ciężka woda jest kluczem do jednego typu reaktora, w którym Pluton może być wyhodowany z naturalnego uranu. W związku z tym produkcja ciężkiej wody była zawsze monitorowana, a materiał jest kontrolowany eksport. Ponadto źródło deuteru jest niezbędne do produkcji trytu i 6LiD, dwóch składników broni termojądrowej., Naród poszukujący dużych ilości ciężkiej wody prawdopodobnie chce użyć materiału do moderowania reaktora i może planować produkcję plutonu. Jednak Reaktory CANDU (CANadian Deuterium Uran) zaprojektowane i zbudowane w Kanadzie są wykorzystywane do komercyjnej produkcji energii elektrycznej.
Ddeuterium, 2H, atom, którego jądro zawiera jeden neutron, został odkryty przed samym neutronem. W 1931 roku większość naukowców uważała, że różne masy izotopów są spowodowane dodatkowymi protonami związanymi z ” elektronami jądrowymi.,”W tym roku, na Uniwersytecie Columbia, Harold Urey odkrył linie widmowe 2H w gazie wodorowym i, w Święto Dziękczynienia, zidentyfikował je w kilku centymetrach sześciennych skoncentrowanego ciekłego wodoru. W lutym 1932 roku w Cambridge w Anglii James Chadwick odkrył neutron, na wzór Irène i Frédérica Joliot-Curie, którzy zaobserwowali działanie neutronów, ale błędnie je zinterpretowali.
Deuter jest fizycznie tak różny od zwykłego wodoru (z jednej strony mniej więcej dwa razy masywniejszy), że chemicy chętnie zwrócili na niego uwagę., Zastanawiali się, jakie różnice mogą mieć Deuter zamiast zwykłego wodoru w zachowaniu związków chemicznych; jaki może być wpływ na rośliny i zwierzęta wody z dwoma atomami deuteru na cząsteczkę; a nawet jaki potencjał terapeutyczny może posiadać ta dosłownie ciężka woda.
ciężka woda, D2O, to woda, w której oba atomy wodoru zostały zastąpione deuterem, izotopem wodoru zawierającym jeden proton i jeden neutron. Występuje naturalnie w wodzie, ale tylko w niewielkich ilościach, mniej niż 1 część na 5000., Ciężka woda jest jednym z dwóch głównych moderatorów, które umożliwiają pracę reaktora jądrowego z naturalnym Uranem jako paliwem. Drugim moderatorem jest grafit reaktorowy (grafit zawierający mniej niż 5 ppm boru i o gęstości przekraczającej 1,50 gm/cm 3 ). Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany w 1942 roku używał grafitu jako moderatora; Niemieckie wysiłki podczas ii Wojny Światowej koncentrowały się na użyciu ciężkiej wody do moderowania reaktora przy użyciu naturalnego uranu.,
znaczenie ciężkiej wody dla proliferatora jądrowego polega na tym, że zapewnia ona jeszcze jedną drogę do produkcji plutonu do wykorzystania w broni, całkowicie omijając wzbogacanie uranu i całą powiązaną infrastrukturę technologiczną. Ponadto do wytwarzania trytu mogą być używane Reaktory o dużej zawartości wody.
Deuter występuje naturalnie w stężeniu około 0,015 procent w pierwiastku Wodór. Ten naturalnie występujący izotop został skoncentrowany w celu wytworzenia czystego deuteru w postaci ” ciężkiej wody.”Ciężka woda była używana jako chłodziwo i moderator w reaktorach produkcji materiałów jądrowych., Ciężka woda może być wykonana za pomocą siarkowodoru-woda chemiczna wymiana, destylacja wody, lub elektrolizy.
- siarkowodór-Wymiana wody – w mieszaninie siarkowodoru (H2S) i wody w równowadze chemicznej stężenie deuteru w wodzie jest większe niż stężenie w H2S. różnica w tych stężeniach zależy od temperatury mieszaniny. W praktyce woda i gaz siarkowodorowy przepływają w przeciwnych kierunkach w dwóch różnych temperaturach. Deuter jest przenoszony z gazu do wody w zimnej sekcji., Wyczerpany gaz jest recyrkulowany do gorącej sekcji, gdzie Deuter jest przenoszony z powrotem do gazu z wody. Kilka etapów tego procesu pozwala na wzbogacenie deuteru do 20-30%.
- destylacja frakcyjna-cząsteczki wody zawierające Atomy deuteru odparowują w wyższej temperaturze niż te bez deuteru, więc temperatura wrzenia ciężkiej wody jest nieco wyższa niż w normalnej wodzie. Para wodna nad mieszaniną normalnej i ciężkiej wody zostanie w wyniku tego nieznacznie zubożona w deuter, natomiast ciecz zostanie nieznacznie wzbogacona., Wzbogacanie wynika z sukcesywnego wrzenia i usuwania oparów zawierających normalny Wodór.
