یکشنبه 3 تیر 1397 | به روز شده: 32 دقیقه قبل

HAMSHAHRIONLINE

The online version of the Iranian daily Hamshahri
ISSN 1735-6393
یکشنبه 5 شهریور 1385 - 11:45:57 | کد مطلب: 2931 چاپ

مفاهیم: آب سنگین چیست؟

دانش > دانش - همشهری آنلاین:
آب سنگین نوع خاصی از مولکول‌های آب است که در آن ایزوتوپ‌های هیدروژن وجود دارد. این نوع از آب کلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی‌است و به همین علت تولید و تجارت آن با نظر قوانین بین‌المللی انجام و به شدت کنترل می‌شود.

با کمک این نوع آب می‌توان پلوتونیوم لازم را برای سلاح‌های اتمی بدون نیاز به غنی‌سازی بالای اورانیوم تهیه کرد.

از کاربردهای دیگر این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیوم، به عنوان متعادل‌کننده (Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمای رآکتور نام برد.

آب سنگین واژه‌ای‌است که معمولاً به اکسید هیدروژن سنگین D2O یا 2H2O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium) ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به 6400 از اتم‌های هیدروژن در طبیعت وجود دارد و خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه آب سبک H2O است.

اتم‌های دوتریوم ایزوتوپ‌های سنگینی هستند که برخلاف هیدروژن معمولی، هسته آنها شامل نوترون نیز هست. جانشینی هیدروژن با دوتریوم در مولکول‌های آب، سطح انرژی پیوندهای مولکولی را تغییر می‌دهد و به‌طور طبیعی خواص متفاوت فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی را موجب می‌شود، به‌طوری که این خواص را در کمتر اکسید ایزوتوپی می‌توان مشاهده کرد.

برای مثال، ویسکوزیته (Viscosity) یا به زبان ساده‌تر چسبندگی آب سنگین به مراتب بیش از آب معمولی است.

آب نیمه سنگین چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتم‌های هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه (HDO) را آب نیمه سنگین می‌گویند.

در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکول‌های آب وجود داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می‌شود، علت این کار تبدیل سریع اتم‌های هیدروژن و دوتریوم بین مولکول‌های آب است.

مولکول آبی که از 50 درصد هیدروژن معمولی (H) و 50 درصد هیدروژن سنگین(D) تشکیل شده‌است، در موازنه شیمیایی حدود 50 درصد HDO و 25 درصد آب (H2O) و 25 درصد D2O خواهد داشت.

نکته مهم آن است که آب سنگین را نباید با با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم (T2O or 3H2O) که از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت.

تریتیوم، ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی به کار برده می‌شود که از خود نور منتشر می‌کنند.

آب با اکسیژن سنگین

آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول H218O است که به صورت تجارتی در دسترس است و بیشتر برای ردیابی به کار برده می‌شود. برای مثال، با جانشین کردن این آب (با نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضوهای بدن می‌توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی کرد.

این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیکی خاصی ندارد برای همین، به آن آب سنگین گفته نمی‌شود. ممکن است اکسیژن در آنها به صورت ایزوتوپ‌های O17 نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی این آب با آب معمولی، فقط چگالی بیشتر آن است.

تاریخچه

هارولد یوری (Harold Urey , 1893-1981) شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپ‌ها که در سال 1934 جایزه نوبل در شیمی گرفت، در سال 1931 ایزوتوپ هیدروژن سنگین را که بعدها به منظور افزایش غلظت آب استفاده می‌شد، کشف کرد.

همچنین سال 1933 گیلبرت نیوتن لوییس (Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی) استاد هارولد یوری، توانست نخستین بار نمونه آب سنگین خالص را با عمل الکترولیز بوجود آورد.

نخستین کاربرد علمی از آب سنگین را دو بیولوژیست به نام‌های هوسی (Hevesy) و هافر(Hoffer) در سال 1934 انجام دادند.

آنها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، استفاده کردند.

رآکتورهای آب سنگین

رآکتورهای آب سنگین نیازی به اورانیوم غنی شده ندارند و از اکسید اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند.

این فرایند، نیاز به اورانیوم غنی شده را مرتفع می‌کند اما طراحی این رآکتورها پیچیده و تولید آب سنگین نیز هزینه‌بر است.

آب سنگین از جداسازی نوعی از مولکول‌های آب با غلظت 1 در هر 7000 مولکول به دست می‌آید که هیدروژن آن یک نوترون بیشتر از هیدروژن عادی دارد.

این نوترون اضافه موجب می‌شود تا عمل کندکنندگی نوترون‌های پر سرعت به اندازه‌ای برسد که واکنش‌های زنجیره‌ای تولید انرژی از میله‌های سوخت آغاز شود در حالی که در رآکتورهای قدرت آب سبک، اورانیوم غنی شده درحد 3.5 درصد و بیش از آن برای انجام واکنش مورد نیاز است.

در رآکتورهای آب سنگین، این ماده وظیفه خنک کردن میله‌های سوخت، همزمان با کند کردن نوترون‌های پر انرژی را به عهده دارد.

رآکتور تحقیقاتی آب سنگین اراک

با نزدیک شدن رآکتور تحقیقاتی تهران (که حدود چهل سال پیش و با قدرت 5 مگاوات راه‌اندازی شده‌است) به پایان عمر کاری خودو نیاز روز افزون کشور به انواع رادیو ایزوتوپ‌های صنعتی و همچنین رادیو داروها، رآکتور تحقیقاتی آب سنگین اراک با قدرت 40 مگاوات طراحی و مکان آن در نزدیکی شهر خنداب در شمال غربی شهرستان اراک تعیین شد.

از آنجا که این رآکتور در زمان راه‌اندازی به مقدار زیادی آب سنگین نیازدارد مجتمع آب سنگین اراک همزمان با پی‌گیری ساخت ساختمان و رآکتور آماده شد و به بهره‌برداری رسید تا بتواند نیاز رآکتور را در زمان راه‌اندازی فراهم کند.

ساخت این تأسیسات همچنین موجب آموزش متخصصان و آشنایی شرکت‌های داخلی با استاندارهای هسته‌ای می‌شود و می‌تواند راه را برای ساخت نیروگاه‌های قدرت آب سنگین در آینده فراهم کند.

منبع: واحد مرکزی خبر