El agua pesada
El agua pesada es agua que contiene hidrógeno pesado, también conocido como deuterio, en lugar del hidrógeno regular. También se puede escribir como 2H2O o D2O. el deuterio es diferente al hidrógeno que generalmente se encuentra en el agua, conocido como protio, ya que cada átomo de deuterio contiene un protón y un neutrón, mientras que el hidrógeno más común contiene solo un protón.
El agua pesada ocurre naturalmente, sin embargo en cantidades mucho más pequeñas que el agua regular., Aproximadamente, una molécula de agua por cada veinte millones de moléculas de agua es agua pesada. Dado que el deuterio es un isótopo estable, el agua pesada no es radiactiva.
además de ser útil para reactores nucleares, el agua pesada también se ha utilizado en Canadá para detectar neutrinos del sol en el Observatorio de neutrinos de Sudbury, proporcionando información importante para la física subatómica.
uso como moderador
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en los reactores de fisión nuclear, los neutrones deben ralentizarse para garantizar que se produzca una reacción en cadena de fisión efectiva., Este proceso de ralentización de neutrones se conoce como moderación, y el material que ralentiza estos neutrones se conoce como moderador de neutrones. El agua pesada es uno de los dos moderadores que se pueden utilizar para permitir que un reactor nuclear funcione utilizando uranio natural. El otro moderador es graphite.
Un reactor de agua pesada utiliza agua pesada como refrigerante y moderador. El deuterio funciona como moderador ya que absorbe menos neutrones que el hidrógeno, lo cual es extremadamente importante ya que las reacciones de fisión nuclear requieren neutrones para llevar a cabo sus reacciones en cadena., El agua pesada se mantiene bajo presión, lo que aumenta su punto de ebullición para que pueda funcionar a altas temperaturas sin hervir. Los reactores CANDU utilizan agua pesada como moderador y, por lo tanto, no requieren uranio enriquecido, sino que se puede usar uranio en su estado natural.
Producción
el costo del agua pesada es una parte significativa del costo de construcción de un reactor de agua pesada, pero hace que los reactores sean más baratos de operar (ya que el enriquecimiento de uranio no es necesario). Técnicamente hablando, el deuterio no se «fabrica» en un proceso específico, sino que las moléculas de agua pesada se separan de grandes cantidades de agua que contienen H2O o agua deuterada individual en el proceso de sulfuro de Girdler (que se discutirá en detalle en los próximos dos párrafos). El agua que no es pesada se descarta y se conoce como»agua agotada»., Existe un método alternativo cuando el agua se electroliza para producir oxígeno e hidrógeno que contiene gas normal, junto con deuterio. El hidrógeno se licúa y se destila para separar los dos componentes, luego el deuterio se hace reaccionar con oxígeno para formar agua pesada.
la producción de agua pesada requiere una infraestructura avanzada, y el agua pesada se produce activamente en Argentina, Canadá, India y Noruega. La planta más grande fue la planta Bruce en Canadá, pero ha cerrado., Técnicamente, hay una ligera diferencia en los puntos de ebullición del agua pesada y el agua, por lo que esta diferencia podría aprovecharse al extraer agua pesada. Sin embargo, dado que el deuterio existe en cantidades tan pequeñas, se necesitaría hervir una enorme cantidad de agua para obtener cantidades significativas de deuterio. Esto requeriría una gran cantidad de combustible o electricidad, por lo que en su lugar las instalaciones explotan las diferencias químicas entre los dos. El método químico más importante para producir agua pesada es el proceso de sulfuro Girdler.,
el proceso de sulfuro de Girdler es un método que funciona basado en un intercambio de deuterio entre H2S y agua ligera regular. En este proceso, hay dos columnas separadas. Una columna está a 30°C y se conoce como la «torre fría», mientras que la otra está a 130 °C, conocida como la «torre caliente». La separación se produce sobre la base de un equilibrio y las diferencias en el equilibrio a las dos temperaturas diferentes. La ecuación de equilibrio es:
la razón principal por la que este proceso funciona es el resultado de que el gas sulfuro de hidrógeno circula entre torres calientes y frías., Primero, el agua dulce fluye hacia la etapa de baja temperatura junto con el gas sulfuro de hidrógeno enriquecido con deuterio. Como resultado de las propiedades de equilibrio a esta temperatura, el deuterio migra preferentemente del sulfuro de hidrógeno enriquecido al agua, creando agua pesada. Esta agua enriquecida se retira, y más agua dulce entra en la etapa de alta temperatura junto con el gas sulfuro de hidrógeno (ahora ligeramente agotado en deuterio). Aquí, cualquier deuterio del agua dulce se mueve preferentemente al gas sulfuro de hidrógeno, enriqueciéndolo., Este gas enriquecido luego vuelve a la etapa de baja temperatura, y trabaja para enriquecer aún más el agua pesada. El agua Normal de la etapa de alta temperatura, ahora agotada, se extrae. A continuación, se establece una cascada para que el agua «enriquecida»—agua con más deuterio— se alimenta a la torre fría y se enriquece de nuevo.