آب سنگین

آب سنگین آبی است که نسبت ایزوتوپ دوتریوم در آن از حد آب معمولی بیشتر است. در آب سنگین (با فرمول D_۲O) بر خلاف آب معمولی (با فرمول H_۲O) به جای هیدروژن ایزوتوپ هیدروژن دوتریم(بافرمول اتمی ^۲H )با اکسیژن ترکیب شده‌است.با کمک این نوع از آب می‌توان پلوتونیوم لازم بری سلاح های اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالی اورانیوم تهیه کرد. از کاربردهای دیگر این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیوم، بعنوان متعادل کننده (Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.

آب سنگین واژه‌ای است که معمولا به اکسید هیدروژن سنگین، D۲O یا ۲H۲O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium)ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به ۶۴۰۰ از اتمهای هیدروژن در طبیعت وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب سبک H۲O است.

تاریخچه

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

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

همچنین در سال ۱۹۳۳، گیلبرت نیوتن لوئیس (Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی) استاد هارولد یوری توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را به‌وسیله عمل الکترولیز بوجود آورد.

اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴ 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.

روش تهیه آب سنگین

در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدار HDO 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 مولکول HDO یک مولکول H۲O آب معمولی و یک مولکول D۲O 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.

کند کننده 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 آب سبک باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح‌های هسته‌ای مربوط 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 تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می‌توان رآکتور تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق العاده خالص 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 ۱۹۴۲ و پروژه منهتن که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «Fat man» 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. 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 اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می‌شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می‌نامند.

آب نیمه سنگین

چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتمهی هیدروژن به یزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله (HDO) را آب نیمه سنگین می‌گویند. در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکوهی آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می‌شود. دلیل ین امر تبدیل سریع اتم هی هیدروژن و دوتریوم بین مولکولهی آب است، مولکول آبی که از ۵۰ درصد هیدروژن معمولی (H) و ۵۰ درصد هیدروژن سنگین(D) تشکیل شده‌است، در موازنه شیمییی در حدود ۵۰ درصد HDO و ۲۵ درصد آب (H۲O) و ۲۵ درصد D۲O خواهد داشت.

نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نبید با با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم (T۲O or ۳H۲O) که از یزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت. تریتیوم یزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر بری ساخت موادی که از خود نور منتشر می‌کنند بکار برده می‌شود.

آب با اکسیژن سنگین

آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول H۲۱۸O است که به صورت تجارتی در دسترس است ببیشتر بری ردیابی بکار برده می‌شود. بعنوان مثال با جیگزین کردن ین آب (از طریق نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضوهی بدن می‌توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب ین عضو را بررسی کرد.

این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیی و بیولوژیکی خاصی ندارد بری همین به آن آب سنگین گفته نمی‌شود. ممکن است اکسیژن در آنها بصورت یزوتوپهی O۱۷ نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی ین آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است.

