مقاله در مورد آب سنگین

بخشی از مقاله

آب سنگین

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 با اکسیژن ترکیب شده است.

تاریخچه
هارولد یوری شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها که در سال 1934 جایزه نوبل در شیمی گرفت در سال 1931 ایزوتوپ هیدروژن سنگین را که بعد ها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.
همچنین در سال 1933، گیلبرت نیوتن لوئیس (Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی) استاد هارولد یوری توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را بوسیله عمل الکترولیز بوجود آورد.
اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال 1934 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.

آب نیمه سنگین
چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتمهای هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله (HDO) را آب نیمه سنگین می گویند. در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکوهای آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می شود.
معايب آب سنگين
آب سخـت آبـي اسـت كـه حـاوي گـچ، آهـك و ديــگر املاح محلول مي بـاشـد. در آب سـخـت سـطـــح برخي از املاح مـعـدني مـحـلـول در آب بيـشـــتر است. اين املاح معدني عمدتا شامل كربنات كلسيم و كربنات منيزيم مي باشند.
اما املاحي مانند بي كربناتها، سولفاتها و سيليكات ها و هــمچنين آهن و منگنز را نيز در برميگيرد. با آنكه نوشيدن آب سـخـت مشـكل خـاصـي بـراي سـلامـتـي شـما ايجاد نمي كنـد .
(جـز آنـكه ميتواند تشكيل سنگ كليه را افزايش دهـد) چــه بسا ممكن است در برخي موارد مزيتهايي نيز داشـتــه باشد .

(مثلا شكستگي استخوانها سريعتر جوش مي خـورند و يا خوردگي را در لوله ها به حداقل ميرساند)
امــا مصرف آب سخت مضرات بسياري نيز دارا ميباشد كه به قرار زير ميباشد:
1- موجب رسوب مواد آهكي بروي جداره داخلي كتريها، قوريها، لوله هاي آب گرم، لباس شوييها، ظرف شوييها، كولرها، شوفاژها و ديگهاي بخار ميگردد.
2- كيفيت طعم و مزه چاي و قهوه را كاهش ميدهد.

3- صابون، شامپو و ساير شوينده هاي خانگي با آب سخت خوب كف توليد نميكنند بنابراين بازده شستشو كاهش يافته و مصرف شوينده ها افزايش مي يابد.
4- سبب خشن و زبر شدن البسه، رنگ پريدگي لباسها و خاكستري شدن لباسهاي سفيد رنگ ميشود. عمر مفيد لباسها را كاهش ميدهد.
5- كارايي و راندمان شوفاژ و ساير سيستمهاي گرمايشي كه در آنها آب جريان دارد راكاهش ميدهد.
6- سبزيها به خوبي پخته نميگردند.
7- شستن بدن حين استحمام با آب سخت سبب ميگردد قشري از نمكهاي نامحلول روي پوست و موهاي بدن رسوب كند. كه همين امر سبب مسدود شدن روزنه ها و خارش و سوزش پوست ميگردد. همچنين موها را رنگ پريده كرده و شانه كردن و برس كشيدن موها دشوار ميگردد. اين رسوبات رشد باكتريها را نيز تسهيل ميكند.
براي كاهش سختي آب ميتوانيد از فيلترهاي تصفيه كننده آب خانگي استفاده كنيد كه داراي سختي گير ميباشند. سختي گيرها با تبادل يونهاي كلسيم و منيزيم با يونهاي سديم و پتاسيم غلظت املاح سخت را كاهش ميدهند.
مزاياي آبي كه سختي آن گرفته شده است
1- عمر مفيد هيترها، ظرف شوييها و ماشين لباس شوييها و لوله هاي آب افزايش مييا

بد.
2- صابون و شامپو بهتر كف توليد كرده و ميزان مصرف آنها 50 درصد كاهش مي يابد.
3- كف خمير دندان افزايش مي يابد.
4- بازده سيستمهاي گرمايشي افزايش مي يابد.
5- مدت زمان شستشوي ظرفها كاهش مي يابد.
6- جرم و رسوبات كتري، قوري، لوله هاي آب گرم و وان حمام حذف ميگردد.

