آب سنگین چیست؟

«با تاییدات خداوند متعال و الطاف الهی و در سال پیامبر اعظمص بهره برداری از اولین مجتمع تولید آب سنگین سازمان انرژی اتمی ایران در تاریخ چهارم شهریورماه 1385 با حضور آقای دكتر محمود احمدی نژاد، ریاست محترم و محبوب جمهوری اسلامی ایران آغاز گردید.»

دكتر محمود احمدی نژاد روز شنبه چهارم شهریور با پرده برداری از لوح یادبود مجتمع  آب سنگین  اراك، یكی از بزرگترین پروژه های هسته ای كشور را كه ساخت آن از سال 77 آغاز شده بود افتتاح كرد. پروژه تولید  آب سنگین  در شمال غربی اراك و در نزدیكی تاسیسات نیروگاه 40مگاواتی آب سنگین اراك قرار دارد و برای تامین آب سنگین این رآكتور ساخته شده است. به گفته غلامرضا آقازاده رئیس سازمان انرژی اتمی ایران ظرفیت تولید این مجتمع ابتدا هشت تن بود و امروز ظرفیت آن به 16 تن آب سنگین با غنای 899 درصد رسیده است. سعیدی معاون امور بین الملل سازمان انرژی اتمی در توصیف اهمیت این پروژه گفت: این پروژه نقش بسزایی در ارتقای علمی كشور و صنایع داخلی دارد و نشانگر رشد و بلوغ و ارتقای دانش فنی نیروهای متخصص ایرانی است. پروژه مجتمع تولید آب سنگین اراك به عنوان یكی از شاخصه های دانش هسته ای ، در پزشكی و به خصوص كنترل سرطان و كنترل بیماری ایدز نقش تعیین كننده ای دارد و به عنوان خنك كننده و كندكننده رآكتورهای آب سنگین به كار می رود .با گشایش این واحد صنعتی، ایران به عنوان نهمین كشور دارای تجهیزات تولید آب سنگین مطرح می شود. كشورهای آرژانتین، كانادا، هند و نروژ نیز بزرگترین صادركنندگان آب سنگین جهان هستند.با توجه به اهمیت راه اندازی این واحد در صنایع هسته ای، در ادامه با آب سنگین و كاربردهای آن در شاخه های گوناگون آشنا می شویم.آب خالص ماده ای است بی رنگ، بی بو و بدون طعم. فرمول شیمیایی آب H2O است، یعنی هر مولكول آب از اتصال دو اتم هیدروژن به یك اتم اكسیژن ساخته شده است. نكته ای كه باید در نظر داشت آن است كه عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپ هایی دارد كه عبارتند از H 2 كه با D دوتریم و H 3كه با T تریتیم نمایش می دهند. برای آشنا شدن با تفاوت این ایزوتوپ ها بهتر است یك بار دیگر ساختار اتم را به یادآوریم.

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 1870 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 2یا D دوتریم كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و H 3 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 0150 درصد آن را دوتریم تشكیل می دهد، یعنی از هر 6400 اتم هیدروژن، یكی دوتریم است. حال در نظر بگیرید كه به جای یك اتم هیدروژن معمولی در مولكول آب H2O 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، D2O 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 1926 با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی كرد. هارولد یوری یكی از شیمیدانان دانشگاه كلمبیا در سال 1931 توانست آن را كشف كند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال 1933 توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر نیز در سال 1934 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 3200 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 H2O آب معمولی و یك مولكول D2O 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. 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 9899 درصد حدود 600 تا 700 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 1942 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 18O H2 آبی كه اكسیژن آن ایزوتوپ 18O است نه 16O 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 ? است. تریتیم در ساخت نیروگاه های گرما هسته ای كاربرد دارد.

منبع: روزنامه شرق- گروه دانش،سلیمان فرهادیان