tungt vatten är nyckeln till en typ av reaktor där plutonium kan odlas från naturligt uran. Som sådan har produktionen av tungt vatten alltid övervakats, och materialet är exportkontrollerat. Dessutom är en källa till deuterium avgörande för produktionen av tritium och 6LiD, två ingredienser av termonukleära vapen., En nation som söker stora mängder tungt vatten vill förmodligen använda materialet för att mildra en reaktor, och kan planera att producera plutonium. CANDU (CANadian Deuterium uran) reaktorer konstruerade och byggda i Kanada används dock för kommersiell elproduktion.
ddeuterium, 2H, en atom vars kärna innehåller en neutron, upptäcktes före neutronen själv. 1931 trodde de flesta forskare att de olika vikterna av isotoper berodde på extra protoner bundna till ” nukleära elektroner.,”Det året, vid Columbia University, Harold Urey hittade spektrala linjer av 2H i kommersiell vätgas och, genom Thanksgiving, identifierade den i några kubikcentimeter koncentrerad flytande väte. I februari 1932, i Cambridge, England, upptäckte James Chadwick neutronen-med sin kö från Irène och Frédéric Joliot-Curie, som hade observerat effekterna av neutroner men misstolkat dem.
Deuterium är fysiskt så annorlunda än vanligt väte (ungefär dubbelt så massivt, för en sak) att kemister ivrigt vände sin uppmärksamhet åt det., De undrade vilka skillnader deuterium i stället för vanligt väte kan göra i beteendet hos kemiska föreningar; vilka effekter på växter och djur av vatten med två deuteriumatomer per molekyl kan vara; och även vilken terapeutisk potential detta bokstavligen tunga vatten kan ha.
tungt vatten, D2O, är vatten där båda väteatomerna har ersatts med deuterium, isotopen av väte som innehåller en proton och en neutron. Den är närvarande naturligt i vatten, men i endast små mängder, mindre än 1 del i 5000., Tungt vatten är en av de två huvudmoderatorer som tillåter en kärnreaktor att arbeta med naturligt uran som dess bränsle. Den andra moderatorn är grafit av reaktorkvalitet (grafit som innehåller mindre än 5 ppm bor och med en densitet som överstiger 1.50 g/cm 3 ). Den första kärnreaktorn som byggdes 1942 använde grafit som moderator; tyska ansträngningar under andra världskriget koncentrerade sig på att använda tungt vatten för att moderera en reaktor med naturligt uran.,
vikten av tungt vatten för en nukleär spridare är att det ger ytterligare en väg för att producera plutonium för användning i vapen, helt kringgå urananrikning och all relaterad teknisk infrastruktur. Dessutom kan tunga vattenmodererade reaktorer användas för att göra tritium.
Deuterium förekommer naturligt i en koncentration av ca 0,015 procent i elementet väte. Denna naturligt förekommande isotop koncentrerades för att producera rent Deuterium i form av ”tungt vatten.”Tungt vatten användes som kylvätska och moderator i kärnmaterialproduktionsreaktorer., Tungt vatten kan göras med hjälp av vätesulfid – vatten kemisk utbyte, vattendestillation eller elektrolys.
- vätesulfid-vattenutbyte-i en blandning av vätesulfid (H2S) och vatten vid kemisk jämvikt är koncentrationen av deuterium i vatten större än koncentrationen i H2S. skillnaden i dessa koncentrationer beror på blandningens temperatur. I praktiken görs vatten-och vätesulfidgas för att flöda i motsatta riktningar vid två olika temperaturer. Deuterium överförs från gasen till vattnet i den kalla sektionen., Den utarmade gasen återcirkuleras till den heta sektionen, där deuterium överförs tillbaka till gasen från vattnet. Flera steg i denna process tillåter deuteriumberikningar på upp till 20-30%.
- fraktionerad destillation – vattenmolekyler innehållande deuteriumatomer förångas vid en högre temperatur än de utan deuterium, så kokpunkten för tungt vatten är något högre än för normalt vatten. Vattenånga över en blandning av normalt och tungt vatten kommer att vara något utarmat i deuterium som ett resultat, medan vätskan blir något berikad., Anrikning resulterar från successivt kokning av och avlägsnande av ånga som innehåller normalt väte.
- elektrolys – vatten som innehåller normalt väte skiljs lättare från väte-och syregaser med en elektrisk ström än vatten som innehåller deuterium. Detta gör att isotoperna kan separeras. Savannah River Site heavy water plant använde vätesulfid-vattenbytesprocessen för att delvis berika tungt vatten. Deuterium koncentrerades ytterligare genom fraktionerad destillation och sedan genom elektrolys., Moderatorns omarbetningsenhet vid SRS använde fraktionerad destillation för att åter berika reaktormoderatorn som hade blivit utarmad i deuterium.
