Тяжелая вода - Heavy water

Имена
Название ИЮПАК ( 2 H 2 ) Вода
Другие имена
Идентификаторы
Количество CAS
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
ECHA InfoCard	100.029.226
Номер ЕС
Ссылка на Гмелин	97
КЕГГ
MeSH	Дейтерий + оксид
PubChem CID
Номер RTECS
UNII
Панель управления CompTox ( EPA )
ИнЧИ InChI = 1S / H2O / h1H2 / i / hD2 N Ключ: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N N
Улыбки [2H] O [2H]
Характеристики
Химическая формула	D 2О
Молярная масса	20,0276 г моль -1
Появление	Бесцветная жидкость
Запах	Без запаха
Плотность	1,107 г мл -1
Температура плавления	3,82 ° С; 38,88 ° F; 276,97 К
Точка кипения	101,4 ° С (214,5 ° F, 374,5 К)
Растворимость в воде	Смешиваемый
журнал P	−1,38
Показатель преломления ( n D )	1,328
Вязкость	1,25 мПа с (при 20 ° C)
Дипольный момент	1,87 D
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)	1 0 0
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
N ( что есть   ?) YN
Ссылки на инфобоксы

Тяжелая вода ( оксид дейтерия ,²
ЧАС
₂О , Д
₂O ) представляет собой форму воды, которая содержит только дейтерий (²
H или D, также известный как тяжелый водород ), а не обычный изотоп водорода-1 (¹
H или H, также называемый протием ), который составляет большую часть водорода в обычной воде. Присутствие более тяжелого изотопа водорода придает воде другие ядерные свойства, а увеличение массы дает ей несколько иные физические и химические свойства по сравнению с обычной водой.

Объяснение

Дейтерий - изотоп водорода с ядром, содержащим нейтрон и протон ; Ядро атома протия (нормального водорода) состоит только из протона. Дополнительный нейтрон делает атом дейтерия примерно вдвое тяжелее атома протия .

Молекула тяжелой воды имеет два атома дейтерия вместо двух атомов протия обычной «легкой» воды. Фактически, термин «тяжелая вода», как он определен в Золотой книге ИЮПАК, может также относиться к воде, в которой более высокая, чем обычно, доля атомов водорода составляет дейтерий, а не протий. Для сравнения, обычная вода («обычная вода», используемая для стандарта дейтерия) содержит только около 156 атомов дейтерия на миллион атомов водорода, что означает, что 0,0156% атомов водорода относятся к тяжелому типу. Таким образом, тяжелая вода, как определено в Золотой книге, включает оксид водорода-дейтерия (HDO) и другие смеси D
₂О , Н
₂O и HDO, в которых доля дейтерия больше, чем обычно. Например, тяжелая вода, используемая в реакторах CANDU, представляет собой высокообогащенную водную смесь, содержащую в основном оксид дейтерия D.
₂O , но также некоторое количество оксида водорода-дейтерия (HDO) и меньшее количество обычного оксида водорода H
₂O . Он на 99,75% обогащен атомной фракцией водорода - это означает, что 99,75% атомов водорода относятся к тяжелому типу; однако тяжелая вода в смысле Золотой книги не должна быть настолько обогащенной. Если в этой статье используется тяжелая вода, это означает D
₂O . Однако вес молекулы тяжелой воды существенно не отличается от веса нормальной молекулы воды, потому что около 89% молекулярной массы воды приходится на один атом кислорода, а не на два атома водорода.

Тяжелая вода не радиоактивна . В чистом виде он имеет плотность примерно на 11% больше, чем вода, но в остальном физически и химически подобен. Тем не менее, различные различия в дейтерийсодержащей воде (особенно влияющие на биологические свойства) больше, чем в любом другом обычно встречающемся изотопозамещенном соединении, потому что дейтерий уникален среди тяжелых стабильных изотопов тем, что он вдвое тяжелее легчайшего изотопа. Эта разница увеличивает прочность водородно-кислородных связей воды, а этого, в свою очередь, достаточно, чтобы вызвать различия, важные для некоторых биохимических реакций. В организме человека естественным образом содержится дейтерий, эквивалентный примерно пяти граммам тяжелой воды, что безвредно. Когда большая часть воды (> 50%) у высших организмов заменяется тяжелой водой, это приводит к дисфункции клеток и их гибели.

Тяжелая вода была впервые произведена в 1932 году, через несколько месяцев после открытия дейтерия. С открытием ядерного деления в конце 1938 года и потребностью в замедлителе нейтронов , улавливающем небольшое количество нейтронов, тяжелая вода стала компонентом ранних исследований ядерной энергетики . С тех пор тяжелая вода стала важным компонентом некоторых типов реакторов, как тех, которые вырабатывают энергию, так и тех, которые предназначены для производства изотопов для ядерного оружия. Преимущество этих тяжеловодных реакторов состоит в том, что они могут работать на природном уране без использования графитовых замедлителей, которые представляют опасность радиологического взрыва и взрыва пыли на этапе вывода из эксплуатации. В большинстве современных реакторов в качестве замедлителя используется обогащенный уран с обычной водой.

Другие тяжелые формы воды

Полутяжелая вода

Полутяжелая вода , HDO, существует всякий раз, когда есть вода с легким водородом (протий,¹
H ) и дейтерий (D или²
H ) в смеси. Это связано с тем, что атомы водорода (водород-1 и дейтерий) быстро обмениваются между молекулами воды. Вода, содержащая 50% H и 50% D в водороде, на самом деле содержит около 50% HDO и 25% каждого из H.
₂O и D
₂О , в динамическом равновесии . В обычной воде примерно 1 молекула из 3200 - это HDO (один водород из 6400 находится в форме D), а молекулы тяжелой воды ( D
₂O ) встречаются только в пропорции примерно 1 молекула на 41 миллион (то есть одна на 6 400 ² ). Таким образом, полутяжелые молекулы воды встречаются гораздо чаще, чем «чистые» (гомоизотопные) молекулы тяжелой воды.