- elektroliza-woda zawierająca normalny wodór jest łatwiej rozdzielana na wodór i gazy tlenowe prądem elektrycznym niż woda zawierająca Deuter. Pozwala to na rozdzielenie izotopów. Elektrownia Wodna Savannah River site heavy water plant wykorzystała proces wymiany siarkowodoru i wody, aby częściowo wzbogacić ciężką wodę. Deuter był następnie zagęszczany przez destylację frakcyjną, a następnie przez elektrolizę., Jednostka przeróbki moderatora w SRS wykorzystała destylację frakcyjną do ponownego wzbogacenia moderatora reaktora, który został zubożony w deuter.
chociaż mówi się o „wytwarzaniu” ciężkiej wody, Deuter nie jest wytwarzany w procesie; raczej cząsteczki ciężkiej wody są oddzielane od ogromnej ilości wody składającej się z H2o lub HDO (pojedynczo deuterowanej wody), a „żużel” jest odrzucany. Alternatywnie woda może być elektrolizowana, aby uzyskać tlen i wodór zawierający normalny gaz i Deuter. Wodór może być następnie skroplony i destylowany w celu oddzielenia dwóch gatunków., W końcu otrzymany Deuter reaguje z tlenem, tworząc ciężką wodę. Nie zachodzi transformacja jądrowa.
produkcja ciężkiej wody w znacznych ilościach wymaga infrastruktury technicznej, ale takiej, która ma podobieństwa do produkcji amoniaku, destylacji alkoholu i innych powszechnych procesów przemysłowych. Można oddzielić ciężką wodę bezpośrednio od wody naturalnej lub najpierw „wzbogacić” zawartość deuteru w gazie wodorowym. Możliwe jest wykorzystanie różnych punktów wrzenia ciężkiej wody (101.,4 °C) i normalnej wody (100 °C) lub różnicy temperatur wrzenia między deuterem (-249,7 °C) i wodorem (-252,5 °c). Jednak ze względu na niską obfitość deuteru, ogromna ilość wody musiałaby być zagotowana, aby uzyskać użyteczne ilości deuteru. Ze względu na wysokie ciepło parowania wody, proces ten zużywałby ogromne ilości paliwa lub energii elektrycznej. Praktyczne urządzenia wykorzystujące różnice chemiczne wykorzystują procesy wymagające znacznie mniejszych ilości energii., Metody separacji obejmują destylację ciekłego wodoru i różne procesy wymiany chemicznej, które wykorzystują różne powinowactwa deuteru i wodoru dla różnych związków. Należą do nich układ amoniak/wodór, który wykorzystuje amid potasu jako katalizator, oraz układ siarkowodoru / wody(proces Girdler siarczek).
współczynniki separacji na stopień są znacznie większe dla wzbogacania deuteru niż dla wzbogacania uranu ze względu na większą względną różnicę mas. Jest to jednak rekompensowane, ponieważ całkowite niezbędne wzbogacenie jest znacznie większe., Podczas gdy 235U stanowi 0,72 procent naturalnego uranu i musi być wzbogacony do 90 procent produktu, Deuter jest tylko .015 procent wodoru w wodzie i musi być wzbogacony do ponad 99 procent. Jeśli strumień wejściowy zawiera co najmniej 5 procent ciężkiej wody, destylacja próżniowa jest preferowanym sposobem oddzielania ciężkiej od normalnej wody.
proces ten jest praktycznie identyczny z procesem destylacji brandy z wina., Główną widoczną różnicą jest zastosowanie opakowania fosforowo-brązowego, które zostało poddane obróbce chemicznej w celu poprawy zwilżalności kolumny destylacyjnej, a nie Opakowania miedzianego. Większość płynów organicznych jest niepolarnych i mokrych praktycznie każdego metalu, podczas gdy woda, będąca wysoce polarną cząsteczką o wysokim napięciu powierzchniowym, moczy bardzo niewiele metali. Proces ten działa najlepiej w niskich temperaturach, gdzie przepływ wody jest niewielki, dlatego szczególnie ważne jest zwilżanie opakowania w kolumnie. Fosfor-brąz jest stopem miedzi z .02-.05 procent ołowiu, .05-.Żelazo 15%,5-.11% cyny i .01-.,35% fosforu.
ciężka woda jest produkowana w Argentynie, Kanadzie, Indiach, Iranie i Norwegii. Prawdopodobnie wszystkie pięć państw deklarujących broń jądrową może wyprodukować ten materiał. Pierwszą komercyjną elektrownią ciężkiej wody był zakład Norsk Hydro w Norwegii (zbudowany w 1934, wydajność 12 ton metrycznych rocznie); jest to zakład, który został zaatakowany przez aliantów, aby wyprzeć ciężką wodę Niemcom. Największym zakładem był zakład Bruce w Kanadzie (1979; 700 ton metrycznych/rok), ale Zakład ten został zamknięty w 1998 roku. Potencjał Indii jest bardzo wysoki, ale jego program był niespokojny., Wypadki i przestoje doprowadziły do skutecznych ograniczeń produkcji.
zakład Bruce Heavy Water w Ontario w Kanadzie był największym na świecie producentem D2O. wykorzystywał proces Girdler Sulfide (GS), który zawiera podwójną kaskadę w każdym kroku. W górnej („zimnej”, 30-40 °C) sekcji Deuter z siarkowodoru preferencyjnie migruje do wody. W dolnej („gorącej”, 120-140 °c) sekcji Deuter preferencyjnie migruje z wody do siarkowodoru. Odpowiedni układ cas-cade faktycznie prowadzi do wzbogacenia. W pierwszym etapie gaz jest wzbogacany od 0.,015% deuteru do 0,07%. Druga kolumna wzbogaca to do 0,35% , a trzecia kolumna osiąga wzbogacenie od 10% do 30% deuteru. Ten produkt jest wysyłany do jednostki destylacyjnej w celu wykończenia do 99,75% ciężkiej wody” reaktorowej”. Tylko około jednej piątej deuteru w wodzie zasilającej zakład staje się produktem ciężkiej wody. Produkcja jednego funta ciężkiej wody wymaga 340 000 funtów wody zasilającej.