آب سنگين چيست؟
اتم كوچكترین بخش سازنده یك عنصر شیمیایی است كه هنوز هم خواص شیمیایی آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون.
● ساختار اتم
اتم كوچكترین بخش سازنده یك عنصر شیمیایی است كه هنوز هم خواص شیمیایی آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الكترون به دور هسته اتم می گردد. الكترون بار منفی و جرم بسیار كمی دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰ بار سنگین تر از الكترون است، بنابر این بخش عمده جرم یك اتم درون هسته آن قرار دارد.
ایزوتوپ: ایزوتوپ به صورت های گوناگون یك عنصر گفته می شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد.
تفاوت ایزوتوپ های مختلف یك عنصر از آنجا ناشی می شود كه تعداد نوترون های موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون های تمام اتم های یك عنصر از جمله ایزوتوپ ها با هم برابر است. برای مثال عنصر هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است: H هیدروژن كه در هسته خود فقط یك پروتون دارد، بدون نوترون. H ۲یا D دوتریم كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و H ۳ یا H تریتیم كه یك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجایی كه خواص شیمیایی یك عنصر به تعداد پروتون های هسته مربوط است، ایزوتوپ های مختلف در خواص شیمیایی با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فیزیكی آنها با هم متفاوت است.
عمده هیدروژن های طبیعت H یا هیدروژن معمولی است و فقط ۰۱۵۰ درصد آن را دوتریم تشكیل می دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن، یكی دوتریم است. حال در نظر بگیرید كه به جای یك اتم هیدروژن معمولی در مولكول آب H۲O اتم D بنشیند. آن وقت مولكول HDO به وجود می آید كه به آن آب نیمه سنگین می گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D۲O به وجود می آید كه به آن آب سنگین می گویند. خواص فیزیكی آب سنگین تا حدودی با آب سبك یا آب معمولی تفاوت دارد.با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی پیوند های اكسیژن هیدروژن در آب تغییر می كند و در نتیجه خواص فیزیكی و به ویژه خواص زیست شناختی آب عوض می شود.
● تاریخچه تولید آب سنگین
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی كرد. هارولد یوری یكی از شیمیدانان دانشگاه كلمبیا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را كشف كند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر نیز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده كردند و با انجام اولین آزمون های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
تولید آب سنگین: در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولكول آب یكی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می توان با استفاده از روش هایی مانند تقطیر یا الكترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه كرد.
هنگامی كه مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می شود زیرا مولكول های آب هیدروژن های خود را با یكدیگر عوض می كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO یك مولكول H۲O آب معمولی و یك مولكول D۲O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش های تقطیر یا الكترولیز به دستگاه های پیچیده تقطیر و الكترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می كنند.
● كاربرد های آب سنگین
آب سنگین در پژوهش های علمی در حوزه های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشكی، فیزیك و... كاربردهای فراوانی دارد كه در زیر به چند مورد آن اشاره می كنیم.
طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته NMR هنگامی كه هسته مورد نظر ما هیدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگین استفاده می كنند. در این حالت چون سیگنال های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می كند، می توان از آب سنگین استفاده كرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال های هیدروژن تداخل نمی كند.
● كند كننده نوترون
آب سنگین در بعضی از انواع رآكتورهای هسته ای نیز به عنوان كند كننده نوترون به كار می رود. نوترون های كند می توانند با اورانیوم واكنش بدهند.از آب سبك یا آب معمولی هم می توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجایی كه آب سبك نوترون های حرارتی را هم جذب می كنند، رآكتورهای آب سبك باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگین می تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده كند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح های هسته ای مربوط است.
رآكتورهای تولید آب سنگین را می توان به گونه ای ساخت كه بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل كند.
البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می توان از روش های دیگری هم استفاده كرد. كشورهای هند، اسرائیل، پاكستان، كره شمالی، روسیه و آمریكا از رآكتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته ای، در بسیاری از كشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را كنترل می كند. اما در كشورهایی مثل آمریكا و كانادا می توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و كیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید كنندگان یا عرضه كنندگان مواد شیمیایی تهیه كرد.
هم اكنون قیمت هر كیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می توان رآكتور تولید پلوتونیوم ساخت. كافی است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجایی كه نازی ها از كربن ناخالص استفاده می كردند، متوجه این نكته نشدند در حقیقت از اولین رآكتور اتمی آزمایشی آمریكا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن كه پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی شد.
● آشكار سازی نوترینو
رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی كانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می كند. آشكار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یك معدن قدیمی كار گذاشته شده تا مئون های پرتو های كیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است كه آیا نوترینوهای الكترون كه از همجوشی در خورشید تولید می شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش ها ضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشكارسازی انواع نوترینوها را فراهم می كند.
● آزمون های سوخت و ساز در بدن
از مخلوط آب سنگین با ۱۸O H۲ آبی كه اكسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برای انجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می نامند.
● تولید تریتیم
هنگامی كه دوتریم رآكتور آب سنگین یك نوترون به دست می آورد به تریتیم ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیده ای نیاز ندارد و آسان تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه های گرما هسته ای كاربرد دارد.