Вода с тяжелым кислородом

Вода, обогащенная более тяжелыми изотопами кислорода ¹⁷
O и¹⁸
О также имеется в продаже, например, для использования в качестве нерадиоактивного изотопного индикатора . Это «тяжелая вода», поскольку она более плотная, чем обычная вода ( H
₂¹⁸
O примерно такой же плотный, как D
₂О , Н
₂¹⁷
O находится примерно на полпути между H
₂O и D
₂O ) - но ее редко называют тяжелой водой, поскольку она не содержит дейтерия, который придает D ₂ O его необычные ядерные и биологические свойства. Он дороже, чем D ₂ O, из-за более сложного разделения ¹⁷ O и ¹⁸ O. H ₂ ¹⁸ O также используется для производства фтора-18 для радиофармпрепаратов и радиоиндикаторов, а также для позитронно-эмиссионной томографии .

Тритированная вода

Вода, содержащая тритий, содержит тритий ( ³ H) вместо протия ( ¹ H) или дейтерия ( ² H), и, поскольку сам тритий является радиоактивным, вода, содержащая тритий, также радиоактивна.

Физические свойства

Физические свойства изотопологов воды

Имущество	D 2 O (тяжелая вода)	HDO (полутяжелая вода)	H 2 O (легкая вода)
Точка плавления ( стандартное давление )	3,82 ° С (38,88 ° F, 276,97 К)	2,04 ° С (35,67 ° F, 275,19 К)	0,0 ° С (32,0 ° F, 273,1 К)
Точка кипения	101,4 ° С (214,5 ° F, 374,5 К)	100,7 ° С (213,3 ° F, 373,8 К)	100,0 ° С (212,0 ° F, 373,1 К)
Плотность при STP (г / мл )	1,1056	1.054	0,9982
Темп. максимальной плотности	11,6 ° С	Непроверенный	3,98 ° С
Динамическая вязкость (при 20 ° C, мПа · с )	1,2467	1,1248	1,0016
Поверхностное натяжение (при 25 ° C, Н / м )	0,07187	0,07193	0,07198
Теплота плавления ( кДж / моль )	6,132	6,227	6,00678
Теплота испарения (кДж / моль)	41,521	Непроверенный	40,657
pH (при 25 ° C)	7,44 («пД»)	7,266 («pHD»)	7.0
p K b (при 25 ° С)	7,44 ("p K b D 2 O")	Непроверенный	7.0
Показатель преломления (при 20 ° C, 0,5893 мкм )	1,32844	Непроверенный	1,33335

Физические свойства воды и тяжелой воды различаются по нескольким параметрам. Тяжелая вода менее диссоциирована, чем легкая вода при данной температуре, и истинная концентрация ионов D ⁺ меньше, чем концентрация ионов H ⁺ в образце легкой воды при той же температуре. То же самое относится и к OD ^- по сравнению с ОН ^- ионов. Для тяжелой воды Kw D ₂ O (25,0 ° C) = 1,35 × 10 ^-15 , а [D ⁺  ] должен равняться [OD ^-  ] для нейтральной воды. Таким образом, pKw D ₂ O = p [OD ^- ] + p [D ⁺ ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 ° C), а p [D ⁺ ] нейтральной тяжелой воды при 25,0 ° C составляет 7,44.   

PD тяжелой воды обычно измеряется с помощью pH-электродов, дающих значение pH (кажущееся), или pHa, и при различных температурах истинный кислый pD может быть оценен с помощью непосредственно измеренного pH-метром pHa, так что pD + = pHa (очевидное значение pH-метр) + 0,41. Поправка электрода для щелочных условий составляет 0,456 для тяжелой воды. В этом случае щелочная поправка составляет pD + = pH _a (кажущееся значение pH-метра) + 0,456. Эти поправки немного отличаются от различий в p [D +] и p [OD-] 0,44 от соответствующих поправок в тяжелой воде.

Тяжелая вода на 10,6% плотнее, чем обычная вода, и физически другие свойства тяжелой воды можно увидеть без оборудования, если бросить замороженный образец в обычную воду, поскольку он будет тонуть. Если вода ледяная, можно наблюдать более высокую температуру таяния тяжелого льда: он тает при 3,7 ° C и, следовательно, не тает в ледяной нормальной воде.

В одном из первых экспериментов не было обнаружено «ни малейшей разницы» во вкусе обычной и тяжелой воды. Одно исследование пришло к выводу, что тяжелая вода «заметно слаще» для человека и опосредуется вкусовыми рецепторами TAS1R2 / TAS1R3 . Крысы, которым давали выбор между дистиллированной нормальной водой и тяжелой водой, могли избегать тяжелой воды на основе запаха, и у нее мог быть другой вкус. Некоторые люди сообщают, что минеральные вещества в воде влияют на вкус, например калий придает сладкий вкус жесткой воде, но есть много факторов, влияющих на восприятие вкуса воды, помимо содержания минералов.

Тяжелая вода лишена характерного синего цвета легкой воды; Это связано с тем, что гармоники молекулярных колебаний , которые в легкой воде вызывают слабое поглощение в красной части видимого спектра, смещены в инфракрасную область, и, таким образом, тяжелая вода не поглощает красный свет.

