آب سنگین چیست

آب سنگین به یکی از انواع نادر آب به نام دوتریم اکساید (D2O) گفته می شود که در آن به جای و اتم هیدروژن معمولی (H)، دو اتم هیدروژن سنگین (D) جایگزین شده است. هیدروژن دارای 2 ایزوتوپ پایدار H و D و یک ایزوتوپ ناپایدار و رادیواکتیو T یا تریتیم است. تفاوت ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر از تفاوت در شمار نوترون‌های موجود در هسته آن ناشی می شود؛ 

یعنی با وجودی که شمار پروتون‌های موجود در هسته اتم‌های همه ایزوتوپ‌های یک عنصر باهم برابر است، شمار نوترون‌ها در ایزوتوپ‌ مختلف یک عنصر متفاوت است.

آب با اکسیژن سنگین

به عنوان مثال هسته ایزوتوپ معمولی هیدروژن (H) تنها دارای یک پروتون است و نوترون ندارد، در حالی که هسته دو تریم (D) دارای یک پروتون و یک نوترون است و هسته تریتیم (T) دارای یک پروتون و دو نوترون است.

آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول با اکسیژن 18 است که به صورت تجاری در دسترس است و بیشتر برای ردیابی به‌کاربرده می شود. برای مثال، با جانشین کردن این آب (با نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضو های بدن می توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی کرد.

این نوع از آب به ندرت حاوی دو تریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیکی خاصی ندارد برای همین، به آن آب سنگین گفته نمی شود. ممکن است اکسیژن در آن به صورت ایزوتوپ های O17 نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی این آب با آب معمولی، فقط چگالی بیشتر آن است و تفاوت دیگری با آب معمولی ندارد.

تفاوت آب سنگین و آب خالص

آب خالص یا همان آب سبک ماده ای است بی‌رنگ، بی‌بو و بی مزه. فرمول شیمیایی آن H2O است، یعنی هر مولکول آب از پیوند دو اتم هیدروژن به یک اتم اکسیژن ساخته شده است. در حالی که اگر در یک نمونه مولکول آب به جای اتم های هیدروژن آن، اتم دو تریم جایگزین شود آب سنگین ایجاد می‌شود.

یک نکته مهم در رابطه با این بحث آگاه بودن به تفاوت میان آب سنگین و آب سخت است به بیان دیگر باید دقت داشت که این دو گونه آب با یکدیگر تفاوت داشته و دارای خواص متفاوتی می‌باشند. چراکه آب سخت آبی است که دارای املاح معدنی بوده و روش‌های نرم سازی ویژه خود را دارد ولی آب سنگین از جایگزینی اتم های دو تریم با هیدروژن تولید می‌شود.

جالب است بدانید به ازا هر 7 هزار مولکول معمولی یک مولکول آب سنگین در آب مصرفی ما وجود دارد.

فرآیند تولید آب سنگین

گیلبرت لوییس برای اولین بار در سال 1933 به روش الکترولیز (برق کافت ) به آب سنگین خالص دست یافتند. برای تولید آب سنگین خالص با روش الکترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می کنند.

همچنین از آنجایی که نقطه جوش آب سنگین بالاتر از آب معمولی است، می‌توان برای تولید آب سنگین از روش تبخیر و تقطیر هم استفاده کرد. در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO (یک اتم دو تریم با یک اتم هیدروژن) است.

آب نیمه سنگین را می‌توان با روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی به دست آورد. هنگامی‌که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شود، زیرا مولکول‌های آب هیدروژن‌های خود را با یکدیگر عوض می کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول آب معمولی (H2O) و یک مولکول آب سنگین (D2O) به وجود آید.

2HDO -> H2O + D2O

تفاوت جرمِ آب سنگین و آب سبک فراوان است و تفاوت در نقاط جوش این 2 نوع آب، امکان جداسازی آب سنگین و خالص‌سازی آن را فراهم می‌کند. تاسیسات تولید آب سنگین اکنون فقط در 8 کشور وجود داشته است که کشورمان نیز نهمین کشور دارای این فنّاوری است.

