Тяжёлая вода: свойства и применение¶

Тяжёлая вода — вода, молекулы которой состоят из изотопа водорода дейтерия (²H, D) и кислорода, то есть имеют химическую формулу D₂O. В отличие от обычной воды (H₂O), в которой атом водорода представлен протием (¹H), тяжёлая вода обладает повышенной плотностью, более высокой точкой кипения и замерзания и иными физико-химическими свойствами. Она применяется прежде всего как замедлитель нейтронов и теплоноситель в ядерных реакторах, а также в научных исследованиях.

¶Состав и изотопный обмен

В природной воде наряду с обычным водородом присутствует стабильный изотоп дейтерий, составляющий около 0,015 % от общего числа атомов водорода. Отношение D/H в океанической воде приблизительно равно 1,56·10⁻⁴. В молекуле тяжёлой воды оба атома водорода заменены дейтерием. Существует также полутяжёлая вода HDO (монодейтериевая вода), которая в равновесной смеси с D₂O и H₂O присутствует в большем количестве, чем чистый D₂O, поскольку изотопный обмен между молекулами воды протекает быстро.

Тяжёлая вода отличается от обычной воды рядом физических характеристик:

¶Получение

Тяжёлая вода не добывается в природе в чистом виде — её выделяют из обычной воды. Основные промышленные методы основаны на разнице в массе изотопов.

¶Электролиз

Наиболее ранний метод. При электролизе воды лёгкий изотоп протий участвует в реакции примерно на 5–10 % активнее дейтерия, поэтому в остаточной воде концентрация D₂O постепенно растёт. Метод энергоёмок, но позволяет получать воду высокой изотопной чистоты.

¶Дистилляция

Разница в давлении пара между H₂O и D₂O невелика (около 0,02 %), поэтому многократная дистилляция требует большого числа ступеней. Тем не менее в годы Второй мировой войны ряд предприятий работал именно по дистилляционной технологии.

¶Химический обмен

Наиболее экономичный промышленный метод. Основан на обратимых реакциях обмена дейтерия между водой и сероводородом или гидридами. В двухколонной схеме (процесс Гирдлер-Сюз) в одной колонне при 32 °C сероводород насыщается дейтерием из воды, во второй при 130 °C отдаёт его обратно. В СССР и России тяжёлая вода производится в основном по обменной технологии с использованием аммиака.

¶Ядерная физика: замедлитель нейтронов

Основное практическое применение тяжёлой воды связано с ядерной энергетикой. При делении урана-235 выделяются быстрые нейтроны, которые неэффективно вызывают дальнейшие акты деления. Для поддержания цепной реакции их необходимо замедлять — столкновениями с лёгкими ядрами. Обычная вода эффективно замедляет нейтроны, но в значительной степени поглощает их, поэтому требует обогащения топлива. Тяжёлая вода практически не поглощает нейтроны, что позволяет использовать в реакторах природный (необогащённый) уран.

Первый в мире реактор, работающий на тяжёлой воде, — ZEEP (Canada, 1945). Крупнейшим российским реактором такого типа является АЭС-6 (Реактор №6) Билибинской АЭС в Чукотском автономном округе, введённый в эксплуатацию в 1974 году; он относится к канальному типу (РБМК-1000 также использует тяжёлую воду в качестве теплоносителя, хотя замедлителем там служит графит). В Канаде разработан собственный канальный реактор CANDU, ставший основой канадской ядерной программы; тяжёлая вода в нём играет роль и замедлителя, и теплоносителя.

¶Роль в ядерных программах

В 1930-е — 1940-е годы тяжёлая вода стала стратегическим материалом. В ходе Второй мировой войны немецкая ядерная программа испытывала дефицит D₂O, и союзники провели серию диверсий против норвежской фабрики «Веморк» в Рьюкане, где немцы производили тяжёлую воду. Операция «Гуннерсайд» (февраль 1943 года) и последующие удары по фабрике сорвали планы Германии по созданию реактора.

В Индии тяжёлая вода стала основой национальной ядерной программы: индийские исследовательские и энергетические реакторы типа PHWR построены по канадской схеме. Вместе с тем Индия использовала тяжёлаяводородные реакторы для производства плутония, что стало причиной международных ограничений.

¶Биологические свойства

Тяжёлая вода токсична для высших организмов в больших концентрациях: дейтерий замедляет ферментативные реакции за счёт кинетического изотопного эффекта. Крысы, выпивающие воду, состоящую на 50 % и более из D₂O, погибают; для одноклеточных организмов и растений токсичность ниже. В медицине D₂O применяется как индикатор объёма жидкостей в организме, а дейтерированные соединения используются в фармацевтике (например, дейтерированный тетрабеназин, одобренный FDA в 2017 году) и в спектроскопии ЯМР.

¶См. также

• Дейтерий
• Замедлитель нейтронов
• Реактор на тяжёлой воде
• Операция «Гуннерсайд»

¶Источники

• Химическая энциклопедия, т. 1
• Большая советская энциклопедия, ст. «Тяжёлая вода»
• Atomic Energy of Canada Limited. CANDU Technology Overview
• М. Г. Мещеряков, «Ядерные реакторы атомных электростанций»