آب سنگین و رابطه آن با تولید بمب اتمی

.
هر کس گمان کند که تلاش جمهوری اسلامی در توسعه فن آوری اتمی و تاسیسات مربوطه، یک
تلاش معصومانه جهت حل مشکل انرژی در ایران است، به تصوری باطل دچار آمده.
همه شواهد و قرائن از یک برنامه گسترده حکایت می کنند، که هدف آن چ یزی جز ساختن سلاح
هسته ای نیست.
نگارنده پیش از این در مقاله ای زیر عنوان ((جمهوری اسلامی و بمب اتمی )) در باب اهمیت فلز
اورانیوم و فعالیت های حکومت ایران در بدست آوردن آن سخن گفته و در این مقاله توجه هموطنان
را به نقش و اهمیت ((آب سنگین)) در فرآیند تولید اسلحه اتمی جلب می کند.
آب سنگین چیست؟
آب سنگین آبی است که در ساختمان مولکولی آن به جای هیدروژن معمولی، هیدروژن سنگین یا
دوتریوم وجود داشته باشد . در اتم هیدروژن معمولی یک پروتون و یک الکترون وجود دارد، اما در
فزون بر پروتون ی ک نوترون نیز وجود دارد . به همین دلیل Deuterium هسته هیدروژن سنگین یا
وزن اتمی هیدروژن سنگین تقریبًا دو برابر هیدروژن معمولی است . بنابراین در حالیکه فرمول آب
نشان می دهند، و گاه به D2O 2 یا H2O می باشد، آب سنگین را بصورت H2O ( سبک (معمولی
جای آب سنگین به آن ((اکسید دوتریوم)) می گویند.
آب سنگین چگونه تولید می شود؟
آب سنگین بطور طبیعی در آب های کره زمین وجود دارد، اما نسبت آن به آب معمولی بسیار ناچیز
است. در حقیقت به ازای هر ٦٠٠٠ لیتر آب معمولی، یک لیتر آب سنگین بیشتر یافت نمی شود . آب
سنگین را به طرق مختلف می توان تولید کرد. رایج ترین شیوه ها، تقطیر و الکترولیز هستند.
از تاسیسات جمهوری اسلامی در اراک (همانگونه که در تصاویر می بینید ) واضح است که جمهوری
اسلامی شیوه تقطیر را برگزیده است . در این فرآیند آب را وارد برج های تقطیر می نمایند، (نظیر برج
های تقطیر در صنعت نفت ) و چون آب سنگین بعلت بالا بو دن وزن مولکولی در درجه حرارت بالاتر
١٥١ درجه سانتی گراد )، با کنترل حرارت در نقطه جوش آب / از آب معمولی تبخیر می شود ( ٤٢
معمولی، آب سبک مبدل به بخار شده، از آب سنگین جدا می شود . این فرآیند بعلت نیاز به سیستم
های متعدد و پیچیده، و مصرف انرژی زیاد بسیار پر هزینه است.
2
در فرآیند الکترولیز، با عبور دادن جریان برق از آب، آنرا به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می نمایند و
پس از تبدیل هیدروژن حاصله به دوتریوم، دوباره آنرا با اکسیژن ترکیب کرده، آب سنگین تولید می
کنند.
کشورهای کانادا، هند، پاکستان، نروژ، آرژانتین و رومانی تولی د کنندگان آب سنگین هستند . در این
میان کشور کانادا با تولید ٧٠٠ تن آب سنگین در سال رتبه اول را داراست.
نامیده Norsk Hydro اولین کارخانه تولید آب سنگین در جهان، در کشور نروژ تاسیس شد که
می شد . تولید این کارخانه از ١٢ تن در سال افزون نبود . آلمانها پس از تسخیر نروژ، آب سنگین را
جهت تحقیقات اتمی به کشور خود می فرستادند.
متفقین که از طریق دانشمندان فراری از آلمان به این معنی پی برده بودند، تصمیم به تخریب این
کارخانه گرفتند . نخستین گروه اعزامی در پایان سال ١٩٤٢ توسط آلمانها به قتل رسیدند . در ماه
فوریه سال ١٩٤٣ تعد اد ١٢ نفر از شهروندان مبارز نروژی که توسط انگلیس ها تربیت شده بودند، به
