آب سنگین: تاریخچه
"هارولد یوری" ( (Harold Urey , 1893-1981شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها كه در سال ۱۹۳۴جایزه نوبل در شیمی گرفت،در سال ۱۹۳۱ میلادی "ایزوتوپ هیدروژن سنگین"را كه بعدها به منظور افزیش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، كشف كرد.
همچنین در سال "،۱۹۳۳گیلبرت نیوتن لوئیس"((Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیكدان مشهور آمریكیی و استاد هارولد یوری،توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را بوسیله عمل الكترولیز بوجود آورد.
اولین كاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴توسط دو بیولوژیست بنامهای هوسی ( (Hevesyو هافر( (Hofferصورت گرفت.
آنها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیكی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.
* آب سنگین : مفهوم و مراحل تولید
آب سنگین ( (D20نوع خاصی از مولكولهای آب است كه در آن ایزوتوپهای هیدروژن حضور دارند.
این نوع از آب كلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی است و به همین دلیل تولید و تجارت آن تحت نظر قوانین بین‌المللی صورت گرفته و بشدت كنترل می‌شود.
با كمك این نوع از آب می‌توان پلوتونیوم لازم بری سلاح هی اتمی را بدون نیاز به غنی‌سازی بالی اورانیوم تهیه كرد. از كاربردهای دیگر این آب می توان به استفاده از آن در رآكتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیوم، بعنوان متعادل‌كننده ( (Moderatorبه جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمای رآكتور نام برد.
آب سنگین واژه‌ای است كه معمولا به اكسید هیدروژن سنگین، D2Oیا ۲H2Oاطلاق می شود.
هیدروژن سنگین یا دوتریوم ( (Deuteriumایزوتوپی پایدار از هیدروژن است كه به نسبت یك به ۶۴۰۰از اتمهای هیدروژن درطبیعت وجود دارد.
خواص فیزیكی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب سبك H2Oاست.
اتمهای دوتریوم ایزوتوپهای سنگینی هستند كه بر خلاف هیدروژن معمولی، هسته آنها شامل نوترون نیز هست.
جایگزینی هیدروژن با دوتریوم در مولكولهای آب سطح انرژی پیوندهای مولكولی را تغییر داده و طبیعتا" خواص متفاوت فیزیكی، شیمییی و بیولوژیكی را موجب می شود، بطوری كه ین خواص را در كمتر اكسید ایزوتوپی می‌توان مشاهده كرد.
بعنوان مثال ویسكوزیته ( (Viscosityیا به زبان ساده‌تر چسبندگی آب سنگین به مراتب بیشتر از آب معمولی است.
آب سنگین آبی است كه در مقایسه با آب معمولی دیرتر می‌جوشد و زودتر یخ می زند و همانطور كه ذكر شد "گیلبرت نیوتن لوییس" نخستین بار نمونه آن را از آب سنگین خالص در سال ۱۹۳۳به دست آورد.
هیدروژن طبیعی دارای دو ایزوتوپ است:ایزوتوپ هیدروژن سبك كه تقریبا ۹۹/۹۸درصد هیدروژن موجود را تشكیل می‌دهد و ایزوتوپ هیدروژن سنگین یا دوتریوم كه مقدار آن ۱۵درصد است.
ایزوتوپ دوتریوم برخلاف هیدروژن معمولی دارای یك نوترون است.آب معمولی از یك اتم اكسیژن و دو اتم هیدروژن تشكیل شده است،در حالی كه آب سنگین، از یك اتم اكسیژن و دو اتم دوتریوم( (Dتشكیل شده است.
برای تولید آب سنگین باید مولكولهای آب حاوی هیدروژن سنگین (دوتریوم) را از مولكولهای آب معمولی جدا كنند یا از داخل هیدروژن ،اتمهای هیدروژن سنگین یا دوتریوم را جدا و خالص كنند.
جرم مولكولی آب معمولی ۱۸و جرم مولكولی آب سنگین ۲۰است.
از لحاظ خواص شیمیایی تفاوت چندانی با خواص آب معمولی نداشته و اختلافات جزئی وجود دارد اما از لحاظ هسته‌ای هیدروژن معمولی می‌تواند نوترون را جذب كند ،اما احتمال جذب نوترون توسط هیدروژن سنگین بسیار كم است.
به دلیل تفاوت مشخصات هسته‌ای دوتریوم با هیدروژن ازلحاظ "تكانه زاویه‌ای و گشتاور مغناطیسی "از آب سنگین و دوتریوم در زمینه‌های مختلف تحقیقاتی نیز استفاده می‌شود.
