Těžká voda
Těžká voda je voda, která obsahuje těžký vodík – také známý jako deuterium – v místě pravidelného vodíku. To může také být psán jako 2H2O nebo D2O. Deuterium je jiný než vodík, který se obvykle vyskytuje ve vodě—známý jako protium, protože každý atom deuteria obsahuje proton a neutron, zatímco běžně se vyskytující vodíku obsahuje pouze proton.
těžká voda se vyskytuje přirozeně, avšak v mnohem menším množství než běžná voda., Přibližně jedna molekula vody na každých dvacet milionů molekul vody je těžká voda. Protože deuterium je stabilní izotop, těžká voda není radioaktivní.
kromě toho, že užitečné pro jaderné reaktory, těžká voda byla použita také v Kanadě detekovat neutrina ze slunce v Sudbury Neutrino Observatory, poskytují důležité poznatky pro subatomární fyziky.
použijte jako moderátor
hlavní stránka
v jaderných štěpných reaktorech musí být neutrony zpomaleny, aby se zajistila účinná štěpná řetězová reakce., Tento proces zpomalení neutronů dolů je známý jako umírněnost a materiál, který zpomaluje tyto neutrony, je známý jako neutronový moderátor. Těžká voda je jedním ze dvou moderátorů, které mohou být použity, které umožňují jaderný reaktor pracovat s použitím přírodního uranu. Druhým moderátorem je grafit.
těžký vodní reaktor využívá těžkou vodu jako chladicí kapalinu a moderátor. Deuterium funguje jako moderátor, protože absorbuje méně neutronů než vodík, což je nesmírně důležité, protože jaderné štěpné reakce vyžadují, aby neutrony prováděly své řetězové reakce., Těžká voda je udržována pod tlakem, který zvyšuje její teplotu varu, takže může pracovat při vysokých teplotách bez varu. Reaktory CANDU využívají jako své moderátory těžkou vodu, a proto nevyžadují obohacený uran, lze použít spíše uran v jeho přirozeném stavu.
produkce
Obrázek 2. Nastavení vzorku procesu sulfidu nosníku, ukazující horké a chladné sloupce spolu s tím, kde je čerpána obohacená a vyčerpaná voda., náklady na těžkou vodu jsou významnou součástí stavebních nákladů na těžký vodní reaktor, ale reaktory jsou levnější (protože obohacování uranu je nepotřebné). Technicky vzato, deuterium není „vyroben“ konkrétní proces, spíše molekuly těžké vody jsou odděleny od velkého množství vody s obsahem H2O nebo jednotlivě deuterované vody v Girdler sulfid procesu (které budou podrobně popsány v následujících dvou odstavcích). Voda, která není těžká, je vyřazena a je známá jako „vyčerpaná voda“., Alternativní metoda existuje, když voda je elektrolýza, aby se kyslík a vodík, které obsahuje normální plyn, spolu s deuteriem. Vodík se pak zkapalní a destiluje, aby se oddělily obě složky, pak se deuterium reaguje kyslíkem za vzniku těžké vody.
výroba těžké vody vyžaduje pokročilou infrastrukturu a těžká voda se aktivně vyrábí v Argentině, Kanadě, Indii a Norsku. Největší závod byl závod Bruce v Kanadě, ale byl vypnut., Technicky je malý rozdíl v bodech varu těžké vody a vody, takže tento rozdíl lze využít při těžbě těžké vody. Vzhledem k tomu, že deuterium existuje v tak malém počtu, je třeba vařit obrovské množství vody, aby se dosáhlo významného množství deuteria. To by vyžadovalo hodně paliva nebo elektřiny, takže místo toho zařízení využívají chemické rozdíly mezi těmito dvěma. Nejdůležitější chemickou metodou pro výrobu těžké vody je proces sulfidu nosníku.,
proces sulfidu nosníku je metoda, která funguje na základě výměny deuteria mezi H2S a pravidelnou lehkou vodou. V tomto procesu existují dva samostatné sloupce. Jeden sloup je při 30 ° C a je známý jako“ studená věž“, zatímco druhý je při 130 °C, známý jako“horká věž“. K separaci dochází na základě rovnováhy a rozdílů v rovnováze při dvou různých teplotách. Rovnovážná rovnice je:
hlavním důvodem, proč tento proces funguje, je výsledek cirkulace sirovodíku mezi horkými a studenými věžemi., Za prvé, sladká voda proudí do nízkoteplotního stupně spolu s plynem sirovodíku obohaceným deuteriem. V důsledku rovnovážných vlastností při této teplotě migruje deuterium přednostně z obohaceného sirovodíku do vody a vytváří těžkou vodu. Tato obohacená voda je pak přijata off, a více vody vstupuje do vysoké teploty fázi spolu s sirovodík, plyn (nyní o něco ochuzený o deuterium). Zde se každé deuterium ze sladké vody pohybuje přednostně k sirovodíkovému plynu a obohacuje ho., Tento obohacený plyn se pak přesune zpět do nízkoteplotního stupně a pracuje na dalším obohacení těžké vody. Normální voda z vysokoteplotního stupně, nyní vyčerpaná, je odebrána. Poté je zřízena kaskáda, takže“ obohacená “ voda-voda s větším množstvím deuteria-je přiváděna do studené věže a znovu obohacena.