Tungt vatten

Ej att förväxla med hårt vatten eller tritierat vatten .

Tungt vatten
Spacefill model of heavy water
Heavy water.svg
Namn
IUPAC namn
( 2H2 ) Vatten _
Andra namn
  • Deuteriumoxid
  • Vatten- d 2
  • Dideuteriummonoxid
Identifierare
3D-modell ( JSmol )
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.226 Edit this at Wikidata
EG-nummer
  • 232-148-9
97
KEGG
Maska Deuterium+oxid
RTECS-nummer
  • ZC0230000
UNII
  • InChI=1S/H2O/h1H2/i/  ☒ hD2N
    Nyckel: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N  ☒ N
  • [2H]O[2H]
Egenskaper
D
2 O
Molar massa 20,0276 g mol -1
Utseende Färglös vätska
Odör Luktfri
Densitet 1,107 g ml -1
Smältpunkt 3,82°C; 38,88 °F; 276,97 K
Kokpunkt 101,4 °C (214,5 °F; 374,5 K)
Blandbar
log P −1,38
1,328
Viskositet 1,25 mPa s (vid 20 °C)
1,87 D
Faror
NFPA 704 (branddiamant)
1
0
0
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒  N ( vad är check☒ Y N ?)

Tungt vatten ( deuteriumoxid , 2
H
2 O , D
2 O ) är en form av vatten som endast innehåller deuterium ( 2
H eller D , även känd som tungt väte ) snarare än den vanliga väte-1 isotopen ( 1
H eller H, även kallat protium ) som utgör det mesta av vätet i vanligt vatten. Närvaron av den tyngre väteisotopen ger vattnet olika kärnegenskaper, och ökningen i massa ger det något annorlunda fysikaliska och kemiska egenskaper jämfört med normalt vatten.

Sammansättning

Deuterium är en väteisotop med en kärna som innehåller en neutron och en proton ; kärnan i en protiumatom (normalt väte) består av bara en proton. Den extra neutronen gör en deuteriumatom ungefär dubbelt så tung som en protiumatom .

En tungvattenmolekyl har två deuteriumatomer i stället för de två protiumatomerna i vanligt "lätt" vatten. Termen tungt vatten som definieras av IUPAC Gold Book kan också hänvisa till vatten där en högre andel väteatomer än vanligt är deuterium snarare än protium. Som jämförelse vanligt vatten (det "vanliga vattnet" som används för en deuteriumstandard) endast cirka 156 deuteriumatomer per miljon väteatomer, vilket betyder att 0,0156% av väteatomerna är av den tunga typen. Sålunda inkluderar tungt vatten enligt definitionen av guldboken väte-deuteriumoxid (HDO) och andra blandningar av D
2 O , H
2 O och HDO i vilka andelen deuterium är större än vanligt. Till exempel är det tunga vattnet som används i CANDU-reaktorer en högt berikad vattenblandning som innehåller mestadels deuteriumoxid D
2 O , men också en del väte-deuteriumoxid och en mindre mängd vanlig väteoxid H
2 O . Den är till 99,75 % berikad av väteatomfraktion – vilket betyder att 99,75 % av väteatomerna är av den tunga typen; tungt vatten i Guldbokens mening behöver dock inte vara så starkt berikat. Vikten hos en tungvattenmolekyl skiljer sig emellertid inte väsentligt från den hos en normal vattenmolekyl, eftersom cirka 89 % av vattnets molekylvikt kommer från den enda syreatomen snarare än de två väteatomerna.

Tungt vatten är inte radioaktivt . I sin rena form har den en densitet som är cirka 11 % större än vatten, men är i övrigt fysiskt och kemiskt lik. Ändå är de olika skillnaderna i deuteriumhaltigt vatten (särskilt som påverkar de biologiska egenskaperna) större än i någon annan vanligt förekommande isotopsubstituerad förening eftersom deuterium är unikt bland tunga stabila isotoper genom att vara dubbelt så tungt som den lättaste isotopen. Denna skillnad ökar styrkan på vattnets väte-syrebindningar, och detta är i sin tur tillräckligt för att orsaka skillnader som är viktiga för vissa biokemiska reaktioner. Människokroppen innehåller naturligt deuterium motsvarande cirka fem gram tungt vatten, vilket är ofarligt. När en stor del vatten (> 50%) i högre organismer ersätts med tungt vatten, blir resultatet celldysfunktion och död.

Tungvatten producerades först 1932, några månader efter upptäckten av deuterium. Med upptäckten av kärnklyvning i slutet av 1938, och behovet av en neutronmoderator som fångade få neutroner, blev tungt vatten en del av tidig kärnenergiforskning . Sedan dess har tungt vatten varit en väsentlig komponent i vissa typer av reaktorer, både de som genererar kraft och de som är utformade för att producera isotoper för kärnvapen. Dessa tungvattenreaktorer har fördelen att de kan drivas på naturligt uran utan att använda grafitmoderatorer som utgör radiologiska och dammexplosionsrisker i avvecklingsfasen. Den grafitmodererade sovjetiska RBMK -designen försökte undvika att använda antingen anrikat uran eller tungt vatten (att kylas med vanligt "lätt" vatten istället) vilket gav den positiva tomrumskoefficienten som var en av en rad brister i reaktordesignen som ledde till Tjernobyl-katastrofen . De flesta moderna reaktorer använder anrikat uran med vanligt vatten som moderator.

Andra tunga former av vatten

Halvtungt vatten

Struktur av halvtungt vatten

Semitungt vatten , HDO, finns närhelst det finns vatten med lätt väte (protium, 1
H ) och deuterium (D eller 2
H ) i blandningen. Detta beror på att väteatomer (väte-1 och deuterium) snabbt utbyts mellan vattenmolekyler. Vatten som innehåller 50 % H och 50 % D i sitt väte innehåller faktiskt cirka 50 % HDO och 25 % vardera av H
2 O och D
2 O , i dynamisk jämvikt . I normalt vatten är cirka 1 molekyl av 3 200 HDO (ett väte på 6 400 är i form av D), och tungvattenmolekyler ( D
2 O ) förekommer endast i en andel av cirka 1 molekyl på 41 miljoner (dvs. en av 6 400) 2 ). Således är halvtunga vattenmolekyler mycket vanligare än "rena" (homoisotopiska) tunga vattenmolekyler.

