Schweres Wasser in
Schweres Wasser ist Wasser, das anstelle von normalem Wasserstoff schweren Wasserstoff – auch Deuterium genannt – enthält. Deuterium unterscheidet sich von dem Wasserstoff, der normalerweise in Wasser vorkommt-bekannt als Protium, da jedes Deuteriumatom ein Proton und ein Neutron enthält, während häufiger vorkommender Wasserstoff nur ein Proton enthält.
Schweres Wasser kommt natürlich vor, jedoch in viel geringeren Mengen als normales Wasser., Ungefähr ein Wassermolekül pro zwanzig Millionen Wassermoleküle ist schweres Wasser. Da Deuterium ein stabiles Isotop ist, ist schweres Wasser nicht radioaktiv.
Schwerwasser ist nicht nur für Kernreaktoren nützlich, sondern wurde auch in Kanada zum Nachweis von Neutrinos von der Sonne am Sudbury Neutrino Observatory verwendet, was wichtige Erkenntnisse für die subatomare Physik liefert.
Verwendung als Moderator
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In Kernspaltungsreaktoren müssen die Neutronen verlangsamt werden, um eine effektive Spaltkettenreaktion zu gewährleisten., Dieser Prozess der Verlangsamung von Neutronen wird als Moderation bezeichnet, und das Material, das diese Neutronen verlangsamt, wird als Neutronenmoderator bezeichnet. Schwerwasser ist einer der beiden Moderatoren, mit denen ein Kernreaktor mit natürlichem Uran betrieben werden kann. Der andere Moderator ist Graphit.
Ein Schwerwasserreaktor nutzt Schwerwasser als Kühlmittel und Moderator. Deuterium wirkt als Moderator, da es weniger Neutronen absorbiert als Wasserstoff, was äußerst wichtig ist, da Kernspaltungsreaktionen Neutronen erfordern, um ihre Kettenreaktionen auszuführen., Das schwere Wasser wird unter Druck gehalten, was seinen Siedepunkt erhöht, so dass es bei hohen Temperaturen ohne Kochen arbeiten kann. CANDU-Reaktoren verwenden schweres Wasser als Moderator und benötigen daher kein angereichertes Uran, sondern Uran in seinem natürlichen Zustand kann verwendet werden.
Produktion
Die Kosten für das Schwerwasser machen einen erheblichen Teil der Baukosten eines Schwerwasserreaktors aus, machen den Betrieb der Reaktoren jedoch billiger (da die Urananreicherung nicht erforderlich ist). Technisch gesehen wird Deuterium nicht in einem bestimmten Prozess „hergestellt“, sondern Moleküle aus schwerem Wasser werden im Girdler Sulfid-Prozess von großen Wassermengen getrennt, die H2O oder einzeln deuteriertes Wasser enthalten (was in den nächsten beiden Absätzen ausführlich besprochen wird). Das Wasser, das nicht schwer ist, wird verworfen und wird als „erschöpftes Wasser“bezeichnet., Eine alternative Methode besteht, wenn Wasser elektrolysiert wird, um Sauerstoff und Wasserstoff herzustellen, die zusammen mit Deuterium normales Gas enthalten. Der Wasserstoff wird dann verflüssigt und destilliert, um die beiden Komponenten zu trennen, dann wird das Deuterium mit Sauerstoff unter Bildung von schwerem Wasser reagiert.
Die Herstellung von Schwerwasser erfordert eine fortschrittliche Infrastruktur, und in Argentinien, Kanada, Indien und Norwegen wird aktiv Schwerwasser produziert. Das größte Werk war das Bruce-Werk in Kanada, wurde aber geschlossen., Technisch gesehen gibt es einen geringfügigen Unterschied in den Siedepunkten von schwerem Wasser und Wasser, so dass dieser Unterschied beim Extrahieren von schwerem Wasser ausgenutzt werden könnte. Da Deuterium jedoch in so geringen Mengen vorhanden ist, müsste eine enorme Menge Wasser gekocht werden, um signifikante Mengen an Deuterium zu erhalten. Dies würde viel Kraftstoff oder Strom erfordern, so dass stattdessen Einrichtungen chemische Unterschiede zwischen den beiden ausnutzen. Die wichtigste chemische Methode zur Herstellung von schwerem Wasser ist das Girdler Sulfid-Verfahren.,
Das Girdler Sulfid-Verfahren ist eine Methode, die auf einem Austausch von Deuterium zwischen H2S und normalem Leichtwasser basiert. In diesem Prozess gibt es zwei separate Spalten. Eine Säule ist bei 30°C und wird als „Cold Tower“ bekannt, während die andere bei 130 °C ist, bekannt als „Hot Tower“. Die Trennung erfolgt auf der Grundlage eines Gleichgewichts und der Gleichgewichtsunterschiede bei den beiden unterschiedlichen Temperaturen. Die Gleichgewichtsgleichung lautet:
Der Hauptgrund, warum dieser Prozess funktioniert, ist das Ergebnis der Zirkulation von Schwefelwasserstoffgas zwischen heißen und kalten Türmen., Zunächst fließt Süßwasser zusammen mit Deuterium-angereichertem Schwefelwasserstoffgas in die Niedertemperaturstufe. Infolge der Gleichgewichtseigenschaften bei dieser Temperatur wandert Deuterium bevorzugt von dem angereicherten Schwefelwasserstoff zum Wasser und erzeugt schweres Wasser. Dieses angereicherte Wasser wird dann abgenommen, und mehr Süßwasser tritt zusammen mit dem Schwefelwasserstoffgas (jetzt leicht in Deuterium erschöpft) in die Hochtemperaturstufe ein. Hier bewegt sich jedes Deuterium aus dem Süßwasser bevorzugt zum Schwefelwasserstoffgas und bereichert es., Dieses angereicherte Gas bewegt sich dann zurück in die Niedrigtemperaturstufe und reichert das schwere Wasser weiter an. Normales Wasser aus der Hochtemperaturstufe, das jetzt erschöpft ist, wird abgezogen. Eine Kaskade wird dann so eingerichtet, dass“ angereichertes “ Wasser-Wasser mit mehr Deuterium-in den Kühlturm eingespeist und wieder angereichert wird.