آب سنگين چيست ؟
آب سنگين چيست ؟
آب خالص ماده‌اي است بي‌رنگ، بي‌بو و بدون طعم. فرمول شيميايي آبH2O است، يعني هرمولكول آب از اتصال دو اتم هيدروژن به يك اتم اكسيژن ساخته شده است. نكته‌اي كه بايد در نظر داشت آن است كه عنصر هيدروژن همانند بسياري ديگراز عنصرهاي طبيعت ايزوتوپ‌هايي دارد كه عبارتند از 2H كه باD دوتريم و 3H كه باT تريتيم نمايش مي‌دهند. براي آشنا شدن با تفاوت اين ايزوتوپ هابهتر است يك بار ديگر ساختار اتم را به يادآوريم.
ساختار اتم
اتمكوچكترين بخش سازنده يك عنصر شيميايي است كه هنوز هم خواص شيميايي آن عنصررا دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الكترون به دور هسته اتممي‌گردد. الكترون بار منفي و جرم بسيار كمي دارد. پروتون بار مثبت ونوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰بار سنگين تراز الكترون است، بنابر اين بخش عمده جرم يك اتم درون هسته آن قرار دارد. ايزوتوپ: ايزوتوپ به صورت‌هاي گوناگون يك عنصر گفته مي‌شود كه جرم آنها باهم تفاوت داشته باشد. تفاوت ايزوتوپ‌هاي مختلف يك عنصر از آنجا ناشيمي‌شود كه تعداد نوترون‌هاي موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد.
البتهتعداد پروتون‌هاي تمام اتم‌هاي يك عنصر از جمله ايزوتوپ ها با هم برابراست. براي مثال عنصر هيدروژن داراي سه ايزوتوپ است: H هيدروژن كه در هستهخود فقط يك پروتون دارد، بدون نوترون.2 H ياD دوتريم كه در هسته خود يك پروتون و يك نوترون دارد و3H یاTتريتيم كه يك پروتون و دو نوتروندارد. از آنجايي كه خواص شيميايي يك عنصر به تعداد پروتون‌هاي هسته مربوط است، ايزوتوپ‌هاي مختلف در خواص شيميايي با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فيزيكي آنها با هم متفاوت است. عمده هيدروژن‌هاي طبيعتH يا هيدروژن معمولي است و فقط ۰۱۵۰/ درصد آن را دوتريم تشكيل مي‌دهد، يعني از هر ۶۴۰۰اتم هيدروژن، يكي دوتريم است. حال در نظر بگيريد كه به جاي يك اتم هيدروژن معمولي در مولكول آبH2O اتمD بنشيند. آن وقت مولكولHDO به وجود مي‌آيدكه به آن آب نيمه سنگين مي‌گويند. اگر جاي هر دو اتم هيدروژن، دوتريم بنشيند، D2O به وجود مي‌آيد كه به آن آب سنگين مي‌گويند. خواص فيزيكي آب سنگين تا حدودي با آب سبك يا آب معمولي تفاوت دارد.با توجه به جانشينيD به جايH در آب سنگين، انرژي پيوندي پيوند‌هاي اكسيژن هيدروژن در آب تغييرمي‌كند و در نتيجه خواص فيزيكي و به ويژه خواص زيست شناختي آب عوض مي‌شود.
تاريخچه توليد آب سنگين
والترراسل در سال ۱۹۲۶با استفاده از جدول تناوبي «مارپيچ» وجود دو تريم را پيش بيني كرد. هارولد يوري يكي از شيميدانان دانشگاه كلمبيا در سال ۱۹۳۱توانست آن را كشف كند. گيلبرت نيوتن لوئيس هم در سال ۱۹۳۳توانست اولين نمونه از آب سنگين خالص را با استفاده از روش الكتروليز تهيه كند. هوسي وهافر نيز در سال ۱۹۳۴از آب سنگين استفاده كردند و با انجام اولين آزمون‌هاي رديابي زيست شناختي به بررسي سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
توليد آب سنگين: در طبيعت از هر ۳۲۰۰مولكول آب يكي آب نيمه سنگينHDO است. آب نيمه سنگين را مي‌توان با استفاده از روش‌هايي مانند تقطير يا الكتروليز يا ديگر فرآيندهاي شيميايي از آب معمولي تهيه كرد. هنگامي كه مقدارHDO در آب زياد شد، ميزان آب سنگين نيز بيشتر مي‌شودزيرا مولكول‌هاي آب هيدروژن‌هاي خود را با يكديگر عوض مي‌كنند و احتمال دارد كه از دو مولكولHDO يك مولكولH2O آب معمولي و يك مولكولD2O آب سنگين به وجود آيد. براي توليد آب سنگين خالص با استفاده از روش‌هاي تقطيريا الكتروليز به دستگاه‌هاي پيچيده تقطير و الكتروليز و همچنين مقدارزيادي انرژي نياز است، به همين دليل بيشتر از روش‌هاي شيميايي براي تهيه آب سنگين استفاده مي‌كنند.