Tungt syrevatten

Vatten berikat med de tyngre syreisotoperna 17
O och 18
O finns också kommersiellt tillgängligt. Det är "tungt vatten" eftersom det är tätare än normalt vatten ( H
2 18
O är ungefär lika tät som D
2 O , H
2 17
O är ungefär halvvägs mellan H
2 O och D
2 O ) - men kallas sällan tungt vatten , eftersom det inte innehåller det deuterium som ger D 2 O dess ovanliga nukleära och biologiska egenskaper. Det är dyrare än D 2 O på grund av den svårare separationen av 17 O och 18 O. H 2 18 O används också för produktion av fluor-18 för radiofarmaka och radiospårämnen och för positronemissionstomografi . Små mängder av 17
O och 18
O finns naturligt i vatten och de flesta processer som berikar tungt vatten berikar också de tyngre isotoper av syre som en bieffekt. 17O
Detta är inte önskvärt om tungvattnet ska användas som neutronmoderator i kärnreaktorer, eftersom kan genomgå neutronfångning, följt av utsläpp av en alfapartikel , som producerar radioaktiv 14C
. Dubbelmärkt vatten , innehållande både tungt syre och tungt väte, är emellertid användbart som ett icke-radioaktivt isotopiskt spårämne.

Jämfört med den isotopiska förändringen av väteatomer har den isotopiska förändringen av syre en mindre effekt på de fysikaliska egenskaperna.

Tritierat vatten

Tritiumbehandlat vatten innehåller tritium ( 3 H) i stället för protium ( 1 H) eller deuterium ( 2 H), och eftersom tritium i sig är radioaktivt, är tritierat vatten också radioaktivt.

Fysikaliska egenskaper

Fysikaliska egenskaper hos isotopologer av vatten
Fast egendom D 2 O (Tungt vatten) HDO (semitungt vatten) H 2 O (Lätt vatten)

Smältpunkt ( standardtryck ) 		3,82 °C (38,88 °F; 276,97 K) 2,04 °C (35,67 °F; 275,19 K) 0,0 °C (32,0 °F; 273,1 K)
Kokpunkt 101,4 °C (214,5 °F; 374,5 K) 100,7 °C (213,3 °F; 373,8 K) 100,0 °C (212,0 °F; 373,1 K)
Densitet vid STP (g/ ml ) 1,1056 1,054 0,9982
Temp. av maximal densitet 11,6 °C Ej verifierad 3,98 °C
Dynamisk viskositet (vid 20 °C, mPa · s ) 1,2467 1,1248 1,0016
Ytspänning (vid 25 °C, N / m ) 0,07187 0,07193 0,07198
Smältvärme ( kJ / mol ) 6,132 6,227 6,00678
Förångningsvärme (kJ/mol) 41,521 Ej verifierad 40,657
pH (vid 25 °C) 7,44 ("pD") 7,266 ("pHD") 7,0
p Kb ) (vid 25 °C 7,44 ("p K b D 2 O") Ej verifierad 7,0
Brytningsindex (vid 20 °C, 0,5893 μm ) 1,32844 Ej verifierad 1,33335

   De fysikaliska egenskaperna hos vatten och tungt vatten skiljer sig åt i flera avseenden. Tungt vatten är mindre dissocierat än lätt vatten vid given temperatur, och den verkliga koncentrationen av D + -joner är mindre än H + -joner skulle vara för ett lättvattenprov vid samma temperatur. Detsamma gäller OD − kontra OH − joner. För tungt vatten Kw D 2 O (25,0 °C) = 1,35 × 10 −15 , och [D + ] måste vara lika med [OD − ] för neutralt vatten. Således är pKw D2O = p[OD - ] + p[D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 °C), och p[D + ] för neutralt tungt vatten vid 25,0 °C är 7,44.

pD för tungt vatten mäts vanligtvis med hjälp av pH-elektroder som ger ett pH-värde (skenbart) eller pHa, och vid olika temperaturer kan ett riktigt surt pD uppskattas från den direkt pH-mätare uppmätta pHa, så att pD+ = pHa (uppenbar avläsning från pH-mätare) + 0,41. Elektrodkorrigeringen för alkaliska förhållanden är 0,456 för tungt vatten. Den alkaliska korrigeringen är då pD+ = pH a (synbar avläsning från pH-mätaren) + 0,456. Dessa korrigeringar skiljer sig något från skillnaderna i p[D+] och p[OD-] på 0,44 från motsvarande i tungt vatten.

Tungvatten är 10,6 % tätare än vanligt vatten och tungt vattens fysiskt olika egenskaper kan ses utan utrustning om ett fruset prov tappas i vanligt vatten, eftersom det kommer att sjunka. Om vattnet är iskallt kan den högre smälttemperaturen för tung is också observeras: den smälter vid 3,7 °C och smälter alltså inte i iskallt normalt vatten.

Ett experiment från 1935 rapporterade inte den "minsta skillnaden" i smak mellan vanligt och tungt vatten. En studie har kommit fram till att tungt vatten smakar "distinkt sötare" för människor och förmedlas av TAS1R2 / TAS1R3 smakreceptorn. Råttor som fick välja mellan destillerat normalt vatten och tungt vatten kunde undvika det tunga vattnet baserat på lukt, och det kan ha en annan smak. Vissa människor rapporterar att mineraler i vatten påverkar smaken, t.ex. kalium ger en söt smak till hårt vatten, men det finns många faktorer för en upplevd smak i vatten förutom mineralinnehåll.

Tungt vatten saknar ljusvattens karakteristiska blå färg ; detta beror på att de molekylära vibrationsövertonerna , som i lätt vatten orsakar svag absorption i den röda delen av det synliga spektrumet, förskjuts in i det infraröda och därför absorberar tungt vatten inte rött ljus.

