zwaar water is de sleutel tot een type reactor waarin plutonium kan worden gekweekt uit natuurlijk uranium. Als zodanig is de productie van zwaar water altijd gemonitord en wordt het materiaal uitgevoerd. Bovendien is een bron van deuterium essentieel voor de productie van tritium en 6LiD, twee ingrediënten van thermonucleaire wapens., Een land op zoek naar grote hoeveelheden zwaar water wil waarschijnlijk het materiaal gebruiken om een reactor te matigen, en kan van plan zijn om plutonium te produceren. Echter, CANDU (CANadian Deuterium Uranium) reactoren ontworpen en gebouwd in Canada worden gebruikt voor commerciële elektriciteitsproductie.
Ddeuterium, 2H, een atoom waarvan de kern één neutron bevat, werd vóór het neutron zelf ontdekt. In 1931 dachten de meeste wetenschappers dat de verschillende gewichten van isotopen te wijten waren aan extra protonen gebonden aan “nucleaire elektronen.,”Dat jaar, op Columbia University, vond Harold Urey de spectraallijnen van 2H in commercieel waterstofgas en identificeerde het, tegen Thanksgiving, in een paar kubieke centimeter geconcentreerde vloeibare waterstof. In februari 1932, in Cambridge, Engeland, ontdekte James Chadwick het neutron — in navolging van Irène en Frédéric Joliot-Curie, die de effecten van neutronen hadden waargenomen, maar ze verkeerd hadden geïnterpreteerd. Deuterium is fysisch zo verschillend van gewone waterstof (ruwweg twee keer zo massief) dat chemici er hun aandacht op richtten., Ze vroegen zich af welke verschillen deuterium in plaats van gewone waterstof zou kunnen maken in het gedrag van chemische verbindingen; wat de effecten op planten en dieren van water met twee deuteriumatomen per molecuul zou kunnen zijn; en zelfs welk therapeutisch potentieel dit letterlijk zware water zou kunnen bezitten.
zwaar water, D2O, is water waarin beide waterstofatomen zijn vervangen door deuterium, de isotoop van waterstof die één proton en één neutron bevat. Het is van nature aanwezig in water, maar slechts in kleine hoeveelheden, minder dan 1 deel op 5.000., Zwaar water is een van de twee belangrijkste moderatoren waardoor een kernreactor kan werken met natuurlijk uranium als brandstof. De andere moderator is grafiet van reactorkwaliteit (grafiet met minder dan 5 ppm boor en met een dichtheid van meer dan 1,50 gm/cm3 ). De eerste kernreactor gebouwd in 1942 gebruikt grafiet als moderator; Duitse inspanningen tijdens de Tweede Wereldoorlog geconcentreerd op het gebruik van zwaar water om een reactor te matigen met behulp van natuurlijk uranium.,het belang van zwaar water voor een nucleaire proliferator is dat het een extra manier biedt om plutonium te produceren voor gebruik in wapens, waarbij de uraniumverrijking en alle daarmee verband houdende technologische infrastructuur volledig worden omzeild. Bovendien kunnen met zwaar water gemodereerde reactoren worden gebruikt om tritium te maken.
Deuterium komt van nature voor in een concentratie van ongeveer 0,015% in het element waterstof. Deze natuurlijk voorkomende isotoop werd geconcentreerd om zuiver deuterium te produceren in de vorm van “zwaar water.”Zwaar water werd gebruikt als koelmiddel en moderator in kernmaterialen productie reactoren., Zwaar water kan worden gemaakt met behulp van waterstofsulfide-water chemische uitwisseling, water destillatie, of elektrolyse.
- waterstofsulfide-waterwisseling – in een mengsel van waterstofsulfide (H2S) en water bij chemisch evenwicht is de concentratie deuterium in water groter dan de concentratie in H2S. het verschil in deze concentraties hangt af van de temperatuur van het mengsel. In de praktijk worden water en waterstofsulfidegas in tegengestelde richtingen bij twee verschillende temperaturen laten stromen. Deuterium wordt overgebracht van het gas naar het water in het koude gedeelte., Het uitgeputte gas wordt gerecirculeerd naar het hete gedeelte, waar deuterium vanuit het water weer in het gas wordt overgebracht. Verschillende stadia van dit proces maken deuteriumverrijkingen tot 20-30% mogelijk.
- fractionele destillatie – watermoleculen die deuteriumatomen bevatten verdampen bij een hogere temperatuur dan die zonder deuterium, zodat het kookpunt van zwaar water iets hoger is dan dat van normaal water. Waterdamp boven een mengsel van normaal en zwaar water zal lichtjes worden uitgeput in deuterium als gevolg, terwijl de vloeistof licht verrijkt zal zijn., Verrijking is het resultaat van het achtereenvolgens afkoken en verwijderen van damp die normale waterstof bevat.
