Tungt vann er nøkkelen til en type reaktor som plutonium kan brukes i avl fra naturlig uran. Som sådan, er produksjonen av tungt vann har alltid vært overvåket, og materialet er eksport kontrollert. I tillegg, en kilde av deuterium er avgjørende for produksjonen av tritium og 6LiD, to ingredienser av termonukleære våpen., En nasjon søker store mengder av tungt vann sannsynligvis ønsker å bruke materialet til å moderere en reaktor, og du kan bli planlegger å produsere plutonium. Imidlertid, CANDU (Canada Deuterium Uran) reaktorer designet og bygget i Canada er brukt for kommersielle elektrisk kraft produksjon.

Ddeuterium, 2H, en atom-som kjernen inneholder ett nøytron, ble oppdaget før nøytron seg selv. I 1931, de fleste forskere trodde de forskjellige vekter av isotoper var på grunn av ekstra protoner bundet til «kjernefysiske elektroner.,»Det året, ved Columbia University, Harold Urey funnet spektrale linjer 2H i kommersielle hydrogen og gass, etter Thanksgiving, identifisert det i et par kubikk centimeter av konsentrert flytende hydrogen. I februar 1932, i Cambridge, England, James Chadwick oppdaget nøytron-å ta sitt signal fra Irène og Frédéric Joliot-Curie, som hadde observert effekter av nøytroner, men feiltolket dem.

Deuterium er fysisk så forskjellig fra vanlig hydrogen (omtrent to ganger så massiv, for en ting) som kjemikere ivrig vendte sin oppmerksomhet til det., De lurte på hva forskjellene deuterium i stedet for vanlig hydrogen kan gjøre i atferd kjemiske forbindelser; hva effekter på planter og dyr i vann med to deuterium atomer per molekyl kan være; og med det terapeutiske potensialet dette bokstavelig talt tungt vann kan ha.

Tungt vann, D2O, er vann der både hydrogenatomer er erstattet med deuterium, den isotop av hydrogen som inneholder ett proton og ett nøytron. Den finnes naturlig i vann, men bare i små mengder, mindre enn 1 del 5000., Tungt vann er en av de to viktigste moderatorer som tillater en kjernefysisk reaktor til å operere med naturlig uran som brensel. Den andre moderator er reaktor-klasse grafitt (grafitt som inneholder mindre enn 5 ppm boron og med en tetthet som overstiger 1.50 gm/cm 3 ). Den første atomreaktoren bygget i 1942 brukt grafitt som moderator; tysk innsats under andre Verdenskrig konsentrert om bruk av tungt vann til moderat en reaktor ved hjelp av naturlig uran.,

viktigheten av tungt vann til en kjernefysisk proliferator er at det gir en mer rute til å produsere plutonium for bruk i våpen, helt utenom anriking av uran og alle relaterte teknologisk infrastruktur. I tillegg, heavy-vann-moderert reaktorer kan brukes til å lage tritium.

Deuterium forekommer naturlig i en konsentrasjon på om 0.015 prosent i grunnstoffet hydrogen. Denne naturlig forekommende isotop var konsentrert til å produsere ren deuterium i form av «tungt vann.»Tungt vann ble brukt som moderator og kjølemiddel i kjernefysisk materiale produksjon reaktorer., Tungt vann kan gjøres ved hjelp av hydrogensulfid-vann-kjemiske exchange, vann destillasjon, eller elektrolyse.

  • hydrogensulfid-Vann-Exchange – I en blanding av hydrogensulfid (H2S) og vann i kjemisk likevekt, konsentrasjonen av deuterium i vann er større enn konsentrasjonen i H2S. Forskjellen i disse konsentrasjoner avhenger av temperaturen i blandingen. I praksis, vann og hydrogensulfid gass er laget for å strømme i motsatt retning ved to forskjellige temperaturer. Deuterium er overført fra gass-til-vann-i den kalde delen., Utarma gass er resirkuleres til den varme delen, der deuterium er overført tilbake til gass fra vannet. Flere stadier av denne prosessen la deuterium enrichments av opp til 20-30%.
  • Brøk Destillasjon – Vann molekyler som inneholder deuterium atomer fordampe på en høyere temperatur enn de uten deuterium, så kokepunkt av tungt vann er litt høyere enn vanlig vann. Vanndamp over en blanding av normal og tung vann vil bli litt oppbrukt i deuterium, som et resultat, mens væsken vil være litt beriket., Ekstraordinære resultater fra suksessivt koking av og fjerner damp inneholder vanlig hydrogen.
  • Elektrolyse – Vann som inneholder vanlig hydrogen er lettere disassociated til hydrogen og oksygen gasser ved en elektrisk strøm enn vann som inneholder deuterium. Dette gjør isotoper å være adskilt. The Savannah-Elven-Området tunge vannet plante som brukes av hydrogensulfid-vann-exchange-prosessen for delvis å berike tungt vann. Deuterium ble ytterligere konsentrert ved brøk destillasjon, og deretter ved elektrolyse., Moderator etterbehandling avdeling i SRS brukt brøkdelen destillasjon å re-berike reaktoren moderator som hadde blitt tømt i deuterium.