وسیله چتر در محل پیاده شدند و با انفجار دینامیت در کارخانه، تولید آب سنگین را متوقف ساختند.
در ماه ژانویه سال ١٩٤٣ نیروی هوایی متفقین بیش از ٤٠٠ بمب بر روی کارخانه ریختند و آن را
خراب کردند. پس از این واقعه آلمانها بر آن شدند تا آب سنگین موجود را توسط کشتی به آلمان
ارسال نمایند. در ماه فوریه سال ١٩٤٤ کشتی حامل آب سنگین توسط وطن پرستان نروژی غرق شد
و در این واقعه ١٤ تن نروژی جان باختند.
نقش آب سنگین در تولید سلاح اتمی
تولید انرژی اتمی ا ز طریق بمباران هسته فلز اورانیوم و پلوتونیوم صورت می گیرد . در یک بمب اتمیِ
اورانیومی، درجه خلوص اورانیوم از ٩٠ درصد بالاتر است، و هنگام انفجار رگباری از نوترون ها توسط
چاشنی بمب بر توده اورانیوم فرو می ریزد و فعل و انفعال زنجیری در جرم بحرانی آغاز می شود.
زمان این فعل و انفعال یک میلیونیم ثانیه است، و انرژی عظیمی ناگهان بصورت انفجار اتمی ظاهر
می شود . در نیروگاه های اتمی مقصود شکستن اتمها و تولید انرژی به طرزی آرام و کنترل شده
است. در این فرآیند، مخلوطی از اورانیوم ٢٣٥ ، با خلوص بسیار ناچیز، همراه با اورانیوم ٢٣٨ مورد
استفاده قرار می گیرند . در این فن آوری، پدیده ای به نام تعدیل کننده لازم می آید تا از سرعت
نوترونهای سریع کاسته شود.
از اوایل دهه ١٩٣٠ بر دانشمندان فیزیک اتمی معلوم گردید که از گرافیت و آب سنگین، دو محیط
تعدیل کننده ایده آل می توان بوجود آورد . در یک کوره اتمی از آب سنگین جهت کاستن سرعت
استفاده می شود . نوترون های آزاد شده در Thermal Newtrons نوترون ها و تبدیل آنها به
محیط پس از برخورد با هسته آب سنگین از سرعتشان کاسته می شود، و جذب هسته اورانیوم می
شوند (نوترون های سریع به خوبی جذب نمی شوند ). بر اثر برخورد این نوترون ها، هسته فلز اورانیوم
3
شکسته می شود و علاوه بر تولید انرژی حرارتی فوق العاده که تولید بخار کرده و توربین های تولید
برق را به حرکت در می آورد، معمو ً لا دو نوترون آزاد می کند که سبب تکرار عمل یاد شده و ایجاد
فعل و انفعال زنجیری می شوند.
نکته اینجاست که اورانیوم ٢٣٨ بر اثر جذب نوترونهای آزاد شده در محیط، مبدل به پلوتونیوم ٢٣٩
می شود، که می توان پس از پایان یافتن سوخت و ساز اتمی و تعویض سوخت، آنرا از مخلوط جدا
ساخت و در بمب اتمی بکار برد.
این طریق بسیار ساده تری جهت دسترسی به پلوتونیوم مورد نی از برای ساختن سلاح اتمی است، که
کشور مربوطه را از زحمات و مخارج سرسام آور جدا سازی و تغلیظ اورانیوم بی نیاز می سازد .
کشورهای هند و پاکستان و اسرائیل از همین طریق توانسته اند خود را به بمب های اتمی مسلح
سازند.
جمهوری اسلامی در حال حاضر فعالیت دو جانبه ای را آغاز نموده است . به عبارت دیگر از یکسو
مشغول تصفیه و تغلیظ اورانیوم است و از سوی دیگر به تولید آب سنگین اشتغال دارد، تا بتواند به
پلوتونیوم نیز دسترسی پیدا کند.
به تحقیق می توان گفت حاکمان ایران در تاسیسات اراک و نطنز و اصفهان و آذربایجان و مناطق
دیگر، بود جه ای که قادر بودند با آن دهها نیروگاه تولید برق گازی در کشور بسازند را مصروف این
فعالیت ها نموده اند.
تصویر عمومی قضیه و نوع تاسیسات ساخته شده به وضوح مبین این حقیقت است که تولید برق و
حل مشکل انرژی مد نظر نیست، و این جمهوری که سرنوشت صدام حسین و طالبان ر ا مشاهده

