono polari e bagnano praticamente qualsiasi metallo, mentre l’acqua, essendo una molecola altamente polare con un’alta tensione superficiale, bagna pochissimi metalli. Il processo funziona meglio a basse temperature dove i flussi d’acqua sono piccoli, quindi bagnare l’imballaggio nella colonna è di particolare importanza. Fosforo-bronzo è una lega di rame con .02-.05 per cento di piombo, .05-.15 per cento di ferro, .5-.11 per cento di stagno, e .01-.,35% di fosforo.

L’acqua pesante viene prodotta in Argentina, Canada, India, Iran e Norvegia. Presumibilmente, tutti e cinque gli stati dichiarati armi nucleari in grado di produrre il materiale. Il primo impianto commerciale di acqua pesante fu il Norsk Hydro facility in Norvegia (costruito nel 1934, capacità 12 tonnellate metriche all’anno); questo è l’impianto che fu attaccato dagli alleati per negare acqua pesante alla Germania. L’impianto più grande era lo stabilimento di Bruce in Canada (1979; 700 tonnellate/anno), ma questo impianto è stato chiuso nel 1998. La capacità apparente dell’India è molto alta, ma il suo programma è stato turbato., Incidenti e arresti hanno portato a limitazioni effettive della produzione.

Il Bruce Heavy Water Plant in Ontario, Canada, è stato il più grande produttore mondiale di D2O. Ha utilizzato il processo Girdler Sulfide (GS) che incorpora una doppia cascata in ogni fase. Nella sezione superiore (“fredda”, 30-40 °C), il deuterio dall’idrogeno solforato migra preferenzialmente in acqua. Nella sezione inferiore (“calda”, 120-140 °C), il deuterio migra preferenzialmente dall’acqua all’idrogeno solforato. Un adeguato accordo cas-cade porta effettivamente all’arricchimento. Nella prima fase il gas è arricchito da 0.,015% deuterio a 0,07%. La seconda colonna lo arricchisce allo 0,35% e la terza colonna raggiunge un arricchimento compreso tra il 10% e il 30% di deuterio. Questo prodotto viene inviato a un’unità di distillazione per la finitura al 99,75% di acqua pesante” reactor-grade”. Solo circa un quinto del deuterio nell’acqua di alimentazione dell’impianto diventa prodotto di acqua pesante. La produzione di un singolo chilo di acqua pesante richiede 340.000 chili di acqua di alimentazione.