آب سنگین چیست

آب سنگین را با آب سخت اشتباه نگیرید.

آب سنگین واژه‌ای است که معمولاً به اکسید هیدروژن سنگین، D۲O یا ۲H۲O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریم(Deuterium) ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به ۶۴۰۰از اتم‌های هیدروژن در طبیعت وجود دارد. در آب سنگین(با فرمولD۲O)ایزوتوپ هیدروژن به نام دوتریم(با نماد اتمی ۲H یاD)با اکسیژن ترکیب شده‌است. خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب معمولی یا همانH۲O است. از کاربردهای این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیم، به عنوان مهارگر(Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.

ساختار و خواص شیمیایی آب سنگین چیست

مولکول آب سنگین همانند مولکول آب معمولی، یک مولکول قطبی است و زاویه پیوند در آن کم‌تر از زاویه چهاروجهی منتظم، یعنی کم‌تر از ۱۰۹٫۵درجه است.[۲] این مولکول همانند آب معمولی به عنوان یک ماده آمفی‌پروتیک عمل می‌کند؛ یعنی می‌تواند یون هیدروژن بدهد و بگیرد (در این‌جا ایزوتوپ دوتریم است که به شکل یون مثبت، مبادله می‌گردد).[۳] به دلیل کوچک‌تر بودن ایزوتوپ دوتریم نسبت به پروتیم (هیدروژن معمولی) طول پیوندO-D در آب سنگین اندکی از طول پیوند آب معمولی(O-H) کم‌تر است.

تاریخچه

والتر راسل در سال ۱۹۲۶با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دوتریم را پیش بینی کرد.

هارولد یوری شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها که در سال ۱۹۳۴جایزه نوبل در شیمی گرفت در سال ۱۹۳۱ایزوتوپ هیدروژن سنگین را که بعدها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.

همچنین در سال ۱۹۳۳، گیلبرت نیوتن لوویس(Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی) استاد هارولد یوریتوانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را به‌وسیله عمل برق‌کافت تولید کند.

اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال ۱۹۳۴توسط دو بیولوژیست به نامهای هوسی(Hevesy) و هافر(Hoffer) صورت گرفت. آنها آب سنگین را برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، مورد استفاده قرار دادند.

روش تهیه آب سنگین چیست

در طبیعت از هر ۳۲۰۰مولکول 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 مقدارHDO 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 مولکولHDO یک مولکولH۲O یا آب معمولی و یک مولکولD۲O یا 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.

کاربردهای صنعتی آب سنگین چیست

کندکننده 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 هسته‌ایمربوط 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 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 تولیدکنندگان یا عرضه‌کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸/۹۹درصد حدود ۶۰۰تا ۷۰۰دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می‌توان رآکتور تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق‌العاده 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 ۱۹۴۲و 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 اتم‌های 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 این امر تبدیل سریع اتم‌های هیدروژن و دوتریوم بین مولکولهای آب است، مولکول آبی که از ۵۰درصد هیدروژن معمولی(H) و ۵۰درصد هیدروژن سنگین(D) تشکیل شده‌است، در موازنه شیمی در حدود ۵۰درصدHDO و ۲۵درصد آب(H2O) و ۲۵درصدD2O خواهد داشت.

نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نباید با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا با آب تریتیوم(T2O or 3H۲O) که از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت. تریتیوم ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی که از خود نور منتشر می‌کنند بکار برده می‌شود.

آب با اکسیژن سنگین

آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمولH۲۱۸O 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 ایزوتوپهایO۱۷نیز 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 اندازه‌گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می‌شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولاً آزمون آب دوبار نشان دار شده می‌نامند.

در ادامه مصاحبه ای با «ابراهیم کارخانه‌ای» نماینده فعلی همدان که رئیس کمیته هسته‌ای مجلس هستند را می خوانید

رئیس کمیته هسته‌ای مجلس تعریف ساده آب سنگین، تفاوت راکتور آب‌سنگین اراک با نیروگاه بوشهر، فردو و نطنز و علت مخالفت ها با تکمیل راکتور آب‌سنگین اراک را تشریح کرد.

پرونده هسته‌ای کشورمان یکی از مهمترین پرونده‌هایی است که همواره در تعیین سیاست خارجی جمهوری اسلامی ایران و نحوه برخورد سایر کشورها با این پرونده نقش داشته و تاثیرگذار  بوده است.

هر چند موضوع هسته‌ای یک موضوع کاملا علمی و تخصصی است و باید متخصصین این حوزه در این باره تصمیم‌گیری کرده و اظهار نظر کنند اما با کارشکنی‌های پی در پی غرب به سرکردگی آمریکا، بعد سیاسی پرونده هسته‌ای کشورمان به سایر ابعاد این پرونده از جمله بعد علمی و کاربردی این پرونده چربیده و همواره بعد سیاسی آن مطرح بوده است.

پس از روی کار آمدن دولت یازدهم پرونده هسته‌ای ایران مسیر دیگری را پیمود به طوری که سوم آذر ماه سال 92 در ژنو تیم مذاکره کننده هسته‌ای کشورمان توانستند با گروه 1+5 متشکل از آمریکا، انگلیس، فرانسه، روسیه، چین و آلمان به توافق برسند.

همواره عبارات و اصطلاحات مهمی در ارتباط با پرونده هسته‌ای مطرح می‌شود که آب سنگین، نیروگاه اتمی بوشهر، راکتور اتمی اراک، سایت هسته‌ای فردو، نطنز از جمله این عبارات است.

برای آشنایی با این تعاریف به سراغ «ابراهیم کارخانه‌ای» نماینده فعلی همدان که رئیس کمیته هسته‌ای مجلس بوده و کارشناس ارشد علوم هسته‌ای دارد رفتیم که این گفتگو را در ادامه می‌خوانید.

