آب سنگین چیست؟

آب سنگین آبی است که در مولكول آن به جای هیدروژن معمولی دوتریم با اكسیژن پیوند دارد. این آب در مقایسه با آب معمولی دیرتر می جوشد و زودتر یخ می زند، گیلبرت لوییس نخستین بار نمونه آن را از آب سنگین خالص در سال 1933 به دست آورد. یعنی  آب سنگین، از یک اتم اکسیژن و دو اتم دوتریوم(D) تشکیل شده است. برای تولید آب سنگین باید مولکول های آب حاوی هیدروژن سنگین (دوتریوم) را از مولکول های آب معمولی جدا کنند یا از داخل هیدروژن، اتم های هیدروژن سنگین یا دوتریوم را جدا و خالص کنند.

آب سنگین آبی است که نسبت ایزوتوپ دوتریوم در آن از حد آب معمولی بیشتر است. در آب سنگین (با فرمول D۲O) بر خلاف آب معمولی (با فرمول H۲O) به جای هیدروژن ایزوتوپ هیدروژن دوتریم (بافرمول اتمی ۲H )با اکسیژن ترکیب شده‌است.با کمک این نوع از آب می‌توان پلوتونیوم لازم برای سلاح‌های اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالای اورانیوم تهیه کرد. از کاربردهای دیگر این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیوم، به عنوان مهارگر (Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.
آب سنگین واژه‌ای است که معمولاً به اکسید هیدروژن سنگین، D۲O یا ۲H۲O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium)ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به ۶۴۰۰ از اتمهای هیدروژن در طبیعت وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب سبک H۲O است.

در ساختمان آب دو اتم هیدروژن با یك اتم اكسیژن پیوند دارند. هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است كه به ترتیب دارای جرم اتمی 1، 2 و 3 هستند. هیدروژن معمولی با داشتن یك پروتون در هسته دارای جرم یك می باشد، این ایزوتوپ هیدروژن حدود 99.98 درصد اتم های هیدروژن را شامل می شود. دوتریم ایزوتوپی از هیدروژن است كه دارای یك پروتون و یك نوترون در هسته خود می باشد این ایزوتوپ حدود 1.5 صدم درصد اتمهای هیدروژن را به خود اختصاص داده است و تریتیم كه دارای یك پروتون و دو نوترون است بسیار كم یاب می باشد. حال با توجه به اینكه سه نوع ایزوتوپ برای هیدروژن داریم، می توانید حدس بزنید كه در آبی كه می خورید چند نوع مولكول آب با جرم مختلف وجود دارد و اگر بدانید كه اكسیژن نیز به نوبه خود دارای سه ایزوتوپ است، انواع مولكول های آب متنوع تر از آن می شود كه انتظار داشتیم.

جرم مولکولی آب معمولی 18 و جرم مولکولی آب سنگین 20 است. از لحاظ خواص شیمیایی تفاوت چندانی با خواص آب معمولی نداشته و اختلافات جزئی وجود دارد اما از لحاظ هسته ای هیدروژن معمولی می تواند نوترون را جذب کند اما احتمال جذب نوترون توسط هیدروژن سنگین بسیار کم است. از آب سنگین برای انتقال گرما از هسته راکتور به مبدل حرارتی استقاده می شود، این آب به دلیل داشتن ظرفیت گرمایی بالا توانایی ذخیره سازی گرمای بیشتری رادارد . همچنین آب سنگین گزینه مناسبی برای خنك كردن راكتورهای هسته ای نیز می باشد.

به دلیل تفاوت مشخصات هسته ای دوتریوم با هیدروژن از لحاظ تکانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی از آب سنگین و دوتریوم در زمینه های مختلف تحقیقاتی نیز استفاده می شود. به عنوان مثال رفتار آب سنگین در دستگاه های MRI با رفتار هیدروژن معمولی متفاوت است. در فعالیت های تحقیقاتی به منظور بررسی برخی خواص از موادی استفاده می کنند که هیدروژن طبیعی را در آن با هیدروژن سنگین (دوتریوم) جایگزین کرده اند. یکی از کاربردهای دوتریوم استفاده در تولید نوترون در شتاب دهنده ها و تولید انرژی در "راکتورهای گداخت" است.

تاریخچه
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی کرد.
هارولد یوری شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها که در سال ۱۹۳۴ جایزه نوبل در شیمی گرفت در سال ۱۹۳۱ ایزوتوپ هیدروژن سنگین را که بعدها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.
همچنین در سال ۱۹۳۳، گیلبرت نیوتن لوئیس (Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی) استاد هارولد یوری توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را به‌وسیله عمل الکترولیز بوجود آورد.
اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴ توسط دو بیولوژیست بنامهای هوسی (Hevesy) و هافر (Hoffer) صورت گرفت. آنها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.

روش تهیه آب سنگین
در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرایندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. 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 H۲O آب معمولی و یک مولکول D۲O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش‌های تقطیر 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.

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 از آنجایی که آب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کنند، رآکتورهای آب‌سبک باید از اورانیوم غنی شده با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب‌سنگین 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، رژیم صهیونیستی، 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 هسته‌ای، در بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می‌کند. اما در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. 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 (کُک) 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 ۱۹۴۲ و پروژه منهتن که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «فت من» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی‌شد.

آشکار سازی نوترینو
رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می‌کند. آشکار ساز نوترینو در اعماق 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.

آب نیمه سنگین
چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتم های هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله (HDO) را آب نیمه سنگین می‌گویند. در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکولی آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می‌شود. دلیل ین امر تبدیل سریع اتم هی هیدروژن و دوتریوم بین مولکولهی آب است، مولکول آبی که از ۵۰ درصد هیدروژن معمولی (H) و ۵۰ درصد هیدروژن سنگین(D) تشکیل شده‌است، در موازنه شیمی در حدود ۵۰ درصد HDO و ۲۵ درصد آب (H۲O) و ۲۵ درصد D۲O خواهد داشت.
نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نباید باآب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم (T۲O or ۳H۲O) که از یزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت. تریتیوم یزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر بری ساخت موادی که از خود نور منتشر می‌کنند بکار برده می‌شود.

آب با اکسیژن سنگین
آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول H۲۱۸O است که به صورت تجارتی در دسترس است ببیشتر برای ردیابی بکار برده می‌شود. بعنوان مثال با جایگزین کردن این آب (از طریق 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 بصورت ایزوتوپهای O۱۷ نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی این آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است.

آزمون‌های سوخت و ساز در بدن
از مخلوط آب سنگین با ۱۸O H۲ آبی که اکسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برای انجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می‌شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولاً آزمون آب دوبار نشان دار شده می‌نامند.