7- رگه ها و لكهاي ظروف پس از شستشو به حداقل رسيده و ظروف براق تر و درخشنده تر ميگردند.
8- موها را نرم و لطيف كرده و شانه و برس زدن آنها راحت تر ميگردد.
9- شستشوي خودرو آسانتر ميگردد.
10- اصلاح ريش صورت آسانتر ميگردد.
11- خشكي و زبري پوست كاهش مي يابد.
12- رخت ها پس از ششتشو نرمتر و روشنتر ميشوند.
کاربرد آب سنگین در راکتورهای هسته ای
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 .
بر اساس این گزارش 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 خودو 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 .
از آنجا که این راکتور در زمان راه اندازی به مقدار زیادی آب سنگین نیازدارد مجتمع آب سنگین اراک همزمان با پی گیری ساخت ساختمان و راکتور آماده شد و به بهره برداری رسید تا بتواند نیاز راکتور را در زمان راه‌اندازی فراهم کند.

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 .
آب سنگين به يكي از شكل‌هاي نادر آب به نام دوتریم اكسايد(D2O) گفته مي‌شود كه در آن به جاي دو اتم هيدروژن معمولي(H)، دو اتم هيدروژن سنگين(D)، يعني هيدروژني كه دو نوترون دارد، نشسته است. با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی بين اكسیژن هیدروژن در آب تغییر می‌كند و در نتیجه ويژگي‌هاي فیزیكی و زیست‌شناختی آب دگرگون می‌شود. آب سنگين در نيروگاه‌هاي هسته‌اي براي كاستن از سرعت نوترون‌ها و همچنين، پژوهش‌هاي زيست‌شناختي و مهار بيماري‌هاي مانند سرطان و ايدز كاربرد دارد. توليد اين ماده پر كاربرد از سال 1385 در ايران آغاز شده است.
تفاوت در نوترون
آب خالص ماده‌ای است بی‌رنگ، بی‌بو و بي‌مزه. فرمول شیمیایی آن H2O است، یعنی هر مولكول آب از پيوند دو اتم هیدروژن به یك اتم اكسیژن ساخته شده است. عنصر هیدروژن هما

نند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپ‌هایی دارد كه عبارتند از H ۲ كه با D (دوتریم) و H ۳ كه با T (تریتیم) نمایش داده مي‌شود. ایزوتوپ به صورت‌های گوناگون یك عنصر گفته می‌شود كه جرم آن‌ها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپ‌های مختلف یك عنصر از شمار نوترون‌های هسته آن‌‌ها ناشي مي‌شود؛ يعني با وجودي كه شمار پروتون‌های همه‌ي اتم‌های یك عنصر از جمله ایزوتوپ‌هاي آن با هم برابر است، شمار نوترون‌ها در ايزوتوپ‌هاي مختلف يك عنصر متفاوت است. از همين رو، هیدروژن معمولي(H) در هسته‌ي خود فقط یك پروتون دارد و بدون نوترون است؛ دوتریم(D) كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و تریتیم(T) كه یك پروتون و دو نوترون دارد.
بيشتر هیدروژن‌های طبیعت از نوع H یا هیدروژن معمولی است و فقط ۰۱۵۰/0 درصد آن را دوتریم تشكیل می‌دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن، یكی دوتریم است. اكنون در نظر بگیرید كه به جای یك اتم هیدروژن معمولی در مولكول آب(H2O) اتم D بنشیند. آن گاه مولكول HDO به وجود می‌آید كه به آن آب نیمه‌سنگین می‌گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D2O به وجود می‌آید كه به آن آب سنگین می‌گویند. ويژگي‌هاي فیزیكی آب سنگین تا اندازه‌اي با آب سبك یا آب معمولی تفاوت دارد. با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی بين اكسیژن هیدروژن در آب تغییر می‌كند و در نتیجه ويژگي‌هاي فیزیكی و زیست‌شناختی آب دگرگون می‌شود.
تولید آب سنگین
در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولكول آب یكی آب نیمه‌سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با روش‌هایی مانند تقطیر یا الكترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی به دست آورد. هنگامی كه مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شود، زیرا مولكول‌های آب هیدروژن‌های خود را با یكدیگر عوض می‌كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO یك مولكول H2O (آب معمولی) و یك مولكول D2O (آب سنگین) به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص به روش یا الكترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الكترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می‌كنند.

