Nehézvíz
a nehézvíz olyan víz, amely rendszeres hidrogén helyett nehéz hidrogént – más néven deutériumot – tartalmaz. Azt is meg lehet írni, mint 2H2O vagy D2O. Deutérium különbözik a hidrogén, amely általában akkor fordul elő a vízben-ismert protium, mivel minden atom deutérium tartalmaz egy proton és egy neutron, míg a gyakrabban előforduló hidrogén csak egy proton.
a nehézvíz természetesen előfordul, azonban sokkal kisebb mennyiségben, mint a szokásos víz., Körülbelül egy vízmolekula minden húszmillió vízmolekulához nehéz víz. Mivel a deutérium stabil izotóp, a nehéz víz nem radioaktív.
amellett, hogy hasznos az atomreaktorok számára, Kanadában nehézvizet is használtak a napból származó neutrínók kimutatására a Sudbury Neutrino Obszervatóriumban, amely fontos betekintést nyújt a szubatomi fizikába.
moderátorként történő használat
Főoldal
a maghasadási reaktorokban a neutronokat le kell lassítani a hatékony hasadási láncreakció biztosítása érdekében., A neutronok lassításának ezt a folyamatát mérséklésnek nevezik, és az anyagot, amely lelassítja ezeket a neutronokat, neutron moderátornak nevezik. A nehézvíz egyike annak a két moderátornak, amelyek felhasználhatók, amelyek lehetővé teszik az atomreaktor természetes urán felhasználásával történő működését. A másik moderátor a grafit.
egy nehézvizes reaktor hűtőfolyadékként és moderátorként használja a nehézvizet. A deutérium moderátorként működik, mivel kevesebb neutront szív fel, mint a hidrogén, ami rendkívül fontos, mivel a maghasadási reakciók neutronokat igényelnek láncreakcióik elvégzéséhez., A nehéz vizet nyomás alatt tartják, ami növeli forráspontját, hogy magas hőmérsékleten forralás nélkül működjön. A CANDU reaktorok moderátorként nehézvizet használnak, így nem igényelnek dúsított uránt, hanem természetes állapotban lévő uránt lehet használni.
gyártás
a nehézvíz költsége jelentős része egy nehézvizes reaktor építési költségének, de olcsóbbá teszi a reaktorok üzemeltetését (mivel az urándúsítás szükségtelen). Technikailag szólva, a deutérium nem” készül ” egy adott folyamatban, inkább a nehézvíz molekuláit elválasztják a nagy mennyiségű víztől, amely H2O-t vagy önmagában deuterált vizet tartalmaz a Girdler-szulfid folyamatban (amelyet a következő két bekezdésben részletesen tárgyalunk). A nem nehéz vizet eldobják, és “kimerült víznek”nevezik., Alternatív módszer létezik, ha a vizet elektrolizálják, hogy a normál gázt tartalmazó oxigént és hidrogént a deutériummal együtt előállítsák. A hidrogént ezután cseppfolyósítjuk és desztilláljuk, hogy elkülönítsük a két komponenst, majd a deutériumot oxigénnel reagáljuk, hogy nehéz vizet képezzünk.
a nehézvíz előállítása fejlett infrastruktúrát igényel, a nehézvizet pedig aktívan gyártják Argentínában, Kanadában, Indiában és Norvégiában. A legnagyobb üzem a kanadai Bruce üzem volt, de leállt., Technikailag a nehézvíz és a víz forráspontjaiban van egy kis különbség, így ezt a különbséget nehézvíz kitermelésekor ki lehet használni. Mivel azonban a deutérium ilyen kis számban létezik, hatalmas mennyiségű vizet kell forralni, hogy jelentős mennyiségű deutériumot kapjunk. Ehhez sok üzemanyagra vagy villamos energiára lenne szükség, ezért ehelyett a létesítmények kihasználják a kettő közötti kémiai különbségeket. A nehézvíz előállításának legfontosabb kémiai módszere a Girdler-szulfid folyamat.,
a Girdler-szulfid eljárás olyan módszer, amely a deutérium H2S és a normál könnyű víz közötti cseréjén alapul. Ebben a folyamatban két külön oszlop van. Az egyik oszlop 30°C-on van, a másik “hideg torony” néven ismert, míg a másik 130 °C-on, a “forró torony”néven ismert. Az elválasztás az egyensúly és az egyensúlyi különbségek alapján történik a két különböző hőmérsékleten. Az egyensúlyi egyenlet:
ennek a folyamatnak a fő oka a hidrogén-szulfid gáz meleg és hideg tornyok közötti keringése., Először is, az édesvíz az alacsony hőmérsékletű szakaszba áramlik a deutériummal dúsított hidrogén-szulfid gázzal együtt. Ennek eredményeként az egyensúlyi tulajdonságok ezen a hőmérsékleten, deutérium vándorol előnyösen a dúsított hidrogén-szulfid a vízbe, ami nehéz víz. Ezt a dúsított vizet ezután leveszik, és több friss víz lép be a magas hőmérsékletű szakaszba a hidrogén-szulfid gázzal együtt (most kissé kimerült a deutériumban). Itt az édesvízből származó deutérium előnyben részesíti a hidrogén-szulfid gázt, gazdagítva azt., Ez a dúsított gáz ezután visszakerül az alacsony hőmérsékletű szakaszba, és tovább gazdagítja a nehézvizet. A magas hőmérsékletű szakaszból származó normál víz, amely most kimerült, le van húzva. Ezután egy kaszkádot állítanak fel, így a” dúsított ” vizet—több deutériummal ellátott vizet— a hideg toronyba táplálják, majd újra dúsítják.