کاربرد آب سنگین

بیشترین استفاده از آب سنگین در راکتورهای هسته‌ای است، چراکه این آب توانای کند کردن سرعت نوترون‌ها را بدون نیاز به آلومینیوم غنی‌شده داشته و در نتیجه تولید انرژی با صرف هزینه کم‌تری همراه خواهد بود. نیروگاه های که از انرژی شکافت اورانیوم استفاده می‌کنند به 2 دسته نیروگاه آب سبک و آب سنگین تقسیم می شوند. نیروگاه آب سبک دارای راکتور آب سبک و نیروگاه آب سنگین دارای راکتور آب سنگین هستند.

آب سنگین در برخی از راکتور های هسته‌ای به عنوان کند کننده سرعت نوترون به کار می‌رود. نوترون‌های کند می‌توانند با اورانیوم واکنش بدهند. از آب سبک یا آب معمولی هم می‌توان به عنوان کند کننده استفاده کرد،

اما ازآنجاکه آب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می کند، در راکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی‌شده (اورانیوم با خلوص زیاد) را به کاربرد، اما راکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند.

اگرچه آب سنگین را بیشتر به دلیل کاربرد آن در نیروگاه های هسته ای می شناسند؛ اما این ماده در پژوهش‌های علمی در رشته زیست‌شناسی، پزشکی، فیزیک، شیمی و مهندسی نیز کاربرد های فراوانی دارد. که در ادامه به چند مورد از آن اشاره می‌شود:

طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف‌سنجی تشدید (Resonance) مغناطیسی هسته (NMR)، هنگامی‌که هسته موردنظر پژوهشگر، هیدروژن و حلال موردنظر آب باشد، در این حالت سیگنال‌های اتم هیدروژن موردنظر با سیگنال‌های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می کند،

برای جلوگیری از این تداخل، می‌توان به جای آب معمولی از آب سنگین بهره گرفت، زیرا ویژگی های مغناطیسی توتریم و هیدروژن باهم تفاوت دارد و سیگنال دو تریم با سیگنال هیدروژن تداخل نمی کند.

آشکارسازی نوترینو: رصدخانه نوترینوی سادیری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می کند. این آشکار ساز نوترینو در ژرفای زمین و در دل یک معدن قدیمی کار گذاشته‌شده تا نئون های پرتوهای کیهانی به آن نرسد.

هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینو های الکترون که از هم‌جوشی در خورشید تولید می‌شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می‌شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش‌ها ضروری است، زیرا دوتریم موردنیاز برای آشکار سازی انواع نوترینوها را فراهم می کند.

آزمون‌های سوخت و ساز در بدن: از مخلوط آب سنگین با آبی که اکسیژن آن ایزوتوپ O18 است و نه O16، برای انجام آزمایش اندازه‌گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و جانوران بهره می گیرند. این آزمون سوخت  ساز را «آزمون آب دو بار نشان‌دار» می‌نامند.

  تولید تریتیم: هنگامی‌که دو تریم رآکتور آب سنگین یک نوترون به دست می‌آورد به تریتیم، ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می‌شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیده‌ای نیاز ندارد و آسان‌تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه‌های گرما-هسته‌ای کاربرد دارد.

یکی از راه های زدودن سختی آب استفاده از سختی گیر می باشد. برای دریافت اطلاعات بیشتر در خصوص دستگاه سختی گیر می توانید به محصولات آب مراجعه فرمایید.

منبع: مقاله آب سنگین چیست

اقتباس‌شده از کتاب :Heavy water and other Stories By Martin Amin

شرکت زادآب به عنوان تولیدکننده تجهیزات آب و فاضلاب آماده ارائه مشاوره رایگان به شما عزیزان می باشد. در صورت نیاز به مشاوره با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید.

021-55256411-12

09223345280

نوشتن دیدگاه