Inga fysikaliska egenskaper anges för "rent" halvtungt vatten, eftersom det är instabilt som bulkvätska. I flytande tillstånd är ett fåtal vattenmolekyler alltid i joniserat tillstånd , vilket innebär att väteatomerna kan utbyta mellan olika syreatomer. Halvtungt vatten skulle i teorin kunna skapas via en kemisk metod, [ ytterligare förklaring behövs ] men det skulle snabbt omvandlas till en dynamisk blandning av 25 % lätt vatten, 25 % tungt vatten och 50 % halvtungt vatten. Men om det gjordes i gasfas och direkt avsattes i ett fast, halvtungt vatten i form av is skulle det kunna vara stabilt. Detta beror på att kollisioner mellan vattenångamolekyler är nästan helt försumbara i gasfasen vid standardtemperaturer, och när de väl har kristalliserats upphör kollisioner mellan molekylerna helt och hållet på grund av den stela gitterstrukturen hos fast is. [ citat behövs ]

Historia

Den amerikanske vetenskapsmannen och nobelpristagaren Harold Urey upptäckte isotopen deuterium 1931 och kunde senare koncentrera den i vatten. Ureys mentor Gilbert Newton Lewis isolerade det första provet av rent tungt vatten genom elektrolys 1933. George de Hevesy och Erich Hofer använde tungt vatten 1934 i ett av de första biologiska spårexperimenten, för att uppskatta omsättningshastigheten för vatten i människokroppen . Historien om stora mängder produktion och användning av tungt vatten, i tidiga kärntekniska experiment, beskrivs nedan.

Emilian Bratu och Otto Redlich studerade autodissociation av tungt vatten 1934.

Effekt på biologiska system

Olika isotoper av kemiska grundämnen har lite olika kemiska beteenden, men för de flesta grundämnen är skillnaderna alldeles för små för att ha en biologisk effekt. När det gäller väte uppstår större skillnader i kemiska egenskaper mellan protium (lätt väte), deuterium och tritium , eftersom kemisk bindningsenergi beror på den reducerade massan av kärnan-elektronsystemet; detta förändras i tunga väteföreningar (väte-deuteriumoxid är den vanligaste arten) mer än för tung-isotopsubstitution som involverar andra kemiska element. Isotopeffekterna är särskilt relevanta i biologiska system, som är mycket känsliga för även de mindre förändringarna, på grund av isotopiskt påverkade egenskaper hos vatten när det fungerar som lösningsmedel.

Tungt vatten påverkar perioden med cirkadiska svängningar och ökar konsekvent längden på varje cykel. Effekten har visats i encelliga organismer, gröna växter, isopoder, insekter, fåglar, möss och hamstrar. Mekanismen är okänd.

För att utföra sina uppgifter förlitar sig enzymer på sina finjusterade nätverk av vätebindningar , både i det aktiva centret med sina substrat, och utanför det aktiva centret, för att stabilisera sina tertiära strukturer . Eftersom en vätebindning med deuterium är något starkare än en som involverar vanligt väte, i en mycket deutererad miljö, störs vissa normala reaktioner i celler.

Särskilt hårt drabbade av tungt vatten är de känsliga sammansättningarna av mitotiska spindelformationer som är nödvändiga för celldelning i eukaryoter . Växter slutar växa och frön gror inte när de bara får tungt vatten, eftersom tungt vatten stoppar eukaryot celldelning. Deuteriumcellen är större och är en modifiering av delningsriktningen. Cellmembranet förändras också, och det reagerar först på inverkan av tungt vatten. 1972 visades det att en ökning av den procentuella halten deuterium i vatten minskar växttillväxten. Forskning utförd på tillväxten av prokaryota mikroorganismer under artificiella förhållanden i en tung vätemiljö visade att i denna miljö kunde alla väteatomer i vattnet ersättas med deuterium. Experiment visade att bakterier kan leva i 98% tungt vatten. Koncentrationer över 50 % är dödliga för flercelliga organismer, men några få undantag är kända såsom växelgräs ( Panicum virgatum ) som kan växa på 50 % D 2 O; växten Arabidopsis thaliana (70 % D2O ) ; växten Vesicularia dubyana (85 % D2O ) ; växten Funaria hygrometrica (90 % D2O ) ; och den anhydrobiotiska arten av nematoden Panagrolaimus superbus (nästan 100 % D2O ) . En omfattande studie av tungt vatten på fissionsjästen Schizosaccharomyces pombe visade att cellerna uppvisade en förändrad glukosmetabolism och långsam tillväxt vid höga koncentrationer av tungt vatten. Dessutom aktiverade cellerna värmechockresponsvägen och cellintegritetsvägen, och mutanter i cellintegritetsvägen visade ökad tolerans mot tungt vatten.

Effekt på djur

Experiment med möss, råttor och hundar har visat att en grad av 25% deuteration orsakar (ibland irreversibel) sterilitet, eftersom varken könsceller eller zygoter kan utvecklas. Höga koncentrationer av tungt vatten (90%) dödar snabbt fiskar , grodyngel , plattmaskar och Drosophila . Det enda kända undantaget är den anhydrobiotiska nematoden Panagrolaimus superbus , som kan överleva och föröka sig i 99,9 % D 2 O. Däggdjur (till exempel råttor ) som får tungt vatten att dricka dör efter en vecka, vid en tidpunkt då deras kroppsvatten närmar sig ca 50% deuteration. Dödssättet verkar vara detsamma som vid cellgiftsförgiftning (som kemoterapi ) eller vid akut strålningssyndrom (även om deuterium inte är radioaktivt), och beror på deuteriums verkan för att allmänt hämma celldelning. Det är mer giftigt för maligna celler än normala celler, men de koncentrationer som behövs är för höga för regelbunden användning. Som kan förekomma vid kemoterapi dör deuteriumförgiftade däggdjur av benmärgssvikt (som ger blödningar och infektioner) och av tarmbarriärfunktioner (som ger diarré och vätskeförlust ).