Även om man talar om att” göra ” tungt vatten, görs deuterium inte i processen; snarare separeras molekyler av tungt vatten från den stora mängden vatten som består av H2O eller HDO (ensamt deuterat vatten) och ”dross” kasseras. Alternativt kan vattnet elektrolyseras för att göra syre och väte innehållande normal gas och deuterium. Vätet kan sedan kondenseras och destilleras för att separera de två arterna., Slutligen reageras det resulterande deuteriet med syre för att bilda tungt vatten. Inga nukleära transformationer uppstår.
produktion av tungt vatten i betydande mängder kräver en teknisk infrastruktur, men en som har likheter med ammoniakproduktion, alkoholdestillation och andra gemensamma industriprocesser. Man kan skilja tungt vatten direkt från naturligt vatten eller först ”berika” deuteriumhalten i vätgas. Det är möjligt att dra nytta av de olika kokpunkterna för tungt vatten (101.,4 ° C) och normalt vatten (100 °C) eller skillnaden i kokpunkter mellan Deuterium (-249,7 °C) och väte (-252,5 °C). På grund av deuteriums låga överflöd måste dock en enorm mängd vatten kokas för att få användbara mängder deuterium. På grund av den höga värmen av förångning av vatten skulle denna process använda enorma mängder bränsle eller el. Praktiska anläggningar som utnyttjar kemiska skillnader använder processer som kräver mycket mindre mängder energi., Separationsmetoder innefattar destillation av flytande väte och olika kemiska utbytesprocesser som utnyttjar deuteriums och vätes olika affiniteter för olika föreningar. Dessa inkluderar ammoniak / väte-systemet, som använder kaliumamid som katalysator och vätesulfid/vattensystemet (Girdler sulfid-processen).
Separationsfaktorer per steg är signifikant större för deuteriumanrikning än för urananrikning på grund av den större relativa massskillnaden. Detta kompenseras dock eftersom den totala anrikning som behövs är mycket större., Medan 235U är 0.72 procent av naturligt uran, och måste berikas till 90 procent av produkten, deuterium är bara.015 procent av väte i vatten och måste anrikas till mer än 99 procent. Om inmatningsströmmen har minst 5 procent tungt vatten, är vakuumdestillation ett föredraget sätt att skilja tungt från normalt vatten.
denna process är praktiskt taget identisk med den som används för att destillera brandy från vin., Den huvudsakliga synliga skillnaden är användningen av en fosforbronsförpackning som har behandlats kemiskt för att förbättra vätbarheten för destillationskolonnen snarare än en kopparförpackning. De flesta organiska vätskor är icke-polära och våta nästan vilken metall som helst, medan vatten, som är en mycket polär molekyl med hög ytspänning, väter väldigt få metaller. Processen fungerar bäst vid låga temperaturer där vattenflöden är små, så vätning av förpackningen i kolonnen är av särskild betydelse. Fosforbrons är en legering av koppar med .02-.05 procent bly .05-.15 procent järn .5-.11 procent tenn, och .01-.,35 procent fosfor.
tungt vatten produceras i Argentina, Kanada, Indien, Iran och Norge. Förmodligen kan alla fem deklarerade kärnvapenstater producera materialet. Den första kommersiella tunga vattenanläggningen var Norsk Hydro-anläggningen i Norge (byggd 1934, kapacitet 12 metriska ton per år); Detta är den anläggning som attackerades av de allierade för att neka tungt vatten till Tyskland. Den största anläggningen var Bruce Anläggning i Kanada (1979; 700 ton/år), men denna anläggning stängdes 1998. Indiens uppenbara kapacitet är mycket hög, men dess program har varit oroliga., Olyckor och driftstopp har lett till effektiva produktionsbegränsningar.
Bruce Tungt Vatten Anläggningen i Ontario, Kanada, var världens största producent av D2O. Det används Girdler Svavelväte (GS) process som innefattar en double cascade i varje steg. I den övre (”kall” 30-40 °C) sektionen migrerar Deuterium från vätesulfid företrädesvis i vatten. I den nedre (”heta” 120-140 °C) sektionen migrerar Deuterium företrädesvis från vatten till vätesulfid. En lämplig kaskad arrangemang faktiskt åstadkommer berikning. I det första steget anrikas gasen från 0.,015% deuterium 0,07%. Den andra kolumnen berikar detta till 0,35%, och den tredje kolumnen uppnår en anrikning mellan 10% och 30% deuterium. Denna produkt skickas till en destillationsenhet för efterbehandling till 99,75% ”reaktorkvalitet” tungt vatten. Endast ungefär en femtedel av deuterium iväxtmatningsvatten blir tung vattenprodukt. Produktionen av ett pund tungt vatten kräver 340.000 pounds av fodervatten.