- elektrolyse – water dat normale waterstof bevat, wordt gemakkelijker door een elektrische stroom in waterstof en zuurstofgassen gescheiden dan water dat deuterium bevat. Hierdoor kunnen de isotopen worden gescheiden. De Savannah River site heavy water plant gebruikte het waterstofsulfide-water uitwisselingsproces om zwaar water gedeeltelijk te verrijken. Deuterium werd verder geconcentreerd door gefractioneerde destillatie en vervolgens door elektrolyse., De moderator rework unit bij SRS gebruikte fractionele destillatie om de moderator van de reactor die was uitgeput in deuterium opnieuw te verrijken.
hoewel men spreekt van het “maken” van zwaar water, wordt deuterium niet gemaakt in het proces; eerder worden moleculen van zwaar water gescheiden van de enorme hoeveelheid water bestaande uit H2O of HDO (afzonderlijk deuterium), en de “dross” wordt weggegooid. Als alternatief kan het water worden elektrolyseerd om zuurstof en waterstof te maken die normaal gas en deuterium bevatten. De waterstof kan vervolgens vloeibaar worden gemaakt en gedestilleerd om de twee soorten te scheiden., Ten slotte wordt het resulterende deuterium met zuurstof gereageerd om zwaar water te vormen. Er vinden geen nucleaire transformaties plaats.
de productie van zwaar water in aanzienlijke hoeveelheden vereist een technische infrastructuur, maar wel een infrastructuur die overeenkomsten vertoont met ammoniakproductie, alcoholdestillatie en andere gangbare industriële processen. Men kan zwaar water rechtstreeks van natuurlijk water scheiden of eerst het deuteriumgehalte in waterstofgas” verrijken”. Het is mogelijk om gebruik te maken van de verschillende kookpunten van zwaar water (101.,4 °C) en normaal water (100 °C) of het verschil in kookpunten tussen deuterium (-249,7 °C) en waterstof (-252,5 °C). Vanwege de geringe hoeveelheid deuterium zou echter een enorme hoeveelheid water moeten worden gekookt om nuttige hoeveelheden deuterium te verkrijgen. Vanwege de hoge hitte van verdamping van water zou dit proces enorme hoeveelheden brandstof of elektriciteit gebruiken. Praktische installaties die gebruik maken van chemische verschillen maken gebruik van processen die veel kleinere hoeveelheden energie vereisen., De scheidingsmethoden omvatten de destillatie van vloeibare waterstof en verschillende chemische uitwisselingsprocessen waarbij de verschillende verwantschappen van deuterium en waterstof voor verschillende verbindingen worden benut. Deze omvatten het ammoniak / waterstofsysteem, dat kaliumamide als katalysator gebruikt, en het waterstofsulfide/watersysteem (Girdler-Sulfideproces).
Scheidingsfactoren per fase zijn aanzienlijk groter voor deuteriumverrijking dan voor uraniumverrijking vanwege het grotere relatieve massaverschil. Dit wordt echter gecompenseerd omdat de totale noodzakelijke verrijking veel groter is., Terwijl 235U is 0,72 procent van natuurlijk uranium, en moet worden verrijkt tot 90 procent van het product, deuterium is alleen .015 procent van de waterstof in water en moet worden verrijkt tot meer dan 99 procent. Als de inputstroom ten minste 5 procent zwaar water bevat, is vacuümdistillatie een voorkeursmethode om zwaar van normaal water te scheiden.
dit procédé is vrijwel identiek aan het procédé dat wordt gebruikt om brandewijn uit wijn te distilleren., Het belangrijkste zichtbare verschil is het gebruik van een fosfor-bronzen verpakking die chemisch is behandeld om de bevochtigbaarheid voor de destillatiekolom te verbeteren in plaats van een koperen verpakking. De meeste organische vloeistoffen zijn apolair en nat vrijwel elk metaal, terwijl water, een zeer polair molecuul met een hoge oppervlaktespanning, bevochtigt zeer weinig metalen. Het proces werkt het beste bij lage temperaturen waar de waterstromen klein zijn, dus het bevochtigen van de verpakking in de kolom is van bijzonder belang. Fosfor-brons is een legering van koper met .02-.05 procent lood .05-.15 procent ijzer .5-.11 procent tin, en .01-.,35 procent fosfor.
zwaar water wordt geproduceerd in Argentinië, Canada, India, Iran en Noorwegen. Vermoedelijk kunnen alle vijf de verklaarde kernwapenstaten het materiaal produceren. De eerste commerciële zwaarwaterinstallatie was De Norsk Hydro-installatie in Noorwegen (gebouwd in 1934, capaciteit 12 metrische ton per jaar); Dit is de fabriek die door de geallieerden werd aangevallen om zwaar water aan Duitsland te ontzeggen. De grootste fabriek was de Bruce Plant in Canada (1979; 700 ton / jaar), maar deze fabriek werd gesloten in 1998. India ‘ s schijnbare capaciteit is zeer hoog, maar het programma is verstoord., Ongevallen en stillegging hebben geleid tot effectieve productiebeperkingen.de Bruce Heavy Water Plant in Ontario, Canada, was ‘ s werelds grootste producent van D2O. zij maakte gebruik van het Girdler Sulfide (GS) – proces, dat in elke stap een dubbele cascade bevat. In het bovenste gedeelte (“koud”, 30-40 °C) migreert deuterium uit waterstofsulfide bij voorkeur naar water. In het onderste gedeelte (“heet”, 120-140 °C) migreert deuterium bij voorkeur van water naar waterstofsulfide. Een passende cas-cade-regeling zorgt in feite voor verrijking. In de eerste fase wordt het gas verrijkt met 0.,015% deuterium tot 0,07%. De tweede kolom verrijkt dit tot 0,35% en de derde kolom bereikt een verrijking tussen 10% en 30% deuterium. Dit product wordt naar een destillatie-eenheid gestuurd voor afwerking tot 99,75%” reactorkwaliteit ” zwaar water. Slechts ongeveer een vijfde van het deuterium in het plantenvoedingswater wordt zwaarwaterproduct. De productie van één pond zwaar water vereist 340.000 Pond voedingswater.