Никакие физические свойства не указаны для «чистой» полутяжелой воды, потому что она нестабильна как объемная жидкость. В жидком состоянии несколько молекул воды всегда находятся в ионизированном состоянии , что означает, что атомы водорода могут обмениваться между разными атомами кислорода. Полутяжелая вода теоретически может быть создана химическим методом, но она быстро трансформируется в динамическую смесь из 25% легкой воды, 25% тяжелой воды и 50% полутяжелой воды. Однако, если бы она была приготовлена ​​в газовой фазе и непосредственно осаждалась в твердом состоянии, полутяжелая вода в виде льда могла бы быть стабильной. Это происходит из-за того, что столкновения между молекулами водяного пара в газовой фазе при стандартных температурах почти полностью игнорируются, а после кристаллизации столкновения между молекулами полностью прекращаются из-за жесткой решетчатой ​​структуры твердого льда.

История

Американский ученый и лауреат Нобелевской премии Гарольд Юри открыл изотоп дейтерий в 1931 году и позже смог сконцентрировать его в воде. Наставник Юри Гилберт Ньютон Льюис выделил первый образец чистой тяжелой воды путем электролиза в 1933 году. Джордж де Хевеши и Эрих Хофер использовали тяжелую воду в 1934 году в одном из первых экспериментов с биологическими индикаторами, чтобы оценить скорость оборота воды в организме человека. . История массового производства и использования тяжелой воды в ранних ядерных экспериментах описана ниже.

Эмилиан Брату и Отто Редлих изучали самодиссоциацию тяжелой воды в 1934 году.

Влияние на биологические системы

Различные изотопы химических элементов имеют несколько разное химическое поведение, но для большинства элементов различия слишком малы, чтобы иметь биологический эффект. В случае водорода большие различия в химических свойствах протия (легкого водорода), дейтерия и трития происходят, потому что энергия химической связи зависит от приведенной массы системы ядро-электрон; это изменяется в соединениях с тяжелым водородом (оксид водород-дейтерий является наиболее распространенной разновидностью) больше, чем с замещением тяжелых изотопов с участием других химических элементов. Изотопные эффекты особенно важны в биологических системах, которые очень чувствительны даже к небольшим изменениям из-за свойств воды, на которую влияют изотопы, когда она действует как растворитель.

Тяжелая вода влияет на период циркадных колебаний , последовательно увеличивая продолжительность каждого цикла. Эффект был продемонстрирован на одноклеточных организмах, зеленых растениях, равноногих, насекомых, птицах, мышах и хомяках. Механизм неизвестен.

Для выполнения своих задач ферменты полагаются на свои тонко настроенные сети водородных связей как в активном центре с субстратами, так и вне активного центра, чтобы стабилизировать свои третичные структуры . Поскольку водородная связь с дейтерием немного прочнее, чем связь с обычным водородом, в сильно дейтерированной среде некоторые нормальные реакции в клетках нарушаются.

Особенно сильно от тяжелой воды страдают тонкие сборки митотических веретен, необходимых для деления клеток у эукариот . Растения перестают расти, а семена не прорастают, если дать им только тяжелую воду, потому что тяжелая вода останавливает деление эукариотических клеток. Ячейка дейтерия больше и представляет собой модификацию направления деления. Меняется и клеточная мембрана, и она первой реагирует на воздействие тяжелой воды. В 1972 году было продемонстрировано, что увеличение процентного содержания дейтерия в воде снижает рост растений. Исследования, проведенные по выращиванию прокариотных микроорганизмов в искусственных условиях тяжелой водородной среды, показали, что в этой среде все водородные атомы воды могут быть заменены дейтерием. Эксперименты показали, что бактерии могут жить в 98% тяжелой воде. Концентрации более 50% смертельны для многоклеточных организмов, однако известны некоторые исключения, такие как просо ( Panicum virgatum ), которое способно расти на 50% D ₂ O; растение Arabidopsis thaliana (70% D ₂ O); растение Vesicularia dubyana (85% D ₂ O); растение Funaria hygrometrica (90% D ₂ O); и ангидробиотический вид нематоды Panagrolaimus superbus (почти 100% D ₂ O). Комплексное исследование тяжелой воды на делящихся дрожжах Schizosaccharomyces pombe показало, что клетки демонстрируют измененный метаболизм глюкозы и медленный рост при высоких концентрациях тяжелой воды. Кроме того, клетки активировали путь ответа на тепловой шок и путь целостности клеток, а мутанты пути целостности клеток проявляли повышенную устойчивость к тяжелой воде.

Влияние на животных

Эксперименты на мышах, крысах и собаках показали, что степень дейтерирования в 25% вызывает (иногда необратимое) бесплодие, потому что ни гаметы, ни зиготы не могут развиваться. Высокие концентрации тяжелой воды (90%) быстро убивают рыб , головастиков , плоских червей и дрозофил . Единственным известным исключением является ангидробиотическая нематода Panagrolaimus superbus , которая способна выживать и воспроизводиться при 99,9% D ₂ O. Млекопитающие (например, крысы ), которым давали пить тяжелую воду, умирают через неделю, когда вода в их организме приближается. около 50% дейтерирования. Способ смерти, по-видимому, такой же, как и при цитотоксическом отравлении (например, химиотерапии ) или при остром лучевом синдроме (хотя дейтерий не является радиоактивным), и происходит из-за действия дейтерия, обычно подавляющего деление клеток. Он более токсичен для злокачественных клеток, чем нормальные клетки, но необходимые концентрации слишком высоки для регулярного использования. Как может случиться при химиотерапии, отравленные дейтерием млекопитающие умирают из-за недостаточности костного мозга (вызывая кровотечение и инфекции) и функций кишечного барьера (вызывая диарею и потерю жидкости ).

Несмотря на проблемы, с которыми растения и животные живут со слишком большим количеством дейтерия, прокариотические организмы, такие как бактерии, у которых нет митотических проблем, вызванных дейтерием, могут расти и размножаться в полностью дейтерированных условиях, что приводит к замене всех атомов водорода в бактериальные белки и ДНК с изотопом дейтерия.