كاربردهاي آب سنگين
آب سنگين در پژوهش‌هاي علمي در حوزه‌هاي مختلف از جمله زيست شناسي، پزشكي،فيزيك و... كاربردهاي فراواني دارد كه در زير به چند مورد آن اشارهمي‌كنيم.
طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته: در طيف سنجي تشديد مغناطيسي هستهNMR هنگامي كه هسته مورد نظر ما هيدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگين استفاده مي‌كنند. در اين حالت چون سيگنال‌هاي اتم هيدروژن مورد نظربا سيگنال‌هاي اتم هيدروژن آب معمولي تداخل مي‌كند، مي‌توان از آب سنگين استفاده كرد، زيرا خواص مغناطيسي دوتريم و هيدروژن با هم تفاوت دارد وسيگنال دوتريم با سيگنال‌هاي هيدروژن تداخل نمي‌كند.
كند كننده نوترون
آب سنگين در بعضي از انواع رآكتورهاي هسته‌اي نيز به عنوان كند كننده نوترون به كار مي‌رود. نوترون‌هاي كند مي‌توانند با اورانيوم واكنش بدهند.از آب سبك يا آب معمولي هم مي‌توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما ازآنجايي كه آب سبك نوترون‌هاي حرارتي را هم جذب مي‌كنند، رآكتورهاي آب سبكبايد اورانيوم غني شده اورانيوم با خلوص زياد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگين مي‌تواند از اورانيوم معمولي يا غني نشده هم استفاده كند، به همين دليل توليد آب سنگين به بحث‌هاي مربوط به جلوگيري از توسعه سلاح‌هاي هسته‌اي مربوط است.
رآكتورهاي توليد آب سنگين را مي‌توان به گونه‌اي ساخت كه بدون نياز به تجهيزات غني سازي، اورانيوم را به پلوتونيوم قابل استفاده در بمب اتمي تبديل كند. البته براي استفاده از اورانيوم معمولي در بمب اتمي مي‌توان از روش‌هاي ديگري هم استفاده كرد. كشورهاي هند، اسرائيل، پاكستان، كره شمالي، روسيه و آمريكا از رآكتورهاي توليد آب سنگين براي توليد بمب اتمي استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگين در ساخت سلاح هسته اي، در بسياري از كشورها دولت توليد يا خريد وفروش مقدار زياد اين ماده را كنترل مي‌كند. اما در كشورهايي مثل آمريكا وكانادا مي‌توان مقدار غير صنعتي يعني در حد گرم و كيلوگرم را بدون هيچگونه مجوز خاصي از توليد كنندگان يا عرضه كنندگان مواد شيميايي تهيه كرد. هم اكنون قيمت هر كيلوگرم آب سنگين با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰تا ۷۰۰دلاراست. گفتني است بدون استفاده از اورانيوم غني شده و آب سنگين هم مي‌توان رآكتور توليد پلوتونيوم ساخت. كافي است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجايي كه نازي‌ها از كربن ناخالص استفاده مي‌كردند، متوجه اين نكته نشدند در حقيقت از اولين رآكتور اتمي آزمايشي آمريكا سال ۱۹۴۲و پروژه منهتن كه پلوتونيوم آزمايش ترينيتي و بمب مشهور«Fat man» را ساخت، از اورانيوم غني شده يا آب سنگين استفاده نمي‌شد.
آشكارسازي نوترينو
رصدخانه نوترينوي سادبري در انتاريوي كانادا از هزار تن آب سنگين استفاده مي‌كند. آشكار ساز نوترينو در اعماق زمين و در دل يك معدن قديمي كارگذاشته شده تا مئون‌هاي پرتو‌هاي كيهاني به آن نرسد. هدف اصلي اين رصدخانه يافتن پاسخ اين پرسش است كه آيا نوترينوهاي الكترون كه از همجوشي درخورشيد توليد مي‌شوند، در مسير رسيدن به زمين به ديگر انواع نوترينوهاتبديل مي‌شوند يا خير. وجود آب سنگين در اين آزمايش‌ها ضروري است، زيرادوتريم مورد نياز براي آشكارسازي انواع نوترينوها را فراهم مي‌كند.
آزمون‌هاي سوخت و ساز در بدن
ازمخلوط آب سنگين با ۱۸ ،H2Oآبي كه اكسيژن آن ايزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برايانجام آزمايش اندازه گيري سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حيوانات استفاده مي‌شود. اين آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده مي‌نامند.
توليد تريتيم
هنگامي که دوتريم رآكتور آب سنگين يك نوترون به دست مي‌آورد به تريتيم ايزوتوپ ديگر هيدروژن تبديل مي‌شود. توليد تريتيم به اين روش به فناوري چندان پچيده‌اي نياز ندارد و آسان تر از توليد تريتيم به روش تبديل نوترونيليتيم ۶است. تريتيم در ساخت نيروگاه‌هاي گرما هسته‌اي كاربرد دارد