Trots växters och djurs problem med att leva med för mycket deuterium, kan prokaryota organismer som bakterier, som inte har de mitotiska problem som induceras av deuterium, odlas och förökas under helt deutererade förhållanden, vilket resulterar i ersättning av alla väteatomer i bakterieproteiner och DNA med deuteriumisotopen.

I högre organismer kan full ersättning med tunga isotoper åstadkommas med andra icke-radioaktiva tunga isotoper (som kol-13, kväve-15 och syre-18), men detta kan inte göras för deuterium. Detta är en följd av förhållandet mellan kärnmassor mellan väteisotoperna, som är mycket större än för något annat grundämne.

Deuteriumoxid används för att förbättra borneutroninfångningsterapin , men denna effekt beror inte på de biologiska eller kemiska effekterna av deuterium, utan istället på deuteriums förmåga att moderera (långsamma) neutroner utan att fånga dem.

Nya experimentella bevis tyder på att systemisk administrering av deuteriumoxid (30% dricksvattentillskott) undertrycker tumörtillväxt i en standardmusmodell av humant melanom , en effekt som tillskrivs selektiv induktion av cellulär stresssignalering och genuttryck i tumörceller.

Toxicitet hos människor

Eftersom det skulle krävas en mycket stor mängd tungt vatten för att ersätta 25 % till 50 % av en människas kroppsvatten (vatten är i sin tur 50–75 % av kroppsvikten) med tungt vatten, är oavsiktlig eller avsiktlig förgiftning med tungt vatten osannolikt till den grad av praktisk ignorering. Förgiftning skulle kräva att offret får i sig stora mängder tungt vatten utan betydande normalt vattenintag under många dagar för att ge några märkbara toxiska effekter.

Orala doser av tungt vatten i intervallet flera gram, såväl som tungt syre 18 O, används rutinmässigt i mänskliga metaboliska experiment. (Se dubbelmärkt vattentestning .) Eftersom en av ungefär var 6 400 väteatom är deuterium, skulle en 50-kilogram (110 lb) människa som innehåller 32 kg (71 lb) kroppsvatten normalt innehålla tillräckligt med deuterium (cirka 1,1 gram eller 0,039 ounces) ) för att göra 5,5 gram (0,19 oz) rent tungt vatten, så ungefär den här dosen krävs för att fördubbla mängden deuterium i kroppen.

Ett blodtrycksfall kan delvis förklara den rapporterade förekomsten av yrsel vid intag av tungt vatten. Det är dock mer troligt att detta symptom kan tillskrivas förändrad vestibulär funktion .

Kontamination av tungvattenstrålning förvirring

Även om många människor förknippar tungt vatten främst med dess användning i kärnreaktorer, är rent tungt vatten inte radioaktivt. Tungvatten av kommersiell kvalitet är något radioaktivt på grund av närvaron av små spår av naturligt tritium , men detsamma gäller för vanligt vatten. Tungt vatten som har använts som kylvätska i kärnkraftverk innehåller betydligt mer tritium som ett resultat av neutronbombardement av deuteriumet i tungvattnet ( tritium är en hälsorisk vid intag i stora mängder).

År 1990 fick en missnöjd anställd vid Point Lepreau Nuclear Generating Station i Kanada ett prov (uppskattat som ungefär en "halv kopp") av tungt vatten från kärnreaktorns primära värmetransportslinga och laddade det i en dryckesautomat för kafeteria. . Åtta anställda drack en del av det förorenade vattnet. Händelsen upptäcktes när anställda började lämna bioassay- urinprover med förhöjda tritiumnivåer . Mängden tungt vatten var långt under nivåer som kunde inducera tungvattentoxicitet, men flera anställda fick förhöjda stråldoser från tritium och neutronaktiverade kemikalier i vattnet. Detta var inte en incident av tungvattenförgiftning, utan snarare strålförgiftning från andra isotoper i tungvattnet.

Vissa nyhetstjänster var inte noga med att särskilja dessa punkter, och en del av allmänheten lämnades med intrycket att tungt vatten normalt är radioaktivt och mer allvarligt giftigt än det faktiskt är. Även om rent tungt vatten hade använts i vattenkylaren på obestämd tid, är det inte troligt att incidenten skulle ha upptäckts eller orsakat skada, eftersom ingen anställd skulle förväntas få mycket mer än 25 % av sitt dagliga dricksvatten från en sådan källa .

Produktion

På jorden förekommer deutererat vatten, HDO, naturligt i normalt vatten i en andel av cirka 1 molekyl på 3 200. Det betyder att 1 av 6 400 väteatomer är deuterium, vilket är 1 del av 3 200 i vikt (vätevikt). HDO kan separeras från normalt vatten genom destillation eller elektrolys och även genom olika kemiska utbytesprocesser, som alla utnyttjar en kinetisk isotopeffekt . Med den partiella anrikningen som även förekommer i naturliga vattendrag under speciella avdunstningsförhållanden. (För mer information om isotopfördelningen av deuterium i vatten, se Vienna Standard Mean Ocean Water . ) I teorin skulle deuterium för tungt vatten kunna skapas i en kärnreaktor, men separation från vanligt vatten är den billigaste bulkproduktionsprocessen.

Skillnaden i massa mellan de två väteisotoperna översätts till en skillnad i nollpunktsenergin och därmed till en liten skillnad i reaktionshastigheten. När HDO väl blir en betydande del av vattnet, blir tungt vatten mer utbrett eftersom vattenmolekyler handlar mycket ofta med väteatomer. Produktion av rent tungt vatten genom destillation eller elektrolys kräver en stor kaskad av destillations- eller elektrolyskammare och förbrukar stora mängder ström, så de kemiska metoderna är i allmänhet att föredra.

Den mest kostnadseffektiva processen för att producera tungt vatten är sulfidprocessen med dubbla temperaturer (känd som Girdler-sulfidprocessen ) som utvecklades parallellt av Karl-Hermann Geib och Jerome S. Spevack 1943.

En alternativ process, patenterad av Graham M. Keyser, använder lasrar för att selektivt dissociera deutererade fluorkolväten för att bilda deuteriumfluorid, som sedan kan separeras med fysiska medel. Även om energiförbrukningen för denna process är mycket mindre än för Girdler-sulfidprocessen, är denna metod för närvarande oekonomisk på grund av kostnaden för att skaffa de nödvändiga fluorkolvätena.