У высших организмов полная замена тяжелыми изотопами может быть произведена другими нерадиоактивными тяжелыми изотопами (такими как углерод-13, азот-15 и кислород-18), но этого нельзя сделать для дейтерия. Это следствие отношения ядерных масс между изотопами водорода, которое намного больше, чем у любого другого элемента.

Оксид дейтерия используется для усиления нейтронно-захватной терапии бором , но этот эффект зависит не от биологических или химических эффектов дейтерия, а от способности дейтерия сдерживать (замедлять) нейтроны, не улавливая их.

Недавние экспериментальные данные показывают, что системное введение оксида дейтерия (добавка 30% питьевой воды) подавляет рост опухоли в стандартной мышиной модели меланомы человека , эффект, приписываемый селективной индукции передачи сигналов клеточного стресса и экспрессии генов в опухолевых клетках.

Токсичность для человека

Поскольку потребуется очень большое количество тяжелой воды для замены 25–50% воды в организме человека (вода, в свою очередь, составляет 50–75% веса тела) тяжелой водой, случайное или преднамеренное отравление тяжелой водой маловероятно. вплоть до практического пренебрежения. Отравление потребовало бы, чтобы жертва проглотила большое количество тяжелой воды без значительного нормального потребления воды в течение многих дней, чтобы вызвать какие-либо заметные токсические эффекты.

Пероральные дозы тяжелой воды в диапазоне нескольких граммов, а также тяжелого кислорода ¹⁸ O обычно используются в экспериментах по метаболизму человека. (См. Тестирование воды с двойной маркировкой .) Поскольку примерно один из каждых 6400 атомов водорода - это дейтерий, человек весом 50 кг (110,23 фунта), содержащий 32 кг (70,55 фунта) воды, обычно содержит достаточно дейтерия (около 1,1 г или 0,04 унции). чтобы получить 5,5 г чистой тяжелой воды, поэтому примерно эта доза требуется для удвоения количества дейтерия в организме.

Снижение артериального давления может частично объяснить зарегистрированные случаи головокружения при приеме тяжелой воды. Однако более вероятно, что этот симптом может быть связан с нарушением вестибулярной функции .

Путаница с радиоактивным загрязнением тяжелой воды

Хотя многие люди связывают тяжелую воду в первую очередь с ее использованием в ядерных реакторах, чистая тяжелая вода не является радиоактивной. Техническая тяжелая вода немного радиоактивна из-за присутствия мельчайших следов природного трития , но то же самое можно сказать и об обычной воде. Тяжелая вода, которая использовалась в качестве теплоносителя на атомных электростанциях, содержит значительно больше трития в результате нейтронной бомбардировки дейтерия в тяжелой воде ( тритий представляет опасность для здоровья при попадании внутрь в больших количествах).

В 1990 году недовольный служащий АЭС в Пойнт-Лепро в Канаде получил образец (примерно «полстакана») тяжелой воды из первичного контура теплопередачи ядерного реактора и загрузил его в раздаточное устройство для напитков в кафетерии. . Часть загрязненной воды выпили восемь сотрудников. Инцидент был обнаружен, когда сотрудники начали оставлять образцы мочи для биопробы с повышенным уровнем трития . Количество вовлеченной тяжелой воды было намного ниже уровней, которые могли бы вызвать токсичность тяжелой воды, но несколько сотрудников получили повышенные дозы радиации от трития и нейтронно-активированных химикатов в воде. Это был не случай отравления тяжелой водой, а скорее радиационное отравление другими изотопами тяжелой воды.

Некоторые новостные службы не позаботились о различении этих моментов, и у некоторых людей сложилось впечатление, что тяжелая вода обычно радиоактивна и более токсична, чем она есть на самом деле. Даже если бы чистая тяжелая вода использовалась в водоохладителе на неопределенный срок, маловероятно, что инцидент был бы обнаружен или причинил бы вред, поскольку ни один сотрудник не будет получать более 25% своей ежедневной питьевой воды из такого источника. .

Производство

На Земле , дейтерированная вода, HDO , происходит естественным образом в обычной воде в пропорции примерно 1 молекулы в 3,200. Это означает, что 1 из 6400 атомов водорода - это дейтерий, что составляет 1 часть на 3200 по весу (вес водорода). HDO можно отделить от обычной воды дистилляцией или электролизом, а также с помощью различных процессов химического обмена, каждый из которых использует кинетический изотопный эффект . При частичном обогащении происходит также в естественных водоемах при определенных условиях испарения. (Для получения дополнительной информации об изотопном распределении дейтерия в воде см. Венскую стандартную среднюю океаническую воду .) Теоретически дейтерий для тяжелой воды можно было бы создать в ядерном реакторе, но отделение от обычной воды - самый дешевый массовый процесс производства.

Разница в массе между двумя изотопами водорода приводит к разнице в нулевой энергии и, следовательно, к небольшой разнице в скорости реакции. Когда HDO становится значительной частью воды, тяжелая вода становится более распространенной, поскольку молекулы воды очень часто обмениваются атомами водорода. Производство чистой тяжелой воды путем дистилляции или электролиза требует большого каскада перегонных кубов или электролизных камер и требует большого количества энергии, поэтому обычно предпочтительны химические методы.

Наиболее экономически эффективным способом производства тяжелой воды является сульфидный процесс с двойным температурным обменом (известный как сульфидный процесс Гирдлера ), параллельно разработанный Карлом-Германом Гейбом и Джеромом С. Спеваком в 1943 году.

Альтернативный процесс, запатентованный Грэмом М. Кейзером, использует лазеры для избирательной диссоциации дейтерированных гидрофторуглеродов с образованием фторида дейтерия , который затем можно разделить физическими средствами. Хотя потребление энергии для этого процесса намного меньше, чем для сульфидного процесса Гирдлера, этот метод в настоящее время является неэкономичным из-за затрат на получение необходимых гидрофторуглеродов.