منبع: مجله اینترنتی صبح بخیر ایران
/خ
● ساختار اتم
اتم كوچكترین بخش سازنده یك عنصر شیمیایی است كه هنوز هم خواص شیمیایی آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الكترون به دور هسته اتم می گردد. الكترون بار منفی و جرم بسیار كمی دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰ بار سنگین تر از الكترون است، بنابر این بخش عمده جرم یك اتم درون هسته آن قرار دارد.
ایزوتوپ: ایزوتوپ به صورت های گوناگون یك عنصر گفته می شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد.
تفاوت ایزوتوپ های مختلف یك عنصر از آنجا ناشی می شود كه تعداد نوترون های موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون های تمام اتم های یك عنصر از جمله ایزوتوپ ها با هم برابر است. برای مثال عنصر هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است: H هیدروژن كه در هسته خود فقط یك پروتون دارد، بدون نوترون. H ۲یا D دوتریم كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و H ۳ یا H تریتیم كه یك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجایی كه خواص شیمیایی یك عنصر به تعداد پروتون های هسته مربوط است، ایزوتوپ های مختلف در خواص شیمیایی با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فیزیكی آنها با هم متفاوت است.
عمده هیدروژن های طبیعت H یا هیدروژن معمولی است و فقط ۰۱۵۰ درصد آن را دوتریم تشكیل می دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن، یكی دوتریم است. حال در نظر بگیرید كه به جای یك اتم هیدروژن معمولی در مولكول آب H۲O اتم D بنشیند. آن وقت مولكول HDO به وجود می آید كه به آن آب نیمه سنگین می گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D۲O به وجود می آید كه به آن آب سنگین می گویند. خواص فیزیكی آب سنگین تا حدودی با آب سبك یا آب معمولی تفاوت دارد.با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی پیوند های اكسیژن هیدروژن در آب تغییر می كند و در نتیجه خواص فیزیكی و به ویژه خواص زیست شناختی آب عوض می شود.
● تاریخچه تولید آب سنگین
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی كرد. هارولد یوری یكی از شیمیدانان دانشگاه كلمبیا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را كشف كند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر نیز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده كردند و با انجام اولین آزمون های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
تولید آب سنگین: در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولكول آب یكی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می توان با استفاده از روش هایی مانند تقطیر یا الكترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه كرد.
هنگامی كه مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می شود زیرا مولكول های آب هیدروژن های خود را با یكدیگر عوض می كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO یك مولكول H۲O آب معمولی و یك مولكول D۲O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش های تقطیر یا الكترولیز به دستگاه های پیچیده تقطیر و الكترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می كنند.
● كاربرد های آب سنگین
آب سنگین در پژوهش های علمی در حوزه های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشكی، فیزیك و... كاربردهای فراوانی دارد كه در زیر به چند مورد آن اشاره می كنیم.
طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته NMR هنگامی كه هسته مورد نظر ما هیدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگین استفاده می كنند. در این حالت چون سیگنال های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می كند، می توان از آب سنگین استفاده كرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال های هیدروژن تداخل نمی كند.
● كند كننده نوترون
آب سنگین در بعضی از انواع رآكتورهای هسته ای نیز به عنوان كند كننده نوترون به كار می رود. نوترون های كند می توانند با اورانیوم واكنش بدهند.از آب سبك یا آب معمولی هم می توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجایی كه آب سبك نوترون های حرارتی را هم جذب می كنند، رآكتورهای آب سبك باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگین می تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده كند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح های هسته ای مربوط است.
رآكتورهای تولید آب سنگین را می توان به گونه ای ساخت كه بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل كند.
البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می توان از روش های دیگری هم استفاده كرد. كشورهای هند، اسرائیل، پاكستان، كره شمالی، روسیه و آمریكا از رآكتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته ای، در بسیاری از كشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را كنترل می كند. اما در كشورهایی مثل آمریكا و كانادا می توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و كیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید كنندگان یا عرضه كنندگان مواد شیمیایی تهیه كرد.
هم اكنون قیمت هر كیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می توان رآكتور تولید پلوتونیوم ساخت. كافی است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجایی كه نازی ها از كربن ناخالص استفاده می كردند، متوجه این نكته نشدند در حقیقت از اولین رآكتور اتمی آزمایشی آمریكا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن كه پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی شد.
● آشكار سازی نوترینو
رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی كانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می كند. آشكار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یك معدن قدیمی كار گذاشته شده تا مئون های پرتو های كیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است كه آیا نوترینوهای الكترون كه از همجوشی در خورشید تولید می شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش ها ضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشكارسازی انواع نوترینوها را فراهم می كند.
● آزمون های سوخت و ساز در بدن
از مخلوط آب سنگین با ۱۸O H۲ آبی كه اكسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برای انجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می نامند.
● تولید تریتیم
هنگامی كه دوتریم رآكتور آب سنگین یك نوترون به دست می آورد به تریتیم ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیده ای نیاز ندارد و آسان تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه های گرما هسته ای كاربرد دارد.
منبع: مجله اینترنتی صبح بخیر ایران
/خ