کرده، تنها طریق خنثی نمودن واقعه ای مشابه را در مالکیت بمب های اتمی دیده است.

آب سنگین چیست؟

دکتر محمود احمدی نژاد روز شنبه چهارم شهریور با پرده برداری از لوح یادبود مجتمع  آب سنگین  اراک، یکی از بزرگترین پروژه های هسته ای کشور را که ساخت آن از سال 77 آغاز شده بود افتتاح کرد. پروژه تولید  آب سنگین  در شمال غربی اراک و در نزدیکی تاسیسات نیروگاه 40مگاواتی آب سنگین اراک قرار دارد و برای تامین آب سنگین این رآکتور 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 کشور و صنایع داخلی دارد و نشانگر رشد و بلوغ و ارتقای دانش فنی نیروهای متخصص ایرانی است. پروژه مجتمع تولید آب سنگین اراک به عنوان یکی از شاخصه های دانش هسته ای ، در پزشکی و به خصوص کنترل سرطان و کنترل بیماری ایدز نقش تعیین کننده ای دارد و به عنوان خنک کننده و کندکننده رآکتورهای آب سنگین به کار می رود .با گشایش این واحد صنعتی، ایران به عنوان نهمین کشور دارای تجهیزات تولید آب سنگین مطرح می شود. کشورهای آرژانتین، کانادا، هند و نروژ نیز بزرگترین صادرکنندگان آب سنگین جهان هستند.با توجه به اهمیت راه اندازی این واحد در صنایع هسته ای، در ادامه با آب سنگین و کاربردهای 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 مولکول آب از اتصال دو اتم هیدروژن به یک اتم اکسیژن ساخته شده است. نکته ای که باید در نظر داشت آن است که عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپ هایی دارد که عبارتند از H 2 که با D دوتریم و H 3که با T تریتیم نمایش می دهند. برای آشنا شدن با تفاوت این ایزوتوپ ها بهتر است یک بار دیگر ساختار اتم را به یادآوریم.

ساختار اتم

اتم کوچکترین بخش سازنده یک عنصر شیمیایی است که هنوز هم خواص شیمیایی آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الکترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الکترون به دور هسته اتم می گردد. الکترون بار منفی و جرم بسیار کمی دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود 1870 بار سنگین تر از الکترون است، بنابر این بخش عمده جرم یک اتم درون هسته آن قرار دارد. ایزوتوپ: ایزوتوپ به صورت های گوناگون یک عنصر گفته می شود که جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپ های مختلف یک عنصر از آنجا ناشی می شود که تعداد نوترون های موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون های تمام اتم های یک عنصر از جمله ایزوتوپ ها با هم برابر است. برای مثال عنصر هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است: H هیدروژن که در هسته خود فقط یک پروتون دارد، بدون نوترون. H 2یا D دوتریم که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد و H 3 یا H تریتیم که یک پروتون و دو نوترون دارد. از آنجایی که خواص شیمیایی یک عنصر به تعداد پروتون های هسته مربوط است، ایزوتوپ های مختلف در خواص شیمیایی با هم تفاوت ندارند، بلکه خواص فیزیکی آنها با هم متفاوت است. عمده هیدروژن های طبیعت H یا هیدروژن معمولی است و فقط 0150 درصد آن را دوتریم تشکیل می دهد، یعنی از هر 6400 اتم هیدروژن، یکی دوتریم است. حال در نظر بگیرید که به جای یک اتم هیدروژن معمولی در مولکول آب H2O اتم D بنشیند. آن وقت مولکول HDO به وجود می آید که به آن آب نیمه سنگین می گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D2O به وجود می آید که به آن آب سنگین می گویند. خواص فیزیکی آب سنگین تا حدودی با آب سبک یا آب معمولی تفاوت دارد.با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی پیوند های اکسیژن هیدروژن در آب تغییر می کند و در نتیجه خواص فیزیکی 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 کرد. هارولد یوری یکی از شیمیدانان دانشگاه کلمبیا در سال 1931 توانست آن را کشف کند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال 1933 توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الکترولیز تهیه کند. هوسی و هافر نیز در سال 1934 از آب سنگین استفاده کردند 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 مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می توان با استفاده از روش هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می شود زیرا مولکول های آب هیدروژن های خود را با یکدیگر عوض می کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول H2O آب معمولی و یک مولکول D2O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش های تقطیر یا الکترولیز به دستگاه های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می کنند.

کاربرد های آب سنگین

آب سنگین در پژوهش های علمی در حوزه های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشکی، فیزیک و... کاربردهای فراوانی دارد که در زیر به چند مورد آن اشاره می کنیم.

طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته NMR هنگامی که هسته مورد نظر ما هیدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگین استفاده می کنند. در این حالت چون سیگنال های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می کند، می توان از آب سنگین استفاده کرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال های هیدروژن تداخل نمی کند.