Как уже отмечалось, современная техническая тяжелая вода почти повсеместно называется и продается как оксид дейтерия . Чаще всего он продается с различной степенью чистоты, от обогащения 98% до обогащения дейтерием 99,75–99,98% (для ядерных реакторов), а иногда и с более высокой изотопной чистотой.

Аргентина

Аргентина является основным производителем тяжелой воды, использующей установку на основе аммиачно-водородного обмена, поставленную швейцарской компанией Sulzer . Он также является крупным экспортером в Канаду, Германию, США и другие страны. Завод по производству тяжелой воды, расположенный в Арройито, является крупнейшим в мире предприятием по производству тяжелой воды. Аргентина производит 200 коротких тонн (180 тонн) тяжелой воды в год с использованием монотермического метода изотопного обмена аммиак-водород .

Советский Союз

В октябре 1939 года советские физики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон пришли к выводу, что тяжелая вода и углерод являются единственными возможными замедлителями для реактора на природном уране, и в августе 1940 года вместе с Георгием Флёровым представили план в Российскую академию наук. Наука подсчитала, что для реактора требовалось 15 тонн тяжелой воды. Поскольку в то время в Советском Союзе не было урановых рудников, молодых сотрудников Академии отправляли в ленинградские фотоателье для покупки нитрата урана, но весь проект тяжелой воды был остановлен в 1941 году, когда немецкие войска вторглись во время операции «Барбаросса» .

К 1943 году советские ученые обнаружили, что вся научная литература, относящаяся к тяжелой воде, исчезла с Запада, о чем Флеров в письме предупреждал советского лидера Иосифа Сталина , и тогда во всем мире было всего 2–3 кг тяжелой воды. страна. В конце 1943 года советская закупочная комиссия в США получила 1 кг тяжелой воды и еще 100 кг в феврале 1945 года, а по окончании Второй мировой войны проект взял на себя НКВД .

В октябре 1946 года в рамках российской Alsos , то НКВД депортированы в СССР из Германии немецких ученых , которые работали по производству тяжелой воды во время войны, в том числе Карл-Герман Гейб , изобретатель процесса сульфидной Girdler . Эти немецкие ученые работали под руководством немецкого физико-химика Макса Фольмера в Институте физической химии в Москве с построенным ими заводом, производящим большое количество тяжелой воды к 1948 году.

Соединенные Штаты

Во время Манхэттенского проекта Соединенные Штаты построили три завода по производству тяжелой воды в рамках проекта P-9 на заводе по производству боеприпасов Моргантауна, недалеко от Моргантауна, Западная Вирджиния ; на артиллерийском заводе на реке Уобаш, недалеко от Даны и Ньюпорта, штат Индиана ; и в Алабаме Ordnance Works, недалеко Childersburg и Силакога, штат Алабама . Тяжелая вода также была приобретена на заводе Cominco в Трейле, Британская Колумбия , Канада. В экспериментальном реакторе Chicago Pile-3 в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода, и он стал критическим в 1944 году. Три внутренних завода были остановлены в 1945 году после производства около 20 метрических тонн (20 000 литров) продукта. Завод Wabash возобновил производство тяжелой воды в 1952 году.

В 1953 году Соединенные Штаты начали использовать тяжелую воду в реакторах для производства плутония на участке Саванна Ривер . Первый из пяти тяжеловодных реакторов был введен в эксплуатацию в 1953 году, а последний был переведен в режим холодного останова в 1996 году. Реакторы SRS были тяжеловодными реакторами, так что они могли производить как плутоний, так и тритий для американской программы создания ядерного оружия.

В США разработан процесс производства химического обмена сульфидов Гирдлера, который впервые был продемонстрирован в больших масштабах на заводе в Дане, штат Индиана в 1945 году и на заводе в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина, в 1952 году. DuPont эксплуатировала SRP для USDOE до 1 апреля 1989 года. , когда Вестингауз взял на себя управление.

Индия

Индия является одним из крупнейших в мире производителей тяжелой воды через Совет по тяжелой воде, а также экспортирует ее в такие страны, как Республика Корея и США. Развитие процесса тяжелой воды в Индии происходило в три этапа: первая фаза (конец 1950-х - середина 1980-х годов) была периодом развития технологий, вторая фаза заключалась в развертывании технологии и стабилизации процесса (с середины 1980-х до начала 1990-х годов) и На третьем этапе произошла консолидация и сдвиг в сторону улучшения производства и энергосбережения.

Японская империя

В 1930 - х годах, он подозревался Штаты Соединенного и Советского Союз , что австрийский химик Фриц Иоганн Hansgirg построил опытную установку для Японской империи в японском языке правил Северную Корею по производству тяжелой воды с использованием нового процесса он изобрел.

Норвегия

В 1934 году Norsk Hydro построила первую коммерческую установку по производству тяжелой воды в Веморке , Тинн , производя в конечном итоге 4 килограмма (8,8 фунта) в день. С 1940 года и на протяжении всей Второй мировой войны завод находился под контролем Германии, и союзники решили уничтожить завод и его тяжелую воду, чтобы помешать немецким разработкам ядерного оружия. В конце 1942 года запланированный налет британских воздушно-десантных войск под названием Operation Freshman провалился, оба планера разбились. Рейдеры погибли при крушении или впоследствии казнены немцами.

В ночь на 27 февраля 1943 года операция Gunnerside завершилась успешно. Норвежским спецназовцам и местному сопротивлению удалось снести небольшие, но ключевые части электролитических ячеек, сбросив накопившуюся тяжелую воду в заводские стоки.

