آب سنگین چیست ؟

آب خالص ماده‌ای است بی‌رنگ، بی‌بو و بدون طعم. فرمول شیمیایی آبH₂O است، یعنی هرمولکول آب از اتصال دو اتم هیدروژن به یک اتم اکسیژن ساخته شده است. نکته‌ای که باید در نظر داشت آن است که عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگراز عنصرهای طبیعت ایزوتوپ‌هایی دارد که عبارتند از ²H  که باD دوتریم و ³H  که باT تریتیم نمایش می‌دهند. برای آشنا شدن با تفاوت این ایزوتوپ هابهتر است یک بار دیگر ساختار اتم را به یادآوریم.

به ادامه مطلب بروید...

آب خالص ماده‌ای است بی‌رنگ، بی‌بو و بدون طعم. فرمول شیمیایی آبH₂O است، یعنی هرمولکول آب از اتصال دو اتم هیدروژن به یک اتم اکسیژن ساخته شده است. نکته‌ای که باید در نظر داشت آن است که عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگراز عنصرهای طبیعت ایزوتوپ‌هایی دارد که عبارتند از ²H  که باD دوتریم و ³H  که باT تریتیم نمایش می‌دهند. برای آشنا شدن با تفاوت این ایزوتوپ هابهتر است یک بار دیگر ساختار اتم را به یادآوریم.

ساختار اتم
اتم کوچکترین بخش سازنده یک عنصر شیمیایی است که هنوز هم خواص شیمیایی آن عنصررا دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الکترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الکترون به دور هسته اتم می‌گردد. الکترون بار منفی و جرم بسیار کمی دارد. پروتون بار مثبت ونوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰بار سنگین تراز الکترون است، بنابر این بخش عمده جرم یک اتم درون هسته آن قرار دارد.

ایزوتوپ: ایزوتوپ به صورت‌های گوناگون یک عنصر گفته می‌شود که جرم آنها باهم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر از آنجا ناشی می‌شود که تعداد نوترون‌های موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد.

البته تعداد پروتون‌های تمام اتم‌های یک عنصر از جمله ایزوتوپ ها با هم برابراست. برای مثال عنصر هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است: H هیدروژن که در هسته خود فقط یک پروتون دارد، بدون نوترون.² H یاD دوتریم که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد و³H یاTتریتیم که یک پروتون و دو نوترون دارد. از آنجایی که خواص شیمیایی یک عنصر به تعداد پروتون‌های هسته مربوط است، ایزوتوپ‌های مختلف در خواص شیمیایی با هم تفاوت ندارند، بلکه خواص فیزیکی آنها با هم متفاوت است. عمده هیدروژن‌های طبیعتH یا هیدروژن معمولی است و فقط   ۰۱۵۰/ درصد آن را دوتریم تشکیل می‌دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰اتم هیدروژن، یکی دوتریم است. حال در نظر بگیرید که به جای یک اتم هیدروژن معمولی در مولکول آبH₂O اتمD بنشیند. آن وقت مولکولHDO به وجود می‌آیدکه به آن آب نیمه سنگین می‌گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D₂O به وجود می‌آید که به آن آب سنگین می‌گویند. خواص فیزیکی آب سنگین تا حدودی با آب سبک یا آب معمولی تفاوت دارد.با توجه به جانشینیD به جایH در آب سنگین، انرژی پیوندی پیوند‌های اکسیژن هیدروژن در آب تغییرمی‌کند و در نتیجه خواص فیزیکی و به ویژه خواص زیست شناختی آب عوض می‌شود.

تاریخچه تولید آب سنگین
والترراسل در سال ۱۹۲۶با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی کرد. هارولد یوری یکی از شیمیدانان دانشگاه کلمبیا در سال ۱۹۳۱توانست آن را کشف کند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال ۱۹۳۳توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الکترولیز تهیه کند. هوسی وهافر نیز در سال ۱۹۳۴از آب سنگین استفاده کردند و با انجام اولین آزمون‌های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.

تولید آب سنگین: در طبیعت از هر ۳۲۰۰مولکول آب یکی آب نیمه سنگینHDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدارHDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شودزیرا مولکول‌های آب هیدروژن‌های خود را با یکدیگر عوض می‌کنند و احتمال دارد که از دو مولکولHDO یک مولکولH₂O آب معمولی و یک مولکولD₂O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش‌های تقطیریا الکترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدارزیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می‌کنند.

کاربرد‌های آب سنگین
آب سنگین در پژوهش‌های علمی در حوزه‌های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشکی،فیزیک و... کاربردهای فراوانی دارد که در زیر به چند مورد آن اشارهمی‌کنیم.
طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هستهNMR هنگامی که هسته مورد نظر ما هیدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگین استفاده می‌کنند. در این حالت چون سیگنال‌های اتم هیدروژن مورد نظربا سیگنال‌های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می‌کند، می‌توان از آب سنگین استفاده کرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد وسیگنال دوتریم با سیگنال‌های هیدروژن تداخل نمی‌کند.

کند کننده نوترون
آب سنگین در بعضی از انواع رآکتورهای هسته‌ای نیز به عنوان کند کننده 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 ازآنجایی که آب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کنند، رآکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح‌های هسته‌ای مربوط است.

رآکتورهای تولید آب سنگین را می‌توان به گونه‌ای ساخت که بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل کند. البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می‌توان از روش‌های دیگری هم استفاده کرد. کشورهای هند، اسرائیل، پاکستان، کره شمالی، روسیه و آمریکا از رآکتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی استفاده کردند.با توجه به امکان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته ای، در بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید وفروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می‌کند. اما در کشورهایی مثل آمریکا وکانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچگونه مجوز خاصی از تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰تا ۷۰۰دلاراست. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می‌توان رآکتور تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق العاده خالص به عنوان کند کننده استفاده شود از آنجایی که نازی‌ها از کربن ناخالص استفاده می‌کردند، متوجه این نکته نشدند در حقیقت از اولین رآکتور اتمی آزمایشی آمریکا سال ۱۹۴۲و پروژه منهتن که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور«Fat man» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی‌شد.

آشکارسازی نوترینو
رصدخانه نوترینوی سادبری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می‌کند. آشکار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یک معدن قدیمی کارگذاشته شده تا مئون‌های پرتو‌های کیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینوهای الکترون که از همجوشی درخورشید تولید می‌شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوهاتبدیل می‌شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش‌ها ضروری است، زیرادوتریم مورد نیاز برای آشکارسازی انواع نوترینوها را فراهم می‌کند.

آزمون‌های سوخت و ساز در بدن
ازمخلوط آب سنگین با ۱۸ ،H₂Oآبی که اکسیژن آن ایزوتوپ ^۱۸O است نه ^۱۶O برایانجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می‌شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می‌نامند.

تولید تریتیم
هنگامی که دوتریم رآکتور آب سنگین یک نوترون به دست می‌آورد به تریتیم ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می‌شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پچیده‌ای نیاز ندارد و آسان تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶است. تریتیم در ساخت نیروگاه‌های گرما هسته‌ای کاربرد دارد.

منبع: سایت گروه علوم تجربی استان مرکزی