توليد آب سنگين، مراحل و كاربردهاي آن

آب سنگين: تاريخچه
"هارولد يوري" (‪ (Harold Urey , 1893-1981‬شيميدان و از پيشتازان فعاليت روي ايزوتوپها كه در سال ‪ ۱۹۳۴‬جايزه نوبل در شيمي گرفت،در سال ‪۱۹۳۱‬ ميلادي "ايزوتوپ هيدروژن سنگين"را كه بعدها به منظور افزيش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، كشف كرد.

همچنين در سال ‪ "،۱۹۳۳‬گيلبرت نيوتن لوئيس"(‪(Gilbert Newton Lewis‬ شيميدان و فيزيكدان مشهور آمريكيي و استاد هارولد يوري،توانست براي اولين بار نمونه آب سنگين خالص را بوسيله عمل الكتروليز بوجود آورد.

اولين كاربرد علمي از آب سنگين در سال در سال ‪ ۱۹۳۴‬توسط دو بيولوژيست بنامهاي هوسي (‪ (Hevesy‬و هافر(‪ (Hoffer‬صورت گرفت.

آنها از آب سنگين براي آزمايش رديابي بيولوژيكي، به منظور تخمين ميزان بازدهي آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.


* آب سنگين : مفهوم و مراحل توليد
آب سنگين ( ‪ (D20‬نوع خاصي از مولكولهاي آب است كه در آن ايزوتوپهاي هيدروژن حضور دارند.

اين نوع از آب كليد اصلي تهيه پلوتونيوم از اورانيوم طبيعي است و به همين دليل توليد و تجارت آن تحت نظر قوانين بين‌المللي صورت گرفته و بشدت كنترل مي‌شود.

با كمك اين نوع از آب مي‌توان پلوتونيوم لازم بري سلاح هي اتمي را بدون نياز به غني‌سازي بالي اورانيوم تهيه كرد. از كاربردهاي ديگر اين آب مي توان به استفاده از آن در رآكتورهاي هسته‌اي با سوخت اورانيوم، بعنوان متعادل‌كننده (‪ (Moderator‬به جاي گرافيت و نيز عامل انتقال گرماي رآكتور نام برد.

آب سنگين واژه‌اي است كه معمولا به اكسيد هيدروژن سنگين،‪ D2O‬يا ‪ ۲H2O‬اطلاق مي شود.

هيدروژن سنگين يا دوتريوم (‪ (Deuterium‬ايزوتوپي پايدار از هيدروژن است كه به نسبت يك به ‪ ۶۴۰۰‬از اتمهاي هيدروژن درطبيعت وجود دارد.

خواص فيزيكي و شيميايي آن به نوعي مشابه با آب سبك ‪ H2O‬است.

اتم‌هاي دوتريوم ايزوتوپ‌هاي سنگيني هستند كه بر خلاف هيدروژن معمولي، هسته آنها شامل نوترون نيز هست.

جايگزيني هيدروژن با دوتريوم در مولكولهاي آب سطح انرژي پيوندهاي مولكولي را تغيير داده و طبيعتا" خواص متفاوت فيزيكي، شيمييي و بيولوژيكي را موجب مي شود، بطوري كه ين خواص را در كمتر اكسيد ايزوتوپي مي‌توان مشاهده كرد.

بعنوان مثال ويسكوزيته (‪ (Viscosity‬يا به زبان ساده‌تر چسبندگي آب سنگين به مراتب بيشتر از آب معمولي است.

آب سنگين آبي است كه در مقايسه با آب معمولي ديرتر مي‌جوشد و زودتر يخ مي زند و همانطور كه ذكر شد "گيلبرت نيوتن لوييس" نخستين بار نمونه آن را از آب سنگين خالص در سال ‪ ۱۹۳۳‬به دست آورد.

هيدروژن طبيعي داراي دو ايزوتوپ است:ايزوتوپ هيدروژن سبك كه تقريبا ‪ ۹۹/۹۸‬درصد هيدروژن موجود را تشكيل مي‌دهد و ايزوتوپ هيدروژن سنگين يا دوتريوم كه مقدار آن ‪۱۵‬درصد است.

ايزوتوپ دوتريوم برخلاف هيدروژن معمولي داراي يك نوترون است.آب معمولي از يك اتم اكسيژن و دو اتم هيدروژن تشكيل شده است،در حالي كه آب سنگين، از يك اتم اكسيژن و دو اتم دوتريوم(‪ (D‬تشكيل شده است.

براي توليد آب سنگين بايد مولكول‌هاي آب حاوي هيدروژن سنگين (دوتريوم) را از مولكول‌هاي آب معمولي جدا كنند يا از داخل هيدروژن ،اتم‌هاي هيدروژن سنگين يا دوتريوم را جدا و خالص كنند.

جرم مولكولي آب معمولي ‪ ۱۸‬و جرم مولكولي آب سنگين ‪ ۲۰‬است.

از لحاظ خواص شيميايي تفاوت چنداني با خواص آب معمولي نداشته و اختلافات جزئي وجود دارد اما از لحاظ هسته‌اي هيدروژن معمولي مي‌تواند نوترون را جذب كند ،اما احتمال جذب نوترون توسط هيدروژن سنگين بسيار كم است.

به دليل تفاوت مشخصات هسته‌اي دوتريوم با هيدروژن ازلحاظ "تكانه زاويه‌اي و گشتاور مغناطيسي "از آب سنگين و دوتريوم در زمينه‌هاي مختلف تحقيقاتي نيز استفاده مي‌شود.