16 ноября 1943 года авиация союзников сбросила на это место более 400 бомб. Воздушный налет союзников побудил нацистское правительство перевезти всю имеющуюся тяжелую воду в Германию на хранение. 20 февраля 1944 года норвежский партизан потопил паром M / F  Hydro, перевозивший тяжелую воду через озеро Тинн , ценой жизни 14 норвежских мирных жителей, и, по-видимому, большая часть тяжелой воды была потеряна. Некоторые бочки были заполнены только наполовину, поэтому могли плавать и, возможно, были спасены и перевезены в Германию.

Недавнее исследование производственных записей на Norsk Hydro и анализ неповрежденной бочки, которая была спасена в 2004 году, показали, что, хотя бочки в этой партии содержали воду с pH  14, что свидетельствует о процессе щелочной электролитической очистки, они не содержали высоких концентраций D _2. О. Несмотря на кажущийся размер партии, общее количество чистой тяжелой воды было довольно небольшим, большинство бочек содержало только 0,5–1% чистой тяжелой воды. Немцам потребовалось бы в общей сложности около 5 тонн тяжелой воды, чтобы запустить ядерный реактор. В манифесте четко указывалось, что в Германию перевозилось всего полтонны тяжелой воды. Hydro несла слишком мало тяжелой воды для одного реактора, не говоря уже о 10 или более тоннах, необходимых для производства достаточного количества плутония для ядерного оружия.

Израиль признал, что в 1959 году у реактора Димона использовалась норвежская тяжелая вода. За счет реэкспорта через Румынию и Германию Индия, вероятно, также использовала норвежскую тяжелую воду.

Канада

В рамках своего вклада в Манхэттенский проект Канада построила и эксплуатировала завод по производству тяжелой воды от 1000 фунтов (450 кг) до 1200 фунтов (540 кг) в месяц (проектная мощность) в Трейле, Британская Колумбия , который начал работу в 1943 году.

По атомной энергии Канады Limited (AECL) Конструкция реактора мощности требует большого количества тяжелой воды , чтобы действовать в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя. AECL заказала две установки по производству тяжелой воды, которые были построены и эксплуатируются в Атлантической Канаде в Глэйс-Бэй , Новая Шотландия (Deuterium of Canada Limited) и Порт-Хоксбери , Новая Шотландия (General Electric Canada). Эти заводы столкнулись с серьезными проблемами при проектировании, строительстве и производстве. Следовательно, AECL построила станцию ​​по производству тяжелой воды в Брюсе ( 44,1854 ° с.ш., 81,3618 ° з.д. ), которую позже продала компании Ontario Hydro , чтобы обеспечить надежное снабжение тяжелой водой для будущих электростанций. Два завода в Новой Шотландии были остановлены в 1985 году, когда в их производстве не было необходимости. 44 ° 11′07 ″ с.ш. 81 ° 21′42 ″ з.д. /  / 44,1854; -81,3618 ( Завод тяжелой воды Брюса )

Завод тяжелой воды Брюса (BHWP) в Онтарио был крупнейшим в мире заводом по производству тяжелой воды с производительностью 1600 тонн в год на пике (800 тонн в год на полную установку, два полностью действующих завода на пике). Он использовал сульфидный процесс Гирдлера для производства тяжелой воды и потребовал 340 000 тонн питательной воды для производства одной тонны тяжелой воды. Он был частью комплекса, включающего восемь реакторов CANDU , которые обеспечивали тепло и электроэнергию для завода по производству тяжелой воды. Площадка была расположена на АЭС Дуглас-Пойнт / Брюс недалеко от Тивертона, Онтарио, на озере Гурон, где он имел доступ к водам Великих озер .

В 1969 году AECL выдала контракт на строительство первой установки BHWP (BHWP A). Ввод в эксплуатацию BHWP A производился Ontario Hydro с 1971 по 1973 год, завод был введен в эксплуатацию 28 июня 1973 года, а проектная производственная мощность была достигнута в апреле 1974 года. В связи с необходимостью реализации большого числа предстоящих запланированных проектов строительства АЭС CANDU, Ontario Hydro ввела в эксплуатацию три дополнительных завода по производству тяжелой воды для площадки в Брюсе (BHWP B, C и D). BHWP B была введена в эксплуатацию в 1979 году. Эти первые две станции были значительно более эффективными, чем планировалось, и количество строительных проектов CANDU оказалось значительно меньше, чем первоначально планировалось, что привело к отмене строительства BHWP C&D. 1984 BHWP A была остановлена. К 1993 году Ontario Hydro произвела достаточно тяжелой воды, чтобы удовлетворить все свои предполагаемые внутренние потребности (которые были ниже, чем ожидалось из-за повышения эффективности использования и рециркуляции тяжелой воды), поэтому они остановили и сносили половину мощности BHWP B. Оставшиеся мощности продолжали работать для удовлетворения спроса на экспорт тяжелой воды до тех пор, пока они не были окончательно остановлены в 1997 году, после чего завод был постепенно демонтирован, а площадка расчищена.

В настоящее время AECL изучает другие, более эффективные и экологически безопасные способы создания тяжелой воды. Это актуально для реакторов CANDU, поскольку тяжелая вода составляла около 15–20% общих капитальных затрат каждой установки CANDU в 1970-х и 1980-х годах.

Иран

С 1996 года завод по производству тяжелой воды строился в Хондабе близ Арака . 26 августа 2006 года президент Ирана Ахмадинежад открыл строительство завода по производству тяжелой воды в стране. Иран указал, что установка по производству тяжелой воды будет работать в тандеме с исследовательским реактором мощностью 40 МВт, завершение которого запланировано на 2009 год.

Иран впервые произвел дейтерированные растворители в начале 2011 года.

Ядро IR-40 предполагается перепроектировать в соответствии с ядерным соглашением в июле 2015 года.

