آب سنگین، از تاریخچه تا کاربرد ها

تاریخچه آب سنگین 

تاریخچه تولید آب سنگین والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی کرد. هارولد یوری یکی از شیمیدانان دانشگاه کلمبیا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را کشف کند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الکترولیز تهیه کند. هوسی و هافر نیز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده کردند و با انجام اولین آزمون های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.

تولید آب سنگین

در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می توان با استفاده از روش هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می شود زیرا مولکول های آب هیدروژن های خود را با یکدیگر عوض می کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول H2O آب معمولی و یک مولکول D2O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش های تقطیر یا الکترولیز به دستگاه های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می کنند.

کاربردهای آب سنگین آب سنگین در پژوهش های علمی در حوزه های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشکی، فیزیک و... کاربردهای فراوانی دارد که در زیر به چند مورد آن اشاره می کنیم.

طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته

در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته NMR هنگامی که هسته مورد نظر ما هیدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگین استفاده می کنند. در این حالت چون سیگنال های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می کند، می توان از آب سنگین استفاده کرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال های هیدروژن تداخل نمی کند.

کند کننده نوترون آب سنگین در بعضی از انواع رآکتورهای هسته ای نیز به عنوان کند کننده نوترون به کار می رود. نوترون های کند می توانند با اورانیوم واکنش بدهند.

از آب سبک یا آب معمولی هم می توان به عنوان کند کننده استفاده کرد، اما از آنجایی که آب سبک نوترون های حرارتی را هم جذب می کنند، رآکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگین می تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح های هسته ای مربوط است.

رآکتورهای تولید آب سنگین را می توان به گونه ای ساخت که بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل کند.

البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می توان از روش های دیگری هم استفاده کرد. کشورهای هند، اسرائیل، پاکستان، کره شمالی، روسیه و آمریکا از رآکتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی استفاده کردند.با توجه به امکان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته ای، در بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می کند. اما در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد.

هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸/۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می توان رآکتور تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق العاده خالص به عنوان کند کننده استفاده شود از آنجایی که نازی ها از کربن ناخالص استفاده می کردند، متوجه این نکته نشدند در حقیقت از اولین رآکتور اتمی آزمایشی آمریکا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی شد.

کاربرد نوترون در آشکارسازی نوترینو

آشکار سازی نوترینو رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می کند. آشکار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یک معدن قدیمی کار گذاشته شده تا مئون های پرتو های کیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینوهای الکترون که از همجوشی در خورشید تولید می شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش ها ضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشکارسازی انواع نوترینوها را فراهم می کند.

آزمون های سوخت و ساز در بدن از مخلوط آب سنگین با ۱۸O H2 آبی که اکسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برای انجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می نامند. تولید تریتیم هنگامی که دوتریم رآکتور آب سنگین یک نوترون به دست می آورد به تریتیم ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیده ای نیاز ندارد و آسان تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه های گرما هسته ای کاربرد دارد.