Som nämnts kallas modernt kommersiellt tungt vatten nästan allmänt till och säljs som deuteriumoxid. Det säljs oftast i olika renhetsgrader, från 98 % anrikning till 99,75–99,98 % deuteriumanrikning (kärnreaktorkvalitet) och ibland ännu högre isotoprenhet.

Argentina

Argentina var den största producenten av tungt vatten och använde en ammoniak-/väteutbytesanläggning som levererades av det schweiziska företaget Sulzer . Det var också en stor exportör till Kanada, Tyskland, USA och andra länder. Tungvattenproduktionsanläggningen i Arroyito var världens största tungvattenproduktionsanläggning. Argentina producerade 200 korta ton (180 ton) tungt vatten per år 2015 med den monotermiska ammoniak-väte-isotopbytesmetoden . Sedan 2017 har Arroyito-anläggningen inte varit i drift.

Sovjetunionen

I oktober 1939 drog de sovjetiska fysikerna Yakov Borisovich Zel'dovich och Yulii Borisovich Khariton slutsatsen att tungt vatten och kol var de enda genomförbara moderatorerna för en naturlig uranreaktor, och i augusti 1940 lämnade tillsammans med Georgy Flyorov en plan till Ryska akademin. Vetenskaper beräknade att 15 ton tungt vatten behövdes för en reaktor. Eftersom Sovjetunionen inte hade några urangruvor vid den tiden skickades unga akademiarbetare till Leningrads fotobutiker för att köpa uraniumnitrat, men hela tungvattenprojektet stoppades 1941 när tyska styrkor invaderade under Operation Barbarossa .

1943 hade sovjetiska vetenskapsmän upptäckt att all vetenskaplig litteratur om tungt vatten hade försvunnit från väst, vilket Flyorov i ett brev varnade sovjetledaren Joseph Stalin för, och då fanns det bara 2–3 kg tungt vatten i hela Land. I slutet av 1943 fick den sovjetiska inköpskommissionen i USA 1 kg tungt vatten och ytterligare 100 kg i februari 1945, och efter andra världskrigets slut tog NKVD över projektet.

I oktober 1946, som en del av det ryska Alsos , deporterade NKVD till Sovjetunionen från Tyskland de tyska forskare som hade arbetat med tungvattenproduktion under kriget, inklusive Karl-Hermann Geib , uppfinnaren av Girdler - sulfidprocessen . Dessa tyska forskare arbetade under överinseende av den tyske fysikaliska kemisten Max Volmer vid Institutet för fysikalisk kemi i Moskva med anläggningen som de byggde och producerade stora mängder tungt vatten 1948.

Förenta staterna

Under Manhattanprojektet byggde USA tre tungvattenproduktionsanläggningar som en del av P-9-projektet vid Morgantown Ordnance Works, nära Morgantown, West Virginia ; vid Wabash River Ordnance Works, nära Dana och Newport, Indiana ; och vid Alabama Ordnance Works, nära Childersburg och Sylacauga, Alabama . Tungvatten förvärvades också från Cominco-fabriken i Trail, British Columbia, Kanada. Chicago Pile-3 experimentella reaktorn använde tungt vatten som moderator och blev kritisk 1944. De tre inhemska produktionsanläggningarna stängdes 1945 efter att ha producerat cirka 81 470 pund produkt. Wabash-fabriken återupptog tungvattenproduktionen 1952.

1953 började USA använda tungt vatten i plutoniumproduktionsreaktorer vid Savannah River Site . Den första av de fem tungvattenreaktorerna kom på nätet 1953, och den sista ställdes i kall avstängning 1996. SRS-reaktorerna var tungvattenreaktorer så att de kunde producera både plutonium och tritium för USA:s kärnvapenprogram.

USA utvecklade Girdler sulfid kemisk utbyte produktionsprocessen – som först demonstrerades i stor skala vid Dana, Indiana fabriken 1945 och vid Savannah River Plant, South Carolina, 1952. DuPont drev SRP för USDOE fram till 1 april 1989, när Westinghouse tog över det.

Indien

Indien är en av världens största producenter av tungt vatten genom sin Heavy Water Board . Det exporterar tungt vatten till länder inklusive Republiken Korea, Kina och USA.

Japanska imperiet

På 1930-talet misstänktes det av USA och Sovjetunionen att den österrikiske kemisten Fritz Johann Hansgirg byggde en pilotanläggning för imperiet av Japan i japanska styrde norra Korea för att producera tungt vatten genom att använda en ny process som han hade uppfunnit.

Norge

Huvudartikel: Norsk tungtvattensabotage
"Tungt vatten" tillverkat av Norsk Hydro

1934 byggde Norsk Hydro den första kommersiella tungvattenanläggningen i Vemork , Tinn , och producerade så småningom 4 kg (8,8 lb) per dag. Från 1940 och under andra världskriget var anläggningen under tysk kontroll och de allierade beslutade att förstöra anläggningen och dess tunga vatten för att hämma tysk utveckling av kärnvapen. I slutet av 1942 misslyckades en planerad räd kallad Operation Freshman av brittiska luftburna trupper, båda segelflygplanen kraschade. Anfallarna dödades i kraschen eller avrättades därefter av tyskarna.

Natten till den 27 februari 1943 lyckades Operation Gunnerside . Norska kommandosoldater och lokalt motstånd lyckades riva små, men viktiga delar av elektrolyscellerna, och dumpade det ansamlade tunga vattnet i fabrikens avlopp.

Den 16 november 1943 släppte de allierade flygvapnen mer än 400 bomber på platsen. De allierade flyganfallet fick den nazistiska regeringen att flytta allt tillgängligt tungt vatten till Tyskland för förvaring. Den 20 februari 1944 sänkte en norsk partisan färjan M/F Hydro som transporterade tungt vatten över sjön Tinn , till priset av 14 norska civila liv, och det mesta av tungvattnet gick förmodligen förlorat. Ett fåtal av tunnorna var bara halvfulla, därför flytande, och kan ha bärgats och transporterats till Tyskland.

