توليد آب سنگين , مراحل و كاربردهاي آن

تاريخچه
"هارولد يوري" (u202a (Harold Urey , 1893-1981u202cشيميدان و از پيشتازان فعاليت روي ايزوتوپها كه در سال u202a ۱۹۳۴u202cجايزه نوبل در شيمي گرفت،در سال u202a۱۹۳۱u202c ميلادي "ايزوتوپ هيدروژن سنگين"را كه بعدها به منظور افزيش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، كشف كرد.

همچنين در سال u202a "،۱۹۳۳u202cگيلبرت نيوتن لوئيس"(u202a(Gilbert Newton Lewisu202c 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 u202a ۱۹۳۴u202cتوسط دو بيولوژيست بنامهاي هوسي (u202a (Hevesyu202cو هافر(u202a (Hofferu202cصورت 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 ( u202a (D20u202cنوع 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 (u202a (Moderatoru202cبه جاي گرافيت و نيز عامل انتقال گرماي رآكتور نام برد.

آب سنگين واژهاي است كه معمولا به اكسيد هيدروژن سنگين،u202a D2Ou202cيا u202a ۲H2Ou202cاطلاق مي شود.

هيدروژن سنگين يا دوتريوم (u202a (Deuteriumu202cايزوتوپي پايدار از هيدروژن است كه به نسبت يك به u202a ۶۴۰۰u202cاز اتمهاي هيدروژن درطبيعت وجود دارد.

خواص فيزيكي و شيميايي آن به نوعي مشابه با آب سبك u202a H2Ou202cاست.

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 (u202a (Viscosityu202cيا 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 u202a ۱۹۳۳u202cبه دست آورد.

هيدروژن طبيعي داراي دو ايزوتوپ است:ايزوتوپ هيدروژن سبك كه تقريبا u202a ۹۹/۹۸u202cدرصد هيدروژن موجود را تشكيل ميدهد و ايزوتوپ هيدروژن سنگين يا دوتريوم كه مقدار آن u202a۱۵u202cدرصد 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(u202a (Du202cتشكيل 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 u202a ۱۸u202cو جرم مولكولي آب سنگين u202a ۲۰u202cاست.

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 u202a MRIu202cبا 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 (u202a (HDOu202cرا 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 u202a ۵۰u202cدرصد هيدروژن معمولي ( u202a (Hu202cو u202a ۵۰u202cدرصد هيدروژن سنگين(u202a (Du202cتشكيل شده است، در موازنه شيميايي در حدود u202a ۵۰u202cدرصد u202a HDOu202cو u202a۲۵u202c درصد آب (u202a (H2Ou202cو u202a ۲۵u202cدرصد u202a D2Ou202cخواهد 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 (u202a (T2O or 3H2Ou202cكه 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.


* توليد آب سنگين
آب با اكسيژن سنگين،در حالت معمول u202a H218Ou202cاست 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 u202a O17u202cنيز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فيزيكي ين آب با آب معمولي تنها چگالي بيشتر آن است.