آب سنگین چیست؟

آب سنگین نوع خاصی از مولکول‌های آب است که در آن ایزوتوپ‌های هیدروژن وجود دارد. این نوع از آب کلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی‌است و به همین علت تولید و تجارت آن با نظر قوانین بین‌المللی انجام و به شدت کنترل می‌شود.

با کمک این نوع آب می‌توان پلوتونیوم لازم را برای سلاح‌های اتمی بدون نیاز به غنی‌سازی بالای اورانیوم تهیه کرد.

از کاربردهای دیگر این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیوم، به عنوان متعادل‌کننده (Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمای رآکتور نام برد.

آب سنگین واژه‌ای‌است که معمولاً به اکسید هیدروژن سنگین D2O یا 2H2O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium) ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به 6400 از اتم‌های هیدروژن در طبیعت وجود دارد و خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه آب سبک H2O است.

اتم‌های دوتریوم ایزوتوپ‌های سنگینی هستند که برخلاف هیدروژن معمولی، هسته آنها شامل نوترون نیز هست. جانشینی هیدروژن با دوتریوم در مولکول‌های آب، سطح انرژی پیوندهای مولکولی را تغییر می‌دهد و به‌طور طبیعی خواص متفاوت فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی را موجب می‌شود، به‌طوری که این خواص را در کمتر اکسید ایزوتوپی می‌توان مشاهده کرد.

برای مثال، ویسکوزیته (Viscosity) یا به زبان ساده‌تر چسبندگی آب سنگین به مراتب بیش از آب معمولی است.

آب نیمه سنگین چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتم‌های هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه  را آب نیمه سنگین (HDO) می‌گویند.

در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکول‌های آب وجود داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می‌شود، علت این کار تبدیل سریع اتم‌های هیدروژن و دوتریوم بین مولکول‌های آب است.

مولکول آبی که از 50 درصد هیدروژن معمولی (H) و 50 درصد هیدروژن سنگین(D) تشکیل شده‌است، در موازنه شیمیایی حدود 50 درصد HDO و 25 درصد آب (H2O) و 25 درصد D2O خواهد داشت.

نکته مهم آن است که آب سنگین را نباید با با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم (T2O or 3H2O) که از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت.

تریتیوم، ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی به کار برده می‌شود که از خود نور منتشر می‌کنند.

آب با اکسیژن سنگین

آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول H218O است که به صورت تجارتی در دسترس است و بیشتر برای ردیابی به کار برده می‌شود. برای مثال، با جانشین کردن این آب (با نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضوهای بدن می‌توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی کرد. این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیکی خاصی ندارد برای همین، به آن آب سنگین گفته نمی‌شود. ممکن است اکسیژن در آنها به صورت ایزوتوپ‌های O17 نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی این آب با آب معمولی، فقط چگالی بیشتر آن است.

تاریخچه تولید آب سنگین

والتر راسل در سال1926 با استفاده از جدول تناوبی مارپیچ وجود دو تریم را پیش بینی كرد. هارولد یوری یكی از شیمیدانان دانشگاه كلمبیا در سال1931 توانست آن را كشف كند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال 1933 توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر نیز در سال 1934 از آب سنگین استفاده كردند و با انجام اولین آزمون های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.

کاربرد آب سنگین در راکتورهای هسته ای

آب سنگین یکی از مواد اصلی در راه اندازی راکتورهای تولید انرژی و تحقیقاتی موسوم به راکتورهای آب سنگین به شمار می رود.

راکتورهای آب سنگین نیازی به اورانیوم غنی شده ندارد و از اکسید اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کند.

این فرایند، نیاز به اورانیوم غنی شده را مرتفع می کند اما طراحی این راکتورها پیچیده و تولید آب سنگین نیز هزینه بر است.

آب سنگین از جدا سازی نوعی از مولکول های آب با غلظت 1 در هر 7000 مولکول به دست می آید که هیدروژن آن یک نوترون بیشتر از هیدروژن عادی دارد.

این نوترون اضافه موجب می شود تا عمل کند کنندگی نوترون های پر سرعت به اندازه ای برسد که واکنش های زنجیره ای تولید انرژی از میله های سوخت آغاز شود در حالی که در راکتورهای قدرت آب سبک , اورانیوم غنی شده درحد سه و نیم درصد و بیش از آن برای انجام واکنش مورد نیاز است.

در راکتورهای آب سنگین، این ماده وظیفه خنک کردن میله های سوخت، همزمان با کند کردن نوترون های پر انرژی را به عهده دارد.

با نزدیک شدن راکتور تحقیقاتی تهران، که حدود چهل سال پیش و با قدرت 5 مگاوات راه اندازی شده است، به پایان عمر کاری خود و نیاز روز افزون کشور به انواع رادیو ایزوتوپ های صنعتی و همچنین رادیو داروها ،راکتور تحقیقاتی آب سنگین اراک با قدرت 40 مگاوات طراحی و مکان آن در نزدیکی شهر خنداب در شمال غربی شهرستان اراک تعیین شد.

پروژه آب سنگین اراک

پروژه تولید آب سنگین در شمال غربی اراك و در نزدیكی تاسیسات نیروگاه 40 مگاواتی آب سنگین اراك قرار دارد و برای تامین آب سنگین این رآكتور ساخته شده است. به گفته غلامرضا آقازاده رئیس سازمان انرژی اتمی ایران ظرفیت تولید این مجتمع ابتدا هشت تن بوده و امروز ظرفیت آن به16 تن آب سنگین با غنای 899 درصد رسیده است. پروژه مجتمع تولید آب سنگین اراك به عنوان یكی از شاخصه های دانش هسته ای، در پزشكی و به خصوص كنترل سرطان و كنترل بیماری ایدز نقش تعیین كننده ای دارد و به عنوان خنك كننده و كندكننده رآكتورهای آب سنگین به كار می رود . با گشایش این واحد صنعتی، ایران به عنوان نهمین كشور دارای تجهیزات تولید آب سنگین مطرح می شود. كشورهای آرژانتین، كانادا، هند و نروژ نیز بزرگترین صادركنندگان آب سنگین جهان هستند.

ساخت این تاسیسات همچنین موجب آموزش متخصصان و آشنایی شرکت های داخلی با استاندارهای هسته ای می شود و می تواند راه را برای ساخت نیروگاه های قدرت آب سنگین در آینده فراهم کند.

بخش دانش و فناوری سایت تبیان