کند کننده نوترون

آب سنگین در بعضی از انواع رآکتورهای هسته ای نیز به عنوان کند کننده نوترون به کار می رود. نوترون های کند می توانند با اورانیوم واکنش بدهند.از آب سبک یا آب معمولی هم می توان به عنوان کند کننده استفاده کرد، اما از آنجایی که آب سبک نوترون های حرارتی را هم جذب می کنند، رآکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگین می تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح های هسته ای مربوط است. رآکتورهای تولید آب سنگین را می توان به گونه ای 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 می توان از روش های 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 هسته ای، در بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می کند. اما در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم 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 رآکتور تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق العاده خالص به عنوان کند کننده استفاده شود از آنجایی که نازی ها از کربن ناخالص استفاده می کردند، متوجه این نکته نشدند در حقیقت از اولین رآکتور اتمی آزمایشی آمریکا سال 1942 و پروژه منهتن که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «FAT MAN» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی شد.

آشکار سازی نوترینو

رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می کند. آشکار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یک معدن قدیمی کار گذاشته شده تا مئون های پرتو های کیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینوهای الکترون که 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 آشکارسازی انواع نوترینوها را فراهم می کند.

آزمون های سوخت و ساز در بدن

از مخلوط آب سنگین با 18O H2 آبی که اکسیژن 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 که دوتریم رآکتور آب سنگین یک 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 کاربرد دارد.

اب سنگین- چگونگی تولید و موارد مصرف

طاهره ساعدی
روز شنبه با آغاز بهره برداری از پروژه مجتمع تولید آب سنگین اراک، عملا" کشورمان به عنوان نهمین کشور دارنده مجتمع تولید آب سنگین در جهان مطرح شد.

این پروژه با عنوان یکی از شاخصه های دانش هسته ای در مصارف پزشکی به خصوص کنترل سرطان و کنترل بیماری ایدز نقش تعیین کننده ای دارد و به عنوان خنک کننده و کندکننده راکتورهای آب سنگین هسته ای به شمار می آید. این پروژه یکی از بزرگ ترین پروژه های هسته ای کشور است که آژانس بین المللی انرژی اتمی در جریان ساخت آن قرار دارد. آب سنگین در پزشکی هسته ای، راکتورهای تحقیقاتی و راکتورهای آب سنگین تولید انرژی و کاربرد بسیار زیادی دارد. باتوجه به اهمیت آب سنگین در پیشرفت دانش هسته ای و پزشکی، خبرنگار گروه دانش و فناوری خراسان با دکتر حسین آفریده متخصص فیزیک اتمی و عضو هیئت علمی دانشگاه امیرکبیر، دکتر منیژه رهبر عضو هیئت علمی دانشگاه تهران و انجمن فیزیک هسته ای و دکتر نورانی متخصص پزشکی هسته ای گفتگویی انجام داده است که در قالب یک گزارش از نظر شما می گذرد.