خبرنگار: آب سنگین چیست؟

کارخانه‌ای: فرمول آب معمولی H20 است، ولی فرمول آب سنگین D2O است، D یعنی هیدروژن سنگین یا دو تریوم، پس آب معمولی 2 هیدروژن معمولی با یک اکسیژن دارد ولی آب سنگین 2 هیدروژن سنگین با یک اکسیژن دارد. عدد جرمی هیدروژن معمولی یک است در حالی که عدد جرمی هیدروژن سنگین 2 است به همین دلیل می‌گویند D2O یا آب سنگین.

خبرنگار: آیا آب سنگین و آب سبک با هم مخلوط هستند؟

کارخانه‌ای: بله، به ازای هر 7 هزار مولکول آب معمولی یک مولکول آب سنگین وجود دارد که تحت فرآیند بسیار حساس می‌توان آب سنگین را از آب معمولی جدا کرد.

خبرنگار: پس آبی که ما مصرف می‌کنیم آب سنگین هم دارد؟

کارخانه‌ای: بله، به ازای هر 7 هزار مولکول معمولی یک مولکول آب سنگین در آب مصرفی ما وجود دارد.

خبرنگار: راکتور اراک چه تفاوتی با نیروگاه اتمی بوشهر دارد؟

کارخانه‌ای: سوخت راکتور قدرت بوشهر یا نیروگاه اتمی بوشهر اورانیوم غنی شده زیر 5 درصد بوده و سیستم خنک‌کننده آن آب سبک است که به آن راکتور آب سبک‌هم می‌گویند اما سوخت مورد نیاز راکتور آب سنگین اراک اورانیوم طبیعی بوده و سیستم خنک‌کننده آن آب سنگین است.

هم‌چنین قدرت راکتور آب سنگین اراک 40 مگاوات بوده و تحقیقاتی است و برای تولید رادیو ایزوتوپ‌های مورد نیاز در پزشکی و صنعت از آن استفاده می‌شود در حالی که نیروگاه اتمی بوشهر 1000 مگاوات بوده و برای تولید برق است.

خبرنگار: ظاهرا در اراک نیز دو تاسیسات مجزا وجود دارد منظور از این دو تاسیسات چیست؟

کارخانه‌ای: بله، در اراک دو تاسیسات وجود دارد یکی تاسیسات آب سنگین است که فقط آب سنگین تولید می‌کند و دیگری راکتور آب سنگین IR-40 است که با قدرت 40 مگاوات کار می‌کند( همان راکتوری که سیستم خنک‌کننده آن آب سنگین است).

تاسیسات آب سنگین صرفا آب سنگین مصرفی راکتور 40 مگاواتی را تولید می‌کند و البته آب سنگین مصارف زیادی در عرصه پزشکی، کشاورزی، تحقیقاتی، صنعتی و….. دارد.

خبرنگار: آیا در سایت هسته‌ای فردو و نطنز نیز آب سنگین استفاده می‌شود؟

کارخانه‌ای: خیر، در فردو و نطنز آب سنگین استفاده نمی‌شود.

خبرنگار: تفاوت سایت هسته‌ای فردو و نطنز با راکتور اراک چیست؟

کارخانه‌ای: در نطنز اورانیوم غنی شده زیر 5 درصد تولید می‌شود در حالی که در فردو این توانمندی وجود دارد که اورانیوم غنی شده 20 درصد هم تولید می‌شد!

در حال حاضر فردو که قبلا 20 درصد تولید می‌کرده، زیر 5 درصد تولید می‌کند.

خبرنگار: آیا راکتور 40 مگاواتی اراک به طور کامل به بهره‌برداری رسیده است؟

کارخانه‌ای: خیر به صورت 100درصد به بهره‌برداری نرسیده است، در حال حاضر این راکتور حدود 90درصد پیشرفت داشته است.

خبرنگار: علت حساسیت غربی‌ها در مورد راکتور 40 مگاواتی اراک چیست؟

کارخانه‌ای: راکتور آب سنگین اراک حاصل نبوغ جوانان ایرانی است و این راکتور بومی است، از آن‌جا که ساختار کلی همه راکتورها مشابه همدیگر است لذا اگر ما به فناوری ساخت این راکتور 40 مگاواتی به طور 100درصد دسترسی پیدا کنیم و این راکتور به بهره‌برداری برسد قادر خواهیم بود دیگر راکتورهای قدرت مورد نیاز کشور را هم در داخل و با فناوری بومی تولید کنیمکه این مهم باعث مخالفت می‌شود.

خبرنگار: بهانه غربی‌ها برای مانع از به بهره‌برداری رسیدن راکتور آب سنگین اراک چیست؟

کارخانه‌ای: آن‌ها بهانه‌های مختلفی دارند و می‌گویند پسماند راکتور آب سنگین اراک پلوتونیوم 239 تولید می‌کند که قابلیت شکاف دارد در حالی که این یک بهانه است چرا که پسماند آن کنترل می‌شود همان‌گونه که پسماند نیروگاه بوشهر هم کنترل می‌شود.

خبرنگار: توصیه شما به دست‌اندرکاران حوزه هسته‌ای چیست؟

کارخانه‌ای: معتقدم باید اهمیت علمی آب سنگین اراک مشخص شود تا پس از آن جایگاه سیاسی هم قابل تبیین باشد اگر اهمیت علمی موضوع کاملا معلوم نشود ممکن است از نظر سیاسی دچار اشتباه فاحش شویم بنابراین باید به جایگاه علمی نیروگاه آب سنگین اراک توجه ویژه شود.