كاربرد های آب سنگین
آب سنگین را بيشتر به دليل كاربرد آن در نيروگاه‌هاي هسته‌اي مي شناسند. اما اين ماده در پژوهش‌های علمی در رشته‌هاي زیست‌شناسی، پزشكی، فیزیك و شيمي و مهندسي كاربردهای فراوانی دارد. كه در زیر به چند مورد آن اشاره می شود.
1. طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته. در طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته(NMR) هنگامی كه هسته مورد نظر پژوهشگر، هیدروژن و حلال هم آب باشد، از آب سنگین استفاده می‌كنند. در این حالت چون سیگنال‌های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال‌های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می‌كند، می‌توان از آب سنگین بهره گرفت، زیرا ويژگي‌هاي مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال هیدروژن تداخل نمی‌كند.
2. كند كننده نوترون. آب سنگین در برخي از رآكتورهای هسته‌ای به عنوان كندكننده سر

عت نوترون به كار می‌رود. نوترون‌های كند می‌توانند با اورانیوم واكنش بدهند. از آب سبك یا آب معمولی هم می‌توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجا كه آب سبك نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌كند، در رآكتورهای آب سبك باید اورانیوم غنی شده(اورانیوم با خلوص زیاد) را به كار برد، اما رآكتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده كند. بنابراين، تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از گسترش سلاح‌های هسته‌ای مربوط مي‌شود.
3. آشكار سازی نوترینو. رصدخانه نوترینوی سادبری در انتاریوی كانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می‌كند. آشكارساز نوترینو در ژرفاي زمین و در دل یك معدن قدیمی كار گذاشته شده تا مئون‌های پرتوهای كیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است كه آیا نوترینوهای الكترون كه 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 آشكارسازی انواع نوترینوها را فراهم می‌كند.
4. آزمون‌های سوخت و ساز در بدن. از مخلوط آب سنگین با ۱۸OH2 (آبی كه اكسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O) برای انجام آزمایش اندازه‌گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و جانوران بهره مي‌گيرند. این آزمون سوخت و ساز را " آزمون آب دوبار نشان‌دار"می‌نامند.
5. تولید تریتیم. هنگامی كه دوتریم رآكتور آب سنگین یك 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 كاربرد دارد.
آب سنگين و بمب اتم
رآكتورهای آب سنگین را می‌توان به گونه‌ای ساخت كه بدون نیاز به دستگاه‌هاي غنی‌سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل كند. كشورهای هند، اسرائیل، پاكستان، كره شمالی، روسیه و آمریكا از رآكتورهای تولید آب سنگین برای ساختن بمب اتمی استفاده كردند. با توجه به امكان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته‌ای، در بسیاری از كشورها دولت بر تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را به شدن نظارت مي‌كند. با وجود اين، در كشورهایی مثل آمریكا و كانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و كیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولیدكنندگان یا فروشندگان مواد شیمیایی به دست آورد. هم اكنون قیمت هر كیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹8/۹۹ درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است.
تاريخ آب سنگین
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ به كمك جدول تناوبی مارپیچ وجود دوتریم را پیش‌بینی كرد. سپس، در سال ۱۹۳۱ هارولد یوری از دانشگاه كلمبیا آن را كشف كرد. گیلبرت نیوتن لوئیس در سال ۱۹۳۳ توانست نخستين نمونه از آب سنگین خالص را با روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده كردند و با انجام نخستين آزمون‌های ردیابی زیست‌شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
در چهارم شهریور 1385، مجتمع آب سنگین اراك، یكی از بزرگترین طرح‌های هسته‌ای ايران، كار خود را آغاز كرد. كار ساخت آن از سال 1377 در شمال غربی اراك و نزدیك نیروگاه ۴۰

مگاواتی آب سنگین اراك آغاز شده بود. ظرفیت تولید این مجتمع در آغاز هشت تن بود و اكنون به ۱۶ تن آب‌سنگین با غنای ۸/8۹ درصد رسیده است.
فشرده اطلاعات آب سنگين
یک - دوتريوم برای توليد تريتيم و كلاهك بمب هسته ای از اجزای اساسی به شمار می رود.
دو - آب سنگين برای تعديل نوترونی راكتورهای هسته ای با هدف آهسته كردن حركت نوترون ها برای واكنش با اورانيوم طبيعی و توليد پلوتونيم به كار می رود.