Тяжелая вода

Тяжелая вода это вода, содержащая тяжелый водород, также известная как дейтерий — вместо обычного водорода. Это также может быть записано как 2 часа₂О или же Д₂О. Дейтерий отличается от водорода, который обычно содержится в воде. протий, так как каждый атом дейтерия содержит протон и нейтрон, в то время как более распространенный водород содержит только протон. [2]

Тяжелая вода встречается в природе, но в гораздо меньших количествах, чем обычная вода. Приблизительно одна молекула воды на каждые двадцать миллионов молекул воды является тяжелой водой. Поскольку дейтерий является стабильным изотопом, тяжелая вода не радиоактивна. [3]

Помимо использования в ядерных реакторах, тяжелая вода также использовалась в Канаде для обнаружения нейтрино от Солнца в нейтринной обсерватории Садбери, что дало важные сведения о субатомной физике.

Использовать в качестве модератора

В ядерных реакторах деления нейтроны должны замедляться, чтобы обеспечить эффективную цепную реакцию деления. Этот процесс замедления нейтронов известен как замедление, а материал, который замедляет эти нейтроны, известен как замедлитель нейтронов. Тяжелая вода является одним из двух замедлителей, которые позволяют ядерному реактору работать на природном уране. Другой замедлитель — графит. [4]

Тяжеловодный реактор использует тяжелую воду в качестве теплоносителя и замедлителя. Дейтерий работает как замедлитель, поскольку он поглощает меньше нейтронов, чем водород, что чрезвычайно важно, поскольку ядерные реакции деления требуют нейтронов для осуществления своих цепных реакций. [5] Тяжелая вода находится под давлением, что повышает ее температуру кипения, так что она может работать при высоких температурах без кипения. Реакторы CANDU используют тяжелую воду в качестве замедлителя и, таким образом, не требуют обогащенного урана, вместо этого можно использовать уран в его естественном состоянии.

Производство

Рис. 2. Образец установки сульфидного процесса Гирдлера, показывающий горячие и холодные колонны, а также точки отбора обогащенной и обедненной воды. [6]

Стоимость тяжелой воды составляет значительную часть стоимости строительства тяжеловодного реактора, но удешевляет эксплуатацию реакторов (поскольку обогащение урана не требуется).С технической точки зрения, дейтерий не «создается» в каком-то конкретном процессе, скорее молекулы тяжелой воды отделяются от больших количеств воды, содержащей H.₂O или однократно дейтерированная вода в Сульфидный процесс Гирдлера (что будет подробно рассмотрено в следующих двух абзацах). Вода, которая не тяжелая, выбрасывается и известна как «обедненная вода». Существует альтернативный метод, когда вода подвергается электролизу для получения кислорода и водорода, которые содержат нормальный газ вместе с дейтерием. [4] Затем водород сжижается и перегоняется для разделения двух компонентов, затем дейтерий реагирует с кислородом с образованием тяжелой воды.

Производство тяжелой воды требует развитой инфраструктуры, и тяжелая вода активно производится в Аргентине, Канаде, Индии и Норвегии. Крупнейшим заводом был завод Брюса в Канаде, но он закрылся. Технически существует небольшая разница в температурах кипения тяжелой воды и воды, поэтому эту разницу можно использовать при извлечении тяжелой воды. [4] Однако, поскольку дейтерий существует в таких малых количествах, необходимо кипятить огромное количество воды, чтобы получить значительное количество дейтерия. Для этого потребуется много топлива или электричества, поэтому вместо этого предприятия используют химические различия между ними. Наиболее важным химическим методом получения тяжелой воды является сульфидный процесс Гирдлера.

Сульфидный процесс Гирдлера это метод, основанный на обмене дейтерием между H₂S и обычная легкая вода. В этом процессе есть два отдельных столбца. Одна колонна имеет температуру 30 ° C и известна как «холодная башня», а другая — при 130 ° C, известная как «горячая башня». Разделение происходит на основе равновесия и различий в равновесии при двух разных температурах. Уравнение равновесия: [4]

Основная причина того, что этот процесс работает, заключается в том, что газообразный сероводород циркулирует между горячей и холодной градирнями.Сначала в низкотемпературную ступень поступает пресная вода вместе с обогащенным дейтерием сероводородным газом. В результате равновесных свойств при этой температуре дейтерий преимущественно мигрирует из обогащенного сероводородом в воду, создавая тяжелую воду. Затем эта обогащенная вода удаляется, и больше пресной воды поступает на высокотемпературную стадию вместе с газообразным сероводородом (теперь немного обедненным дейтерием). Здесь любой дейтерий из пресной воды переходит преимущественно в сероводородный газ, обогащая его. Затем этот обогащенный газ возвращается на низкотемпературную стадию и работает над дальнейшим обогащением тяжелой воды. Обычная вода из высокотемпературной ступени, теперь истощенная, отводится. Затем создается каскад, так что «обогащенная» вода — вода с большим содержанием дейтерия — подается в охлаждающую градирню и снова обогащается. [4]

использованная литература

1. ↑ Викисклад. (16 июня 2015 г.). Тяжелая вода [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e4/Heavy-water-3D-vdW.svg
2. ↑ Энн Мари Хелменстайн. (16 июня 2015 г.). Что такое тяжелая вода? [Онлайн]. Доступно: http://chemistry.about.com/od/waterchemistry/f/What-Is-Heavy-Water.htm
3. ↑ Энн Мари Хелменстайн. (16 июня 2015 г.). Является ли тяжелая вода радиоактивной? [Онлайн]. Доступно: http://chemistry.about.com/od/waterchemistry/f/Is-Heavy-Water-Radioactive.htm
4. ↑ 4.04.14.24.34.4 Федерация американских ученых. (17 июня 2015 г.). Производство тяжелой воды [Онлайн]. Доступно: https://fas.org/nuke/intro/nuke/heavy.htm
5. ↑ Р. Вольфсон, «Ядерное деление» в Энергия, окружающая среда и климат, 2-е изд., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: W.W. Нортон и компания, 2012, гл. 7, с. 4, стр. 173
6. ↑ Викисклад. (18 июня 2015 г.). Гирдлеровский процесс [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/45/Girdler.svg/640px-Girdler.svg.png