Acqua pesante
L’acqua pesante è l’acqua che contiene idrogeno pesante – noto anche come deuterio – al posto dell’idrogeno normale. Può anche essere scritto come 2H2O o D2O. Il deuterio è diverso dall’idrogeno che di solito si verifica in acqua—noto come protio, poiché ogni atomo di deuterio contiene un protone e un neutrone, mentre l’idrogeno più comunemente presente contiene solo un protone.
L’acqua pesante si presenta naturalmente, tuttavia in quantità molto minori rispetto all’acqua normale., Approssimativamente, una molecola d’acqua per ogni venti milioni di molecole d’acqua è acqua pesante. Poiché il deuterio è un isotopo stabile, l’acqua pesante non è radioattiva.
Oltre ad essere utile per i reattori nucleari, l’acqua pesante è stata utilizzata anche in Canada per rilevare i neutrini dal sole al Sudbury Neutrino Observatory, fornendo importanti approfondimenti alla fisica subatomica.
Utilizzare come moderatore
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Nei reattori nucleari a fissione, i neutroni devono essere rallentati per garantire un’efficace reazione a catena di fissione., Questo processo di rallentamento dei neutroni è noto come moderazione, e il materiale che rallenta questi neutroni è noto come moderatore di neutroni. L’acqua pesante è uno dei due moderatori che possono essere utilizzati che consentono a un reattore nucleare di funzionare utilizzando uranio naturale. L’altro moderatore è grafite.
Un reattore ad acqua pesante fa uso di acqua pesante come refrigerante e moderatore. Il deuterio funziona come moderatore in quanto assorbe meno neutroni dell’idrogeno, il che è estremamente importante in quanto le reazioni di fissione nucleare richiedono ai neutroni di svolgere le loro reazioni a catena., L’acqua pesante viene mantenuta sotto pressione che aumenta il suo punto di ebollizione in modo che possa funzionare a temperature elevate senza bollire. I reattori CANDU utilizzano acqua pesante come moderatore e quindi non richiedono uranio arricchito, ma l’uranio allo stato naturale può essere utilizzato.
Produzione
Il costo dell’acqua pesante è una parte significativa del costo di costruzione di un reattore ad acqua pesante, ma rende i reattori più economici da utilizzare (poiché l’arricchimento dell’uranio non è necessario). Tecnicamente parlando, il deuterio non è “fatto” in un processo specifico, piuttosto le molecole di acqua pesante sono separate da grandi quantità di acqua contenente H2O o singolarmente acqua deuterata nel processo di solfuro di Girdler (che sarà discusso in dettaglio nei prossimi due paragrafi). L’acqua che non è pesante viene scartata ed è conosciuta come”acqua esaurita”., Un metodo alternativo esiste quando l’acqua viene elettrolizzata per produrre ossigeno e idrogeno che contiene gas normale, insieme al deuterio. L’idrogeno viene quindi liquefatto e distillato per separare i due componenti, quindi il deuterio viene fatto reagire con l’ossigeno per formare acqua pesante.
La produzione di acqua pesante richiede infrastrutture avanzate e l’acqua pesante viene prodotta attivamente in Argentina, Canada, India e Norvegia. L’impianto più grande era l’impianto di Bruce in Canada, ma ha chiuso., Tecnicamente, c’è una leggera differenza nei punti di ebollizione di acqua pesante e acqua, quindi questa differenza potrebbe essere sfruttata quando si estrae acqua pesante. Tuttavia, poiché il deuterio esiste in numeri così piccoli, un’enorme quantità di acqua dovrebbe essere bollita per ottenere quantità significative di deuterio. Ciò richiederebbe molto carburante o elettricità, quindi invece le strutture sfruttano le differenze chimiche tra i due. Il metodo chimico più importante per la produzione di acqua pesante è il processo di solfuro di Girdler.,
Il processo di solfuro di Girdler è un metodo che funziona basato su uno scambio di deuterio tra H2S e acqua leggera regolare. In questo processo, ci sono due colonne separate. Una colonna è a 30°C ed è nota come “torre fredda” mentre l’altra è a 130 °C, nota come “torre calda”. La separazione avviene sulla base di un equilibrio e delle differenze di equilibrio alle due diverse temperature. L’equazione di equilibrio è:
La ragione principale per cui questo processo funziona è il risultato del gas di idrogeno solforato che circola tra torri calde e fredde., In primo luogo, l’acqua dolce scorre nella fase a bassa temperatura insieme al gas solfuro di idrogeno arricchito con deuterio. Come risultato delle proprietà di equilibrio a questa temperatura, il deuterio migra preferenzialmente dall’idrogeno solforato arricchito all’acqua, creando acqua pesante. Questa acqua arricchita viene quindi tolta e più acqua dolce entra nello stadio ad alta temperatura insieme al gas idrogeno solforato (ora leggermente impoverito in deuterio). Qui, qualsiasi deuterio dall’acqua dolce si muove preferenzialmente al gas idrogeno solforato, arricchendolo., Questo gas arricchito torna quindi alla fase di bassa temperatura e lavora per arricchire ulteriormente l’acqua pesante. L’acqua normale dallo stadio ad alta temperatura, ora esaurita, viene aspirata. Viene quindi creata una cascata in modo che l’acqua “arricchita” — l’acqua con più deuterio-venga immessa nella torre fredda e arricchita di nuovo.