Nyligen genomförd undersökning av produktionsrekord hos Norsk Hydro och analys av ett intakt fat som bärgades 2004 avslöjade att även om faten i denna sändning innehöll vatten med pH 14 – vilket tyder på den alkaliska elektrolytiska raffineringsprocessen – så innehöll de inte höga koncentrationer av D 2 O. Trots den uppenbara storleken på försändelsen var den totala mängden rent tungt vatten ganska liten, de flesta tunnor innehöll bara 0,5–1 % rent tungt vatten. Tyskarna skulle ha behövt totalt cirka 5 ton tungt vatten för att få igång en kärnreaktor. Manifestet visade tydligt att det bara var ett halvt ton tungt vatten som transporterades till Tyskland. Hydro bar alldeles för lite tungt vatten för en reaktor, än mindre de 10 eller fler ton som behövdes för att göra tillräckligt med plutonium för ett kärnvapen. Det tyska kärnvapenprogrammet var mycket mindre avancerat än Manhattanprojektet och ingen reaktor byggd i Nazityskland var någonsin i närheten av att nå kritik . Ingen mängd tungt vatten skulle ha förändrat det.

Israel medgav att Dimona-reaktorn drevs med norskt tungt vatten som såldes till den 1959. Genom återexport med Rumänien och Tyskland använde Indien förmodligen också norskt tungt vatten.

Sverige

Under andra världskriget producerade företaget Fosfatbolaget i Ljungaverk 2 300 liter tungt vatten per år. Tungvattnet såldes sedan både till Tyskland och till Manhattanprojektet i USA för priset av 1,40 SEK per gram tungt vatten.

Kanada

Som en del av sitt bidrag till Manhattan-projektet byggde och drev Kanada en elektrolytisk tungvattenanläggning på 1 000 pund (450 kg) till 1 200 pund (540 kg) per månad (designkapacitet) i Trail, British Columbia , som startade driften 1943.

Atomic Energy of Canada Limited ( AECL) design av kraftreaktorn kräver stora mängder tungt vatten för att fungera som neutronmoderator och kylvätska. AECL beställde två tungvattenanläggningar, som byggdes och drevs i Atlantic Canada vid Glace Bay , Nova Scotia (av Deuterium of Canada Limited) och Port Hawkesbury , Nova Scotia (av General Electric Canada). Dessa anläggningar visade sig ha betydande konstruktions-, konstruktions- och produktionsproblem. Följaktligen byggde AECL Bruce Heavy Water Plant ( ), som det senare sålde till Ontario Hydro , för att säkerställa en pålitlig försörjning av tungt vatten till framtida kraftverk. De två Nova Scotia-fabrikerna lades ner 1985 när deras produktion visade sig onödig.

Bruce Heavy Water Plant (BHWP) i Ontario var världens största tungvattenproduktionsanläggning med en kapacitet på 1600 ton per år som mest (800 ton per år per full anläggning, två fullt fungerande anläggningar på topp). Den använde Girdler-sulfidprocessen för att producera tungt vatten och krävde 340 000 ton matarvatten för att producera ett ton tungt vatten. Det var en del av ett komplex som inkluderade åtta CANDU-reaktorer , som gav värme och kraft till tungvattenverket. Platsen var belägen vid Douglas Point / Bruce Nuclear Generating Station nära Tiverton, Ontario, vid Lake Huron där den hade tillgång till de stora sjöarnas vatten .

AECL utfärdade byggkontraktet 1969 för den första BHWP-enheten (BHWP A). Driftsättning av BHWP A gjordes av Ontario Hydro från 1971 till 1973, med anläggningen i drift den 28 juni 1973 och designproduktionskapacitet uppnåddes i april 1974. På grund av framgången med BHWP A och den stora mängd tungt vatten som skulle som krävs för det stora antalet kommande planerade CANDU kärnkraftverksbyggande, beställde Ontario Hydro ytterligare tre tungvattenproduktionsanläggningar för Bruce-anläggningen (BHWP B, C och D). BHWP B togs i bruk 1979. Dessa två första anläggningar var betydligt effektivare än planerat, och antalet CANDU-byggnadsprojekt blev betydligt lägre än vad som ursprungligen planerats, vilket ledde till att bygget avbröts på BHWP C & D. I 1984 lades BHWP A ner. År 1993 hade Ontario Hydro producerat tillräckligt med tungt vatten för att tillgodose alla dess förväntade inhemska behov (som var lägre än förväntat på grund av förbättrad effektivitet i användningen och återvinningen av tungt vatten), så de stängde ner och rev hälften av kapaciteten hos BHWP B Den återstående kapaciteten fortsatte att fungera för att tillgodose efterfrågan på tungvattenexport tills den stängdes permanent 1997, varefter anläggningen gradvis avvecklades och anläggningen röjdes.

AECL forskar för närvarande på andra mer effektiva och miljövänliga processer för att skapa tungt vatten. Detta är relevant för CANDU-reaktorer eftersom tungt vatten stod för cirka 15–20 % av den totala kapitalkostnaden för varje CANDU-anläggning på 1970- och 1980-talen.

Iran

Sedan 1996 byggdes en anläggning för produktion av tungt vatten i Khondab nära Arak . Den 26 augusti 2006 invigde Irans president Ahmadinejad utbyggnaden av landets tungvattenanläggning. Iran har indikerat att tungvattenproduktionsanläggningen kommer att fungera tillsammans med en forskningsreaktor på 40 MW som hade ett planerat slutdatum 2009.

Iran producerade deutererade lösningsmedel i början av 2011 för första gången.

Kärnan i IR-40 är tänkt att omdesignas baserat på kärnkraftsavtalet i juli 2015.

Iran får endast lagra 130 ton (140 korta ton ) tungt vatten. Iran exporterar överproduktion efter att ha överskridit sin tilldelning, vilket gör Iran till världens tredje största exportör av tungt vatten.