Ирану разрешено хранить только 130 тонн (140 коротких тонн ) тяжелой воды. Иран экспортирует избыточную продукцию после того, как превысил выделенные им нормы, что сделало Иран третьим по величине экспортером тяжелой воды в мире.

Пакистан

50 МВт - _й тяжелой воды и природного урана исследовательского реактора в Хушабе, в провинции Пенджаб, является центральным элементом программы Пакистана по производству плутония, дейтерия и трития для продвинутых компактных боеголовок (т.е. термоядерного оружия ). Пакистану удалось приобрести завод по очистке и хранению трития, а также материалы-прекурсоры дейтерия и трития у двух немецких фирм.

Другие страны

Румыния производила тяжелую воду на выведенном из эксплуатации сульфидном заводе Дробета Гирдлер для внутренних и экспортных целей.

Франция управляла небольшим заводом в 1950-х и 1960-х годах.

Тяжелая вода существует в повышенной концентрации в гиполимнионе из озера Танганьика в Восточной Африке . Вероятно, что аналогичные повышенные концентрации существуют в озерах с аналогичной лимнологией , но это всего 4% обогащения (24 против 28), а поверхностные воды обычно обогащены D
₂O испарением в еще большей степени более быстрым H
₂О испарение.

Приложения

Ядерный магнитный резонанс

Оксид дейтерия используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса при использовании воды в качестве растворителя, если интересующим нуклидом является водород. Это связано с тем, что сигнал от молекул растворителя легкой воды ( ¹ H ₂ O) мешает сигналу от растворенной в нем молекулы, представляющей интерес. Дейтерий имеет другой магнитный момент и, следовательно, не вносит вклад в сигнал ¹ H-ЯМР на резонансной частоте водорода-1.

Для некоторых экспериментов может быть желательно идентифицировать лабильные водороды в соединении, то есть водороды, которые могут легко обмениваться на ионы H ⁺ в некоторых положениях в молекуле. При добавлении D ₂ O, иногда называемом встряхиванием D ₂ O , лабильные водороды обмениваются и замещаются атомами дейтерия ( ² H). Эти положения в молекуле не появляются в спектре ¹ H-ЯМР.

Органическая химия

Оксид дейтерия часто используется в качестве источника дейтерия для получения специально меченных изотопологов органических соединений. Например, связи CH, смежные с карбонильными группами кетона, могут быть заменены связями CD с использованием кислотного или основного катализа. Йодид триметилсульфоксония , полученный из диметилсульфоксида и метилиодида, может быть перекристаллизован из оксида дейтерия, а затем диссоциирован с регенерированием йодистого метила и диметилсульфоксида, меченных дейтерием. В случаях, когда предполагается особая двойная мечение дейтерием и тритием, исследователь должен знать, что оксид дейтерия, в зависимости от возраста и происхождения, может содержать некоторое количество трития.

ИК-спектроскопия

Оксид дейтерия часто используется вместо воды при сборе FTIR- спектров белков в растворе. H ₂ O создает прочную полосу, которая перекрывается с областью амида I белков. Полоса от D ₂ O смещена от области амида I.

Нейтронный замедлитель

Тяжелая вода используется в некоторых типах ядерных реакторов , где она действует как замедлитель нейтронов, замедляя нейтроны, чтобы они с большей вероятностью вступили в реакцию с делящимся ураном-235, чем с ураном-238 , который захватывает нейтроны без деления. Реактор CANDU использует эту конструкцию. Легкая вода также действует как замедлитель, но поскольку легкая вода поглощает больше нейтронов, чем тяжелая вода, реакторы, использующие легкую воду в качестве замедлителя, должны использовать обогащенный уран, а не природный уран, иначе критичность невозможна. Значительная часть устаревших энергетических реакторов, таких как реакторы РБМК в СССР, была построена с использованием обычной воды для охлаждения и графита в качестве замедлителя . Однако опасность графита в энергетических реакторах (возгорания графита отчасти привели к Чернобыльской катастрофе ) привела к прекращению использования графита в стандартных конструкциях реакторов.

Поскольку они не требуют обогащения урана , тяжеловодные реакторы вызывают большую озабоченность с точки зрения распространения ядерного оружия . Воспроизведение и извлечение плутония могут быть относительно быстрым и дешевым путем к созданию ядерного оружия , поскольку химическое отделение плутония от топлива проще, чем изотопное отделение U-235 от природного урана. Среди нынешних и прошлых государств , обладающих ядерным оружием , Израиль, Индия и Северная Корея первыми использовали плутоний из реакторов с тяжеловодным замедлителем, сжигающих природный уран , в то время как Китай, Южная Африка и Пакистан первыми создали оружие с использованием высокообогащенного урана .

В США, однако, первый экспериментальный атомный реактор (1942 г.), а также производственные реакторы Manhattan Project Hanford, которые производили плутоний для испытаний Тринити и бомбы Fat Man , все использовали чисто углеродные (графитовые) замедлители нейтронов в сочетании с обычной водой. охлаждающие трубы. Они не работали ни с обогащенным ураном, ни с тяжелой водой. При производстве плутония в России и Великобритании также использовались реакторы с графитовым замедлителем.

Нет никаких доказательств того, что гражданские реакторы на тяжелой воде, такие как конструкции CANDU или Atucha , использовались для производства расщепляющихся материалов военного назначения. В странах, которые еще не обладают ядерным оружием, ядерный материал на этих объектах находится под гарантиями МАГАТЭ, чтобы предотвратить любое переключение.