Selv om man snakker om «å gjøre» heavy water, deuterium er ikke gjort i prosessen; i stedet, molekyler av tungt vann er separert fra den enorme mengden av vann som består av H2O eller HDO (enkeltvis deuterated vann), og «avfall» er forkastet. Alternativt kan vannet kan være electrolyzed å gjøre oksygen og hydrogen inneholder normalt gass og deuterium. Hydrogen kan da være flytende og destillert å skille de to artene., Til slutt, den resulterende deuterium er reagerte med oksygen og danner tungt vann. Ingen kjernefysiske transformasjoner oppstå.

produksjonen av tungt vann i store mengder krever en teknisk infrastruktur, men en som har likheter med ammoniakk produksjon, destillasjon alkohol, og andre vanlige industrielle prosesser. Man kan skille tungt vann direkte fra naturlig vann eller første «berike» den deuterium innholdet i hydrogen gass. Det er mulig å dra nytte av de ulike kokende poeng av tungt vann (101.,4 °C) og vanlig vann (100 °C) eller forskjellen i kokende poeng mellom deuterium (-249.7 °C) og hydrogen (-252.5 °C). Imidlertid, på grunn av den lave overflod av deuterium, en enorm mengde vann ville ha til å være kokt for å få nyttig mengder av deuterium. På grunn av den høye varmen av dampfunksjon av vann, denne prosessen vil bruke enorme mengder brensel eller elektrisitet. Praktiske fasiliteter som utnytter kjemiske forskjeller bruke prosesser som krever mye mindre mengder energi., Separasjonsmetoder inkluderer destillasjon av flytende hydrogen og ulike kjemiske exchange prosesser som utnytter de ulike preferanser av deuterium og hydrogen for ulike forbindelser. Disse inkluderer ammoniakk/hydrogen-system, som bruker kalium amide som katalysator, og hydrogensulfid/vann system (Girdler Sulfide prosessen).

Separasjon faktorer per scenen er betydelig større for deuterium berikelse enn for anriking av uran på grunn av større relativ masse forskjell. Dette er imidlertid kompensert for, fordi den totale berikelse trengs er mye større., Mens 235U er 0.72% av naturlig uran, og må bli beriket til 90 prosent av produktet, deuterium er bare .015 prosent av hydrogen i vann og må bli beriket større enn 99 prosent. Hvis input stream har minst 5 prosent tungt vann, vakuum destillasjon er en foretrukket måte å skille fra normal tungt vann.

Denne prosessen er nesten identisk med den som brukes til å destillere konjakk fra vin., Den viktigste synlige forskjellen er bruk av fosfor-bronse pakking som har blitt kjemisk behandlet for å forbedre wettability for destillasjon kolonne snarere enn en kobber pakking. De fleste organiske væsker er ikke-polar og våt nesten alle metall, mens vann, blir en svært polar molekyl med en høy overflatespenning, juridiske svært få metaller. Prosessen fungerer best ved lave temperaturer der vann strømmer er liten, så tisse pakking i kolonnen er av særlig betydning. Fosfor-bronse er en legering av kobber med .02-.05 prosent bly .05-.15 prosent strykejern, .5-.11 prosent tinn, og .01-.,35 prosent fosfor.

Tungt vann er produsert i Argentina, Canada, India, Iran og Norge. Antagelig alle fem erklært kjernefysiske våpen stater kan produsere materialet. Den første kommersielle tunge vannet anlegget var Norsk Hydros anlegg i Norge (bygget i 1934, kapasitet 12 metriske tonn per år); dette er anlegget som ble angrepet av de Allierte til å nekte tungtvannet til Tyskland. Det største anlegget var Bruce-Anlegget i Canada (1979; 700 tonn/år), men dette anlegget ble stengt i 1998. India er tydelig kapasitet er svært høy, men programmet har blitt urolige., Ulykker og driftstans har ført til effektiv begrensninger på produksjonen.

The Bruce Tungt Vann Anlegg i Ontario, Canada, var verdens største produsent av D2O. Det brukte Girdler Sulfide (GS) prosessen som inkorporerer en dobbel cascade i hvert trinn. I den øvre («kalde» 30-40 °C) seksjon, deuterium fra hydrogensulfid fortrinnsvis vandrer ut i vannet. I den nedre («hot» 120-140 °C) seksjon, deuterium, fortrinnsvis migrerer fra vann til hydrogensulfid. En passende cascade ordningen faktisk oppnår berikelse. I den første fasen gass er beriket fra 0.,015% deuterium 0,07%. Den andre kolonnen beriker dette for å 0.35% , og den tredje kolonnen oppnår en berikelse mellom 10% og 30% deuterium. Dette produktet er sendt til en destillasjon enhet for etterbehandling for å 99.75% «reaktor-grade» tungt vann. Bare om lag en femtedel av deuterium i theplant mate vannet blir tungt vann produktet. Produksjon av én kilo tunge vann krever 340,000 pounds av fôr vann.