Pakistan

för tungt vatten och naturligt uran på 50 MW i Khushab, i Punjab-provinsen, är en central del av Pakistans program för produktion av plutonium, deuterium och tritium för avancerade kompakta stridsspetsar (dvs termonukleära vapen ) . Pakistan lyckades förvärva en tritiumrenings- och lagringsanläggning och deuterium- och tritiumprekursormaterial från två tyska företag.

Andra länder

Rumänien producerade tungt vatten vid den nu nedlagda sulfidfabriken Drobeta Girdler för hushålls- och exportändamål.

Frankrike drev en liten fabrik under 1950- och 1960-talen. [ citat behövs ]

Tungt vatten finns i förhöjd koncentration i hypolimnion av Tanganyikasjön i Östafrika . Det är troligt att liknande förhöjda koncentrationer finns i sjöar med liknande limnologi , men detta är bara 4% anrikning (24 mot 28) och ytvatten anrikas vanligtvis på D
2 O genom avdunstning i ännu större utsträckning genom snabbare H
2 O -avdunstning .

Ansökningar

Nukleär magnetisk resonans

Deuteriumoxid används i kärnmagnetisk resonansspektroskopi när man använder vatten som lösningsmedel om nukliden av intresse är väte. Detta beror på att signalen från ljusvatten ( 1 H 2 O) lösningsmedelsmolekyler stör signalen från den intressanta molekylen som är upplöst i den. Deuterium har ett annat magnetiskt moment och bidrar därför inte till ^ H-NMR- signalen vid väte-1-resonansfrekvensen.

För vissa experiment kan det vara önskvärt att identifiera de labila väteämnena på en förening, det vill säga väten som lätt kan bytas bort som H+ -joner på vissa positioner i en molekyl. Med tillsats av D 2 O, ibland kallad en D 2 O-shake , byter labila väte ut sig och ersätts med deuterium ( 2H )-atomer. Dessa positioner i molekylen uppträder då inte i ' H-NMR-spektrumet.

Organisk kemi

Deuteriumoxid används ofta som källa till deuterium för att framställa specifikt märkta isotopologer av organiska föreningar. Till exempel kan CH-bindningar intill ketoniska karbonylgrupper ersättas med CD-bindningar med användning av syra- eller baskatalys. Trimetylsulfoxoniumjodid , tillverkad av dimetylsulfoxid och metyljodid kan omkristalliseras från deuteriumoxid och sedan dissocieras för att regenerera metyljodid och dimetylsulfoxid, båda deuteriummärkta. I de fall där specifik dubbelmärkning med deuterium och tritium övervägs, måste forskaren vara medveten om att deuteriumoxid, beroende på ålder och ursprung, kan innehålla en del tritium.

Infraröd spektroskopi

Deuteriumoxid används ofta istället för vatten vid insamling av FTIR- spektra av proteiner i lösning. H 2 O skapar ett starkt band som överlappar med amid I-regionen av proteiner. Bandet från D2O skiftas bort från amid I-regionen.

Neutronmoderator

Tungt vatten används i vissa typer av kärnreaktorer , där det fungerar som en neutronmoderator för att bromsa neutroner så att de är mer benägna att reagera med klyvbart uran-235 än med uran-238, som fångar neutroner utan att klyvas. CANDU-reaktorn använder denna design. Lättvatten fungerar också som en moderator, men eftersom lätt vatten absorberar fler neutroner än tungt vatten måste reaktorer som använder lätt vatten för en reaktormoderator använda anrikat uran snarare än naturligt uran, annars är kritikalitet omöjlig. En betydande del av föråldrade kraftreaktorer, såsom RBMK -reaktorerna i Sovjetunionen, konstruerades med normalt vatten för kylning men grafit som moderator . Faran med grafit i kraftreaktorer (grafitbränder ledde delvis till Tjernobyl-katastrofen ) har dock lett till att grafit har avvecklats i standardreaktorkonstruktioner.

Eftersom de inte kräver anrikning av uran , är tungvattenreaktorer mer ett problem när det gäller kärnvapenspridning . isotopseparering Odling kärnvapen och utvinning av plutonium kan vara en relativt snabb och billig väg till att bygga ett , eftersom kemisk separation av plutonium från bränsle är lättare än av U-235 från naturligt uran. Bland nuvarande och tidigare kärnvapenstater använde Israel, Indien och Nordkorea först plutonium från tungvattenmodererade reaktorer som brände naturligt uran , medan Kina, Sydafrika och Pakistan först byggde vapen med höganrikat uran .

Det nazistiska kärnkraftsprogrammet , som fungerade med mer blygsamma medel än det samtida Manhattanprojektet och hämmades av att många ledande vetenskapsmän hade drivits i exil (många av dem slutade arbeta för Manhattanprojektet), såväl som kontinuerliga stridigheter, avfärdade felaktigt grafit som en moderator på grund av att den inte känner igen effekten av föroreningar. Med tanke på att isotopseparation av uran ansågs vara ett alltför stort hinder, lämnade detta tungt vatten som en potentiell moderator. Andra problem var den ideologiska motviljan mot vad propagandan avfärdade som " judisk fysik " och misstroendet mellan de som varit entusiastiska nazister redan före 1933 och de som var Mitläufer eller försökte hålla en låg profil. Delvis på grund av allierat sabotage och kommandoräder mot Norsk Hydro (då världens största producent av tungt vatten) samt de tidigare nämnda striderna, lyckades det tyska kärnkraftsprogrammet aldrig samla ihop tillräckligt med uran och tungt vatten på ett ställe för att uppnå kritik trots att det hade nog av båda vid slutet av kriget.

I USA använde emellertid den första experimentella atomreaktorn (1942), såväl som produktionsreaktorerna från Manhattan Project Hanford som producerade plutonium för Trinity-testet och Fat Man -bomber, alla neutronmoderatorer av ren kol (grafit) kombinerat med normalt vatten kylrör. De fungerade varken med anrikat uran eller tungt vatten. Rysk och brittisk plutoniumproduktion använde också grafitmodererade reaktorer.