J آب سنگین چیست¬؟
دکتر رهبر: آب سنگین، آبی است که هیدروژن های آن دتریوم یا ایزوتوپ سنگین هیدروژن است. این آب در مقایسه با آب معمولی نقطه جوش و نقطه انجماد بالاتری دارد و ویسکوزیته یا چسبندگی آن بیشتر است. هیدروژن دارای 2 ایزوتوپ پایدار H و D و یک ایزوتوپ ناپایدار و رادیواکتیو T یا تریتیوم است. هسته ایزوتوپ معمولی هیدروژن دارای یک پروتون و هسته ایزوتوپ سنگین دارای یک پروتون و یک نوترون است. این نوترون اضافی، هم سبب کاهش جذب نوترون توسط دتریوم و آب سنگین می شود و هم افزایش جرم آن را به همراه دارد. جرم ملکولی آب معمولی 18 و آب سنگین 20 است. در نتیجه یک لیتر آب سنگین دارای جرمی بیشتر از یک لیتر آب سبک است.
J آب سخت با آب سنگین چه تفاوتی دارد¬؟
آب سخت همان آب سبک یا معمولی است که دارای املاح بسیار زیادی می باشد.
J ایزوتوپ چیست¬؟
دکتر آفریده: هسته اتم یک عنصر از پروتون و نوترون تشکیل شده است، تغییر در تعداد پروتون های هسته، سبب تغییر ماهیت و پدید آمدن عنصر دیگری می شود، به عنوان مثال: هسته اتم نیتروژن 7 پروتون دارد که با از دست دادن یکی از آنها تبدیل به عنصر کربن می شود، اما تغییر در تعداد نوترون ها، سبب ایجاد گونه جدیدی از یک عنصر به نام ایزوتوپ می شود. اغلب عناصر دارای ایزوتوپ هستند، ازجمله: عنصر اورانیوم دارای 4 ایزوتوپ است که فقط 2 ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتا" بالا در طبیعت به صورت سنگ معدن یافت می شود. اورانیوم 235 و 238 هرکدام دارای 92 پروتون در هسته خود هستند ولی اورانیوم 235، 143 نوترون و اورانیوم238، 146 نوترون دارد.
J نیروگاه های اتمی به چند دسته تقسیم می شود¬ درباره نیروگاه آب سنگین توضیح بیشتری بدهید؟
¬ دکتر رهبر: نیروگاه هایی که از انرژی شکافت اورانیوم استفاده می کنند به 2 بخش نیروگاه آب سبک و آب سنگین تقسیم می شوند. نیروگاه آب سبک دارای راکتور آب سبک و نیروگاه آب سنگین دارای راکتور آب سنگین است. سوخت نیروگاه های هسته ای، اورانیوم 238 و 235 است. اگر از اورانیوم 235 به عنوان سوخت هسته ای استفاده شود باید درجه غنای آن از 7/0 درصد (که در طبیعت وجود دارد) به 3 تا 5 درصد برسد تا جرم بحرانی لازم برای شکافت را داشته باشد. درون یک راکتور هسته ای، اورانیوم توسط نوترون ها، بمباران می شود. برخورد نوترون به هسته اتم اورانیوم، سبب شکست آن می شود و در اثر این شکست، انرژی و نوترون های اضافی به وجود می آید. نوترون های اضافی در یک واکنش زنجیره ای شرکت می کنند و باعث شکست دیگر اتم های اورانیوم می شود. اگر این نوترون های اضافی کنترل نشود، ورود آن ها به واکنش های زنجیره ای، سبب تولید انرژی بسیار زیاد و در نتیجه انفجار در راکتور می شود. از شکست هسته هر اتم اورانیوم معادل 200 میلیون الکترون ولت انرژی آزاد می شود؛ بنابراین باید از موادی که جاذب نوترون های اضافی هستند و یا کندکننده ها، استفاده شود. در راکتورهای آب سبک از اورانیوم 235 به عنوان سوخت و از آب سبک یا معمولی به عنوان کندکننده استفاده می شود. در راکتورهای آب سنگین، از اورانیوم معمولی یا 238 به عنوان سوخت و از آب سنگین برای کند کردن واکنش های زنجیره ای، بهره گرفته می شود. اگر در راکتور آب سنگین، از آب معمولی استفاده کنیم تمامی نوترون های حاصل از شکافت، توسط آب جذب و واکنش زنجیره ای متوقف می شود، درحالی که آب سنگین توانایی کمی در جذب نوترون دارد. پس از شکست هسته اورانیوم 235 یا 238، انرژی به صورت گرمایی آزاد و این انرژی توسط مواد خنک کننده و به منظور به حرکت درآوردن توربین به خارج از راکتور منتقل می شود. این مواد خنک کننده می تواند آب معمولی یا آب سنگین باشد که پس از انتقال حرارت به بیرون از راکتور و خنک شدن، مجددا" به راکتور برمی گردد و این فرآیند به صورت پیوسته، برای تولید برق، ادامه پیدا می کند. بنابراین آب سنگین و آب سبک در راکتورها علاوه بر کندکنندگی، نقش خنک کنندگی هم دارند.
J آیا پسماندهای حاصل از شکافت در راکتور آب سنگین متفاوت از راکتور آب سبک است؟
¬ دکتر رهبر: مواد و عناصر حاصل از شکافت در 2 نوع راکتور مشابه هم است ولی میزان آن فرق می کند. نوترون های آزاد شده در هنگام شکافت با هسته اورانیوم 238 برخورد می کنند و ایزوتوپ جدید و ناپایداری از اورانیوم را با عنوان اورانیوم 239 به وجود می آورند. اورانیوم 239 