Из-за возможности использования в программах создания ядерного оружия владение или импорт / экспорт больших промышленных объемов тяжелой воды подлежат государственному контролю в нескольких странах. Поставщики технологий производства тяжелой воды и тяжелой воды обычно применяют гарантии МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) и учет материалов в отношении тяжелой воды. (В Австралии Закон о ядерном нераспространении (гарантии) 1987 года .) В США и Канаде непромышленные количества тяжелой воды (т.е. в диапазоне от граммов до килограммов) обычно доступны без специальной лицензии через дилеров по поставкам химикатов и коммерческие компании, такие как бывший крупнейший мировой производитель Ontario Hydro .

Детектор нейтрино

Нейтринной обсерватории Садбери (SNO) в Садбери , Онтарио использует 1000 тонн тяжелой воды по кредиту от атомной энергии Канады Limited . Детектор нейтрино составляет 6,800 футов (2100 м) под землей в шахте, чтобы оградить его от мюонов , полученных космическими лучами . SNO была создана, чтобы ответить на вопрос, могут ли нейтрино электронного типа, произведенные синтезом на Солнце (единственный тип, который Солнце должно производить напрямую, согласно теории), могут превратиться в другие типы нейтрино на пути к Земля. SNO обнаруживает черенковское излучение в воде от высокоэнергетических электронов, образованных из нейтрино электронного типа, когда они подвергаются взаимодействию заряженного тока (CC) с нейтронами в дейтерии , превращая их в протоны и электроны (однако только электроны достаточно быстрые, чтобы производить Черенковское излучение для обнаружения).

SNO также обнаруживает события рассеяния электронов нейтрино (ES), когда нейтрино передает энергию электрону, который затем продолжает генерировать черенковское излучение, отличное от излучения, создаваемого событиями CC. Первая из этих двух реакций вызывается только нейтрино электронного типа, а вторая может быть вызвана всеми ароматами нейтрино. Использование дейтерия имеет решающее значение для функции SNO, потому что все три «аромата» (типа) нейтрино могут быть обнаружены также в третьем типе реакции, нейтринно-распаде, в котором нейтрино любого типа (электрон, мюон, или тау) рассеивается от ядра дейтерия ( дейтрона ), передавая достаточно энергии, чтобы разбить слабо связанный дейтрон на свободный нейтрон и протон посредством взаимодействия нейтрального тока (NC).

Это событие обнаруживается, когда свободный нейтрон поглощается ³⁵ Cl ^- присутствующим из NaCl, намеренно растворенным в тяжелой воде, вызывая излучение характерных захватывающих гамма-лучей. Таким образом, в этом эксперименте тяжелая вода не только обеспечивает прозрачную среду, необходимую для получения и визуализации черенковского излучения, но также обеспечивает дейтерий для обнаружения экзотических нейтрино мю-типа (μ) и тау (τ), а также неабсорбирующий замедлитель. среды, чтобы сохранить свободные нейтроны от этой реакции, пока они не будут поглощены легко обнаруживаемым изотопом, активируемым нейтронами.

Тестирование скорости метаболизма в физиологии и биологии

Тяжелая вода используется как часть смеси с H ₂ ¹⁸ O для общего и безопасного теста средней скорости метаболизма у людей и животных, находящихся в нормальном состоянии.

Производство трития

Тритий является активным веществом в автономном освещении и управляемом ядерном синтезе, а также в других сферах его применения, включая авторадиографию и радиоактивную маркировку . Он также используется в конструкции ядерного оружия для форсированного оружия деления и инициаторов . Некоторое количество трития образуется в реакторах с тяжеловодным замедлителем, когда дейтерий захватывает нейтрон. Эта реакция имеет малое поперечное сечение (вероятность единичного захвата нейтрона) и производит только небольшое количество трития, хотя этого достаточно, чтобы оправдать очистку трития от замедлителя каждые несколько лет для снижения экологического риска утечки трития.

Для производства большого количества трития таким способом потребуются реакторы с очень высокими потоками нейтронов или с очень высокой долей тяжелой воды в ядерном топливе и очень низким поглощением нейтронов другим материалом реактора. Затем тритий необходимо было бы извлечь путем разделения изотопов из гораздо большего количества дейтерия, в отличие от производства лития-6 (настоящий метод), где требуется только химическое разделение.

Сечение поглощения дейтерия для тепловых нейтронов составляет 0,52 миллей барна (5,2 × 10 ^-32 м ² ; 1 амбара = 10 ^-28 м ² ), в то время как те из кислорода-16 и кислорода-17 являются 0,19 и 0,24 миллибарнов, соответственно. ¹⁷ О составляет 0,038% природного кислород , что делают общее поперечное сечение 0,28 миллибарнов. Следовательно, в D ₂ O с естественным кислородом 21% захвата нейтронов приходится на кислород, повышаясь по мере увеличения ¹⁷ O от захвата нейтронов на ¹⁶ O. Кроме того, ¹⁷ O может испускать альфа-частицу при захвате нейтронов, производя радиоактивный углерод. 14 .

Смотрите также

• Холодный синтез
• Вода, обедненная дейтерием
• Межзвездный лед

использованная литература

внешние ссылки

• Тяжелая вода и тяжелая вода - Часть II в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
• Производство тяжелой воды , Федерация американских ученых
• Тяжелая вода: руководство для производителей водорода века
• Опасна ли «тяжелая вода»? Отчет персонала по прямому допингу. 9 декабря 2003 г.
• Аннотированная библиография по тяжелой воде из Цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос
• Лед должен плавать, но с небольшим количеством тяжелой воды вы можете сделать кубики, которые тонут.
• Изотопные эффекты тяжелой воды в биологических объектах Олег Мосин, Игнат Игнатов
• J. Chem. Phys. 41, 1964 г.
• Меморандум о взаимопонимании между HWB и M / s Clearsynth Меморандум о взаимопонимании между HWB и M / s Clearsynth, Мумбаи, на продажу 20 тонн тяжелой воды в год для ее неядерных применений.