Det finns inga bevis för att civila tungvattenreaktorer – som CANDU- eller Atucha -designerna – har använts för att producera militärt klyvbart material. I länder som inte redan har kärnvapen är kärnmaterial vid dessa anläggningar under IAEA:s säkerhetskontroll för att motverka all avledning.

På grund av dess potential för användning i kärnvapenprogram är innehav eller import/export av stora industriella mängder tungt vatten föremål för statlig kontroll i flera länder. Leverantörer av tungvatten- och tungvattenproduktionsteknik tillämpar vanligtvis IAEA (International Atomic Energy Agency) administrerade säkerhetsåtgärder och materialredovisning på tungt vatten. (I Australien, Nuclear Non-Proliferation (Safeguards) Act 1987. ) I USA och Kanada är icke-industriella mängder tungt vatten (dvs. i gram till kg-intervallet) rutinmässigt tillgängliga utan särskild licens genom återförsäljare av kemikalier och kommersiella företag som världens tidigare storproducent Ontario Hydro .

Neutrino detektor

Sudbury Neutrino Observatory (SNO) i Sudbury , Ontario använder 1 000 ton tungt vatten på lån från Atomic Energy of Canada Limited . Neutrinodetektorn är 6 800 fot (2 100 m) under jorden i en gruva för att skydda den från myoner som produceras av kosmiska strålar . SNO byggdes för att svara på frågan om huruvida neutriner av elektrontyp som produceras genom fusion i solen (den enda typen som solen borde producera direkt, enligt teorin) skulle kunna förvandlas till andra typer av neutriner på vägen till Jorden. SNO detekterar Cherenkov-strålningen i vattnet från högenergielektroner som produceras från neutriner av elektrontyp när de genomgår interaktioner med laddad ström (CC) med neutroner i deuterium , och omvandlar dem till protoner och elektroner (dock är det bara elektronerna som är snabba nog att producera Cherenkov-strålning för detektion).

SNO upptäcker också neutrinoelektronspridningshändelser (ES), där neutrinon överför energi till elektronen, som sedan fortsätter att generera Cherenkov-strålning som kan skiljas från den som produceras av CC-händelser. Den första av dessa två reaktioner produceras endast av neutrinos av elektrontyp, medan den andra kan orsakas av alla neutrinosmaker. Användningen av deuterium är avgörande för SNO-funktionen, eftersom alla tre "smaker" (typer) av neutriner också kan detekteras i en tredje typ av reaktion, neutrino-sönderfall, där en neutrino av vilken typ som helst (elektron, myon, eller tau) sprider sig från en deuteriumkärna ( deuteron ), och överför tillräckligt med energi för att bryta upp den löst bundna deuteronen till en fri neutron och proton via en neutralströmsinteraktion (NC).

Denna händelse detekteras när den fria neutronen absorberas av 35 Cl − närvarande från NaCl som avsiktligt lösts i tungvattnet, vilket orsakar emission av karakteristiska gammastrålar. Sålunda, i detta experiment, tillhandahåller tungt vatten inte bara det genomskinliga medium som krävs för att producera och visualisera Cherenkov-strålning, utan det tillhandahåller också deuterium för att detektera exotiska mu-typ (μ) och tau (τ) neutriner, såväl som en icke-absorberande moderator medium för att bevara fria neutroner från denna reaktion, tills de kan absorberas av en lätt detekterad neutronaktiverad isotop.

Metabolisk hastighet och vattenomsättningstestning i fysiologi och biologi

Huvudartikel: Dubbelmärkt vattentest

Tungt vatten används som en del av en blandning med H 2 18 O för ett vanligt och säkert test av den genomsnittliga ämnesomsättningen hos människor och djur som genomgår sina normala aktiviteter. Elimineringshastigheten för enbart deuterium är ett mått på kroppsvattenomsättningen. Detta varierar mycket mellan individer och beror på miljöförhållanden samt ämnesstorlek, kön, ålder och fysisk aktivitet.

Tritiumproduktion

Se även: Tritium § Deuterium

Tritium är den aktiva substansen i självdriven belysning och kontrollerad kärnfusion, dess andra användningsområden inklusive autoradiografi och radioaktiv märkning . Det används också i kärnvapendesign för förstärkta fissionsvapen och initiatorer . Tritium genomgår beta-sönderfall till Helium-3 , som är en stabil, men sällsynt, isotop av helium som i sig är mycket eftertraktad. En del tritium skapas i tungvattenmodererade reaktorer när deuterium fångar en neutron. Denna reaktion har ett litet tvärsnitt (sannolikheten för en enda neutroninfångningshändelse) och producerar endast små mängder tritium, även om det är tillräckligt för att motivera att tritium rensas från moderatorn med några års mellanrum för att minska miljörisken för tritiumflykt. Med tanke på att Helium-3 är ett neutrongift med storleksordningar högre fångstvärsnitt än någon komponent i tungt eller tritierat vatten, måste dess ackumulering i en tungvattenneutronmoderator eller mål för tritiumproduktion hållas till ett minimum.

Att producera mycket tritium på detta sätt skulle kräva reaktorer med mycket höga neutronflöden, eller med en mycket hög andel tungt vatten till kärnbränsle och mycket låg neutronabsorption av annat reaktormaterial. Tritiumet skulle då behöva utvinnas genom isotopseparation från en mycket större mängd deuterium, till skillnad från produktion från litium-6 (föreliggande metod), där endast kemisk separation behövs.

Deuteriums absorptionstvärsnitt för termiska neutroner är 0,52 milli barn (5,2 × 10 −32 m 2 ; 1 barn = 10 −28 m 2 ), medan de för oxygen-16 och oxygen-17 är 0,19 respektive 0,24 millibarn. 17 O utgör 0,038 % av naturligt syre , vilket gör det totala tvärsnittet till 0,28 millibarn. Därför, i D 2 O med naturligt syre, är 21 % av neutronfångningarna på syre, och stiger högre när 17 O byggs upp från neutroninfångning på 16 O. Dessutom kan 17 O sända ut en alfapartikel vid neutronfångning, vilket producerar radioaktivt kol- 14 .

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heavy_water&oldid=1140532095 "