به عنوان مثال رفتار آب سنگین در دستگاه‌های MRIبا رفتار هیدروژن معمولی متفاوت است.
در فعالیت‌های تحقیقاتی به منظور بررسی برخی خواص از موادی استفاده می كنند كه هیدروژن طبیعی را در آن با هیدروژن سنگین (دوتریوم) جایگزین كرده اند.
یكی از كاربردهای دوتریوم استفاده در تولید نوترون در شتاب‌دهنده ها و تولید انرژی در "راكتورهای گداخت" است.
* آب نیمه سنگین
چنانچه دراكسید هیدروژن تنها یكی از اتمهای هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله ( (HDOرا آب نیمه سنگین می‌گویند.
در مواردی كه تركیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشكیل مولكوهای آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می‌شود.
دلیل ین امر تبدیل سریع اتم هی هیدروژن و دوتریوم بین مولكولهای آب است، مولكول آبی كه از ۵۰درصد هیدروژن معمولی ( (Hو ۵۰درصد هیدروژن سنگین( (Dتشكیل شده است، در موازنه شیمیایی در حدود ۵۰درصد HDOو ۲۵ درصد آب ( (H2Oو ۲۵درصد D2Oخواهد داشت.
نكته قابل توجه آن است كه آب سنگین را نباید با با آب سخت كه اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم ( (T2O or 3H2Oكه از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشكیل شده است، اشتباه گرفت.
تریتیوم ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است كه خاصیت رادیواكتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی كه از خود نور منتشر می‌كنند، بكار برده می‌شود.
* آب با اكسیژن سنگین
آب با اكسیژن سنگین،در حالت معمول H218Oاست كه به صورت تجارتی در دسترس است ببیشتر برای ردیابی بكار برده می‌شود.
بعنوان مثال با جایگزین كردن این آب (از طریق نوشیدن یا تزریق) در یكی از عضوهای بدن می‌توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی كرد.
این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیكی خاصی ندارد ،برای همین به آن آب سنگین گفته نمی‌شود.
ممكن است اكسیژن در آنها بصورت ایزوتوپهای O17نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیكی ین آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است
آب سنگین چیست؟
آب سنگین یكی از مواد اصلی در راه اندازی راكتورهای تولید انرژی و تحقیقاتی موسوم به راكتورهای آب سنگین به شمار می‌رود.راكتورهای آب سنگین نیازی به اورانیوم غنی شده ندارد و از اكسید اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می كند.
این فرایند, نیاز به اورانیوم غنی شده را مرتفع می كند اما طراحی این راكتورها پیچیده و تولید آب سنگین نیز هزینه بر است.بر اساس این گزارش آب سنگین از جدا سازی نوعی از مولكول های آب با غلظت ۱ در هر ۷۰۰۰ مولكول به دست می آید كه هیدروژن آن یك نوترون بیشتر از هیدروژن عادی دارد .
این نوترون اضافه موجب می شود تا عمل كند كنندگی نوترون های پر سرعت به اندازه ای برسد كه واكنش های زنجیره ای تولید انرژی از میله های سوخت آغاز شود در حالی كه در راكتورهای قدرت آب سبك , اورانیوم غنی شده درحد سه و نیم درصد و بیش از آن برای انجام واكنش مورد نیاز است.
در راكتورهای آب سنگین , این ماده وظیفه خنك كردن میله های سوخت , همزمان با كند كردن نوترون‌های پر انرژی را به عهده دارد.با نزدیك شدن راكتور تحقیقاتی تهران , كه حدود چهل سال پیش و با قدرت ۵ مگاوات راه اندازی شده است , به پایان عمر كاری خودو نیاز روز افزون كشور به انواع رادیو ایزوتوپ های صنعتی و همچنین رادیو داروها , راكتور تحقیقاتی آب سنگین اراك با قدرت ۴۰ مگاوات طراحی و مكان آن در نزدیكی شهر خنداب در شمال غربی شهرستان اراك تعیین شد.
از آنجا كه این راكتور در زمان راه اندازی به مقدار زیادی آب سنگین نیازدارد مجتمع آب سنگین اراك همزمان با پی گیری ساخت ساختمان و راكتور آماده شد و به بهره برداری رسید تا بتواند نیاز راكتور را در زمان راه‌اندازی فراهم كند.ساخت این تاسیسات همچنین موجب آموزش متخصصان و آشنایی شركت های داخلی با استاندارهای هسته ای می شود و می تواند راه را برای ساخت نیروگاه های قدرت آب سنگین در آینده فراهم كند.
منبع
نظرات شما عزیزان:
تبادل
لینک هوشمند
