Tungt vatten
tungt vatten är vatten som innehåller tungt väte – även känt som deuterium – i stället för vanligt väte. Det kan också skrivas som 2H2O eller D2O. Deuterium är en annan än den vätgas som vanligtvis förekommer i vatten—känd som protium, eftersom varje atom av deuterium innehåller en proton och en neutron, medan mer vanligt förekommande väte innehåller endast en proton.
tungt vatten förekommer naturligt, men i mycket mindre mängder än vanligt vatten., Ungefär en vattenmolekyl för varje tjugo miljoner vattenmolekyler är tungt vatten. Eftersom deuterium är en stabil isotop är tungt vatten inte radioaktivt.
förutom att vara användbar för kärnreaktorer har tungt vatten också använts i Kanada för att upptäcka neutriner från solen vid Sudbury Neutrino Observatory, vilket ger viktiga insikter till subatomär fysik.
Använd som Moderator
huvudsida
i kärnklyvningsreaktorer måste neutronerna sakta ner för att säkerställa en effektiv fissionskedjereaktion., Denna process att sakta ner neutroner är känd som moderering, och materialet som saktar ner dessa neutroner är känt som en neutronmoderator. Tungt vatten är en av de två moderatorer som kan användas som tillåter en kärnreaktor att arbeta med naturligt uran. Den andra moderatorn är grafit.
en tung vattenreaktor använder tungt vatten som kylvätska och moderator. Deuterium fungerar som moderator eftersom det absorberar färre neutroner än väte, vilket är extremt viktigt eftersom kärnfissionsreaktioner kräver neutroner för att utföra sina kedjereaktioner., Det tunga vattnet hålls under tryck vilket ökar kokpunkten så att den kan arbeta vid höga temperaturer utan kokning. CANDU reaktorer använder tungt vatten som deras moderator och därmed inte kräver anrikat uran, snarare uran i sitt naturliga tillstånd kan användas.
produktion
kostnaden för tungt vatten är en betydande del av byggnadskostnaden för en tung vattenreaktor, men gör reaktorerna billigare att använda (eftersom urananrikning är onödig). Tekniskt sett är deuterium inte ”gjort” i en specifik process, utan molekyler av tungt vatten separeras från stora mängder vatten som innehåller H2O eller enskilt deuterat vatten i Girdler sulfid-processen (som kommer att diskuteras i detalj i de följande två styckena). Vattnet som inte är tungt kasseras och kallas ”utarmat vatten”., En alternativ metod finns när vatten elektrolyseras för att göra syre och väte som innehåller normal gas, tillsammans med deuterium. Vätet kondenseras sedan och destilleras för att separera de två komponenterna, sedan reageras deuterium med syre för att bilda tungt vatten.
produktion av tungt vatten kräver avancerad infrastruktur, och tungt vatten produceras aktivt i Argentina, Kanada, Indien och Norge. Den största växten var Bruce-fabriken i Kanada, men har stängts av., Tekniskt sett finns det en liten skillnad i kokpunkterna för tungt vatten och vatten, så denna skillnad kan utnyttjas vid utvinning av tungt vatten. Eftersom deuterium finns i så små mängder skulle dock en enorm mängd vatten behöva kokas för att erhålla betydande mängder deuterium. Detta skulle kräva mycket bränsle eller el, så i stället utnyttjar anläggningar kemiska skillnader mellan de två. Den viktigaste kemiska metoden för att producera tungt vatten är Girdler sulfid-processen.,
Girdler sulfid-processen är en metod som fungerar baserat på en utbyte av deuterium mellan H2S och vanligt lättvatten. I denna process finns det två separata kolumner. En kolonn är vid 30 ° C och är känd som ”cold tower” medan den andra är vid 130 °C, känd som ”hot tower”. Separationen sker baserat på en jämvikt och skillnaderna i jämvikt vid de två olika temperaturerna. Jämviktsekvationen är:
den främsta anledningen till att denna process fungerar är ett resultat av att vätesulfidgas cirkuleras mellan heta och kalla torn., För det första strömmar färskt vatten in i lågtemperatursteget tillsammans med deuteriumberikad vätesulfidgas. Som ett resultat av jämviktsegenskaperna vid denna temperatur migrerar Deuterium företrädesvis från den berikade vätesulfiden till vattnet och skapar tungt vatten. Detta berikade vatten tas sedan av och mer färskt vatten går in i högtemperatursteget tillsammans med vätesulfidgasen (nu lite utarmad i deuterium). Här rör sig något Deuterium från färskvattnet företrädesvis till vätesulfidgasen och berikar den., Denna berikade gas flyttar sedan tillbaka till lågtemperaturstadiet och arbetar för att ytterligare berika det tunga vattnet. Normalt vatten från högtemperaturstadiet, nu utarmat, dras av. En kaskad sätts sedan upp så ”berikad” vatten-vatten med mer deuterium-matas in i det kalla tornet och berikas igen.