آب سنگین به یکی از شکل‌های نادر آب به نام دوتریم اکساید (D2O) گفته می‌شود که در آن به جای دو اتم هیدروژن معمولی (H)، دو اتم هیدروژن سنگین (D)، یعنی هیدروژنی که علاوه بر پروتون یک نوترون نیز در هسته خود دارد، نشسته است. با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی بین اکسیژن هیدروژن در آب تغییر می‌کند و در نتیجه ویژگی‌های فیزیکی و زیست‌شناختی آب دگرگون می‌شود.
آب سنگین در نیروگاه‌های هسته‌ای برای کاستن از سرعت نوترون‌ها و همچنین، پژوهش‌های زیست‌شناختی و مهار بیماری‌های مانند سرطان و ایدز کاربرد دارد. تولید این ماده پر کاربرد از سال 1385 در ایران آغاز شده است.
ایزوتوپ، تفاوت در نوترون
آب خالص ماده‌ای است بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه. فرمول شیمیایی آن H2O است، یعنی هر مولکول آب از پیوند دو اتم هیدروژن به یک اتم اکسیژن ساخته شده است. عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپ‌هایی دارد که عبارتند از H ۲ که با D (دوتریم) و H ۳ که با T (تریتیم) نمایش داده می‌شود.
ایزوتوپ به صورت‌های گوناگون یک عنصر گفته می‌شود که جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر از شمار نوترون‌های هسته آنها ناشی می‌شود؛ یعنی با وجودی که شمار پروتون‌های همه‌ی اتم‌های یک عنصر از جمله ایزوتوپ های آن با هم برابر است، شمار نوترون‌ها در ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر متفاوت است. از همین رو، هیدروژن معمولی (H) در هسته‌ی خود فقط یک پروتون دارد و بدون نوترون است؛ دوتریم (D) که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد و تریتیم (T) که یک پروتون و دو نوترون دارد.
بیشتر هیدروژن‌های طبیعت از نوع H یا هیدروژن معمولی است و فقط 0/0114 درصد آن را دوتریم تشکیل می‌دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن، یکی دوتریم است. اکنون در نظر بگیرید که به جای یک اتم هیدروژن معمولی در مولکول آب (H2O) اتم D بنشیند. آن گاه مولکول HDO به وجود می‌آید که به آن آب نیمه‌سنگین می‌گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D2O به وجود می‌آید که به آن آب سنگین می‌گویند. ویژگی‌های فیزیکی آب سنگین تا اندازه‌ای با آب سبک یا آب معمولی تفاوت دارد. با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی بین اکسیژن هیدروژن در آب تغییر می‌کند و در نتیجه ویژگی‌های فیزیکی و زیست‌شناختی آب دگرگون می‌شود.
تولید
در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه‌سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی به دست آورد. هنگامی که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شود، زیرا مولکول‌های آب هیدروژن‌های خود را با یکدیگر عوض می‌کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول H2O (آب معمولی) و یک مولکول D2O (آب سنگین) به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص به روش یا 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 می‌کنند.
کاربردها
آب سنگین را بیشتر به دلیل کاربرد آن در نیروگاه‌های هسته‌ای می‌شناسند. اما این ماده در پژوهش‌های علمی در رشته‌های زیست‌شناسی، پزشکی، فیزیک و شیمی و مهندسی کاربردهای فراوانی دارد. که در زیر به چند مورد آن اشاره می شود.
- 1. طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته (NMR) هنگامی که هسته مورد نظر پژوهشگر، هیدروژن و حلال هم آب باشد، از آب سنگین استفاده می‌کنند. در این حالت چون سیگنال‌های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال‌های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می‌کند، می‌توان از آب سنگین بهره گرفت، زیرا ویژگی‌های مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال هیدروژن تداخل نمی‌کند.
- 2. کند کننده نوترون: آب سنگین در برخی از رآکتورهای هسته‌ای به عنوان کندکننده 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 از آنجا که آب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کند، در رآکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی شده (اورانیوم با خلوص زیاد) را به کار برد، اما رآکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند. بنابراین، تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از گسترش سلاح‌های هسته‌ای مربوط می‌شود.
- 3. آشکار سازی نوترینو: رصدخانه نوترینوی سادبری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می‌کند. آشکارساز نوترینو در ژرفای زمین و در دل یک معدن قدیمی کار گذاشته شده تا مئون‌های پرتوهای کیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینوهای 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 مورد نیاز برای آشکارسازی انواع نوترینوها را فراهم می‌کند.
- 4. آزمون‌های سوخت و ساز در بدن: از مخلوط آب سنگین با ۱۸OH2 (آبی که اکسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O) برای انجام آزمایش اندازه‌گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و جانوران بهره می‌گیرند. این آزمون سوخت و ساز را «آزمون آب دوبار نشان‌دار» می‌نامند.
- 5. 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 پیچیده‌ای نیاز ندارد و آسان‌تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه‌های گرما هسته‌ای کاربرد دارد.
بمب اتم
رآکتورهای آب سنگین را می‌توان به گونه‌ای ساخت که بدون نیاز به دستگاه‌های غنی‌سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل کند. کشورهای هند، اسرائیل، پاکستان، کره شمالی، روسیه و آمریکا از رآکتورهای تولید آب سنگین برای ساختن بمب اتمی استفاده کردند. با توجه به امکان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته‌ای، در بسیاری از کشورها دولت بر تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را به شدن نظارت می‌کند. با وجود این، در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولیدکنندگان یا فروشندگان مواد شیمیایی به دست آورد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹8/۹۹ درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است.
تاریخ ساخت
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ به کمک جدول تناوبی مارپیچ وجود دوتریم را پیش‌بینی کرد. سپس، در سال ۱۹۳۱ هارولد یوری از دانشگاه کلمبیا آن را کشف کرد. گیلبرت نیوتن لوئیس در سال ۱۹۳۳ توانست نخستین نمونه از آب سنگین خالص را با روش الکترولیز تهیه کند. هوسی و هافر در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده کردند و با انجام نخستین آزمون‌های ردیابی زیست‌شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
در چهارم شهریور 1385، مجتمع آب سنگین اراک، یکی از بزرگترین طرح‌های هسته‌ای ایران، کار خود را آغاز کرد. کار ساخت آن از سال 1377 در شمال غربی اراک و نزدیک نیروگاه ۴۰ مگاواتی آب سنگین اراک آغاز شده بود. ظرفیت تولید این مجتمع در آغاز هشت تن بود و اکنون به ۱۶ تن آب‌سنگین با غنای ۸/8۹ درصد رسیده است.
گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.donyaha.ir
