Ciężka woda
ciężka woda to woda, która zawiera ciężki Wodór – znany również jako Deuter-zamiast zwykłego wodoru. Może być również zapisany jako 2H2O lub D2O. Deuter jest inny niż wodór, który zwykle występuje w wodzie-znany jako prot, ponieważ każdy atom deuteru zawiera proton i neutron, podczas gdy częściej występujący Wodór zawiera tylko proton.
ciężka woda występuje naturalnie, jednak w znacznie mniejszych ilościach niż zwykła woda., W przybliżeniu jedna cząsteczka wody na każde dwadzieścia milionów cząsteczek wody to ciężka woda. Ponieważ Deuter jest stabilnym izotopem, ciężka woda nie jest radioaktywna.
oprócz tego, że jest przydatna w reaktorach jądrowych, ciężka woda była również używana w Kanadzie do wykrywania neutrin ze Słońca w Sudbury Neutrino Observatory, dostarczając ważnych spostrzeżeń fizyce subatomowej.
Użyj jako moderatora
Strona główna
w reaktorach rozszczepienia jądrowego neutrony muszą być spowolnione, aby zapewnić skuteczną reakcję łańcuchową rozszczepienia., Ten proces spowalniania neutronów jest znany jako moderacja, a materiał, który spowalnia te neutrony, jest znany jako moderator neutronów. Ciężka woda jest jednym z dwóch moderatorów, które mogą być stosowane, które pozwalają na działanie reaktora jądrowego przy użyciu naturalnego uranu. Drugim moderatorem jest graphite.
reaktor z ciężką wodą wykorzystuje ciężką wodę jako chłodziwo i moderator. Deuter działa jako moderator, ponieważ pochłania mniej neutronów niż wodór, co jest niezwykle ważne, ponieważ reakcje rozszczepienia jądrowego wymagają neutronów do przeprowadzenia reakcji łańcuchowych., Ciężka woda jest utrzymywana pod ciśnieniem, które zwiększa jej temperaturę wrzenia, dzięki czemu może pracować w wysokich temperaturach bez wrzenia. Reaktory CANDU wykorzystują ciężką wodę jako moderatora i dlatego nie wymagają wzbogaconego uranu, a Uran w stanie naturalnym może być używany.
produkcja
koszt ciężkiej wody stanowi znaczną część kosztów budowy reaktora ciężkiej wody, ale sprawia, że reaktory są tańsze w eksploatacji (ponieważ wzbogacanie uranu jest niepotrzebne). Technicznie rzecz biorąc, Deuter nie jest „wytwarzany” w konkretnym procesie, a cząsteczki ciężkiej wody są oddzielane od dużych ilości wody zawierającej H2O lub pojedynczo deuterowanej wody w procesie siarczku Girdlera (który zostanie szczegółowo omówiony w dwóch następnych akapitach). Woda, która nie jest ciężka, jest odrzucana i nazywana jest „wodą zubożoną”., Alternatywna metoda istnieje, gdy woda jest elektrolizowana, aby uzyskać tlen i wodór, który zawiera normalny Gaz, wraz z deuterem. Wodór jest następnie skroplony i destylowany w celu oddzielenia dwóch składników, a następnie Deuter reaguje z tlenem, tworząc ciężką wodę.
produkcja ciężkiej wody wymaga zaawansowanej infrastruktury, a ciężka woda jest aktywnie produkowana w Argentynie, Kanadzie, Indiach i Norwegii. Największym zakładem był zakład Bruce w Kanadzie, ale został zamknięty., Technicznie rzecz biorąc, istnieje niewielka różnica w temperaturze wrzenia ciężkiej wody i wody, więc różnica ta może być wykorzystana podczas ekstrakcji ciężkiej wody. Jednakże, ponieważ Deuter istnieje w tak małych ilościach, ogromna ilość wody musiałaby być zagotowana, aby uzyskać znaczne ilości deuteru. Wymagałoby to dużo paliwa lub energii elektrycznej, więc zamiast tego instalacje wykorzystują chemiczne różnice między nimi. Najważniejszą chemiczną metodą wytwarzania ciężkiej wody jest proces siarczku Girdlera.,
proces siarczku Girdlera jest metodą, która działa w oparciu o wymianę deuteru między H2S a zwykłą lekką wodą. W tym procesie istnieją dwie oddzielne kolumny. Jedna kolumna jest w temperaturze 30°C i jest znana jako „zimna Wieża”, podczas gdy druga jest w temperaturze 130 °C, znana jako „gorąca Wieża”. Separacja zachodzi na podstawie równowagi i różnic w równowadze w dwóch różnych temperaturach. Równanie równowagi jest następujące:
głównym powodem, dla którego ten proces działa, jest cyrkulacja gazu siarkowodorowego między wieżami gorącymi i zimnymi., Po pierwsze, słodka woda przepływa do etapu niskiej temperatury wraz z gazem siarkowodoru wzbogaconym deuterem. W wyniku właściwości równowagi w tej temperaturze Deuter migruje preferencyjnie z wzbogaconego siarkowodoru do wody, tworząc ciężką wodę. Ta wzbogacona woda jest następnie usuwana, a więcej świeżej wody wchodzi do etapu wysokiej temperatury wraz z gazem siarkowodoru(obecnie nieco zubożonym w deuter). Tutaj, każdy Deuter ze słodkiej wody porusza się preferencyjnie do gazu siarkowodoru, wzbogacając go., Ten wzbogacony Gaz następnie wraca do fazy niskiej temperatury i działa, aby jeszcze bardziej wzbogacić ciężką wodę. Normalna woda ze stopnia wysokiej temperatury, teraz zubożona, jest odprowadzana. Następnie ustawia się kaskadę, dzięki czemu” wzbogacona ” woda—woda z większą ilością deuteru— jest podawana do zimnej wieży i ponownie wzbogacana.