به عنوان مثال رفتار آب سنگين در دستگاه‌هاي ‪ MRI‬با رفتار هيدروژن معمولي متفاوت است.

در فعاليت‌هاي تحقيقاتي به منظور بررسي برخي خواص از موادي استفاده مي كنند كه هيدروژن طبيعي را در آن با هيدروژن سنگين (دوتريوم) جايگزين كرده اند.

يكي از كاربردهاي دوتريوم استفاده در توليد نوترون در شتاب‌دهنده ها و توليد انرژي در "راكتورهاي گداخت" است.


* آب نيمه سنگين
چنانچه دراكسيد هيدروژن تنها يكي از اتمهاي هيدروژن به ايزوتوپ دوتريوم تبديل شود نتيجه حاصله (‪ (HDO‬را آب نيمه سنگين مي‌گويند.

در مواردي كه تركيب مساوي از هيدروژن و دوتريوم در تشكيل مولكوهاي آب حضور داشته باشند، آب نيمه سنگين تهيه مي‌شود.

دليل ين امر تبديل سريع اتم هي هيدروژن و دوتريوم بين مولكولهاي آب است، مولكول آبي كه از ‪ ۵۰‬درصد هيدروژن معمولي ( ‪ (H‬و ‪ ۵۰‬درصد هيدروژن سنگين(‪ (D‬تشكيل شده است، در موازنه شيميايي در حدود ‪ ۵۰‬درصد ‪ HDO‬و ‪۲۵‬ درصد آب (‪ (H2O‬و ‪ ۲۵‬درصد ‪ D2O‬خواهد داشت.

نكته قابل توجه آن است كه آب سنگين را نبايد با با آب سخت كه اغلب شامل املاح زياد است و يا يا آب تريتيوم (‪ (T2O or 3H2O‬كه از ايزوتوپ ديگر هيدروژن تشكيل شده است، اشتباه گرفت.

تريتيوم ايزوتوپ ديگري از هيدروژن است كه خاصيت راديواكتيو دارد و بيشتر براي ساخت موادي كه از خود نور منتشر مي‌كنند، بكار برده مي‌شود.


* آب با اكسيژن سنگين
آب با اكسيژن سنگين،در حالت معمول ‪ H218O‬است كه به صورت تجارتي در دسترس است ببيشتر براي رديابي بكار برده مي‌شود.

بعنوان مثال با جايگزين كردن اين آب (از طريق نوشيدن يا تزريق) در يكي از عضوهاي بدن مي‌توان در طول زمان ميزان تغيير در مقدار آب اين عضو را بررسي كرد.

اين نوع از آب به ندرت حاوي دوتريوم است و به همين علت خواص شيميايي و بيولوژيكي خاصي ندارد ،براي همين به آن آب سنگين گفته نمي‌شود.

ممكن است اكسيژن در آنها بصورت ايزوتوپهاي ‪ O17‬نيز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فيزيكي ين آب با آب معمولي تنها چگالي بيشتر آن است.

آب سنگین یكی از مواد اصلی در راه اندازی راكتورهای تولید انرژی و تحقیقاتی موسوم به راكتورهای آب سنگین به شمار می‌رود.راكتورهای آب سنگین نیازی به اورانیوم غنی شده ندارد و از اكسید اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می كند.
این فرایند, نیاز به اورانیوم غنی شده را مرتفع می كند اما طراحی این راكتورها پیچیده و تولید آب سنگین نیز هزینه بر است.بر اساس این گزارش آب سنگین از جدا سازی نوعی از مولكول های آب با غلظت ۱ در هر ۷۰۰۰ مولكول به دست می آید كه هیدروژن آن یك نوترون بیشتر از هیدروژن عادی دارد .
این نوترون اضافه موجب می شود تا عمل كند كنندگی نوترون های پر سرعت به اندازه ای برسد كه واكنش های زنجیره ای تولید انرژی از میله های سوخت آغاز شود در حالی كه در راكتورهای قدرت آب سبك , اورانیوم غنی شده درحد سه و نیم درصد و بیش از آن برای انجام واكنش مورد نیاز است.
در راكتورهای آب سنگین , این ماده وظیفه خنك كردن میله های سوخت , همزمان با كند كردن نوترون‌های پر انرژی را به عهده دارد.با نزدیك شدن راكتور تحقیقاتی تهران , كه حدود چهل سال پیش و با قدرت ۵ مگاوات راه اندازی شده است , به پایان عمر كاری خودو نیاز روز افزون كشور به انواع رادیو ایزوتوپ های صنعتی و همچنین رادیو داروها , راكتور تحقیقاتی آب سنگین اراك با قدرت ۴۰ مگاوات طراحی و مكان آن در نزدیكی شهر خنداب در شمال غربی شهرستان اراك تعیین شد.
از آنجا كه این راكتور در زمان راه اندازی به مقدار زیادی آب سنگین نیازدارد مجتمع آب سنگین اراك همزمان با پی گیری ساخت ساختمان و راكتور آماده شد و به بهره برداری رسید تا بتواند نیاز راكتور را در زمان راه‌اندازی فراهم كند.ساخت این تاسیسات همچنین موجب آموزش متخصصان و آشنایی شركت های داخلی با استاندارهای هسته ای می شود و می تواند راه را برای ساخت نیروگاه های قدرت آب سنگین در آینده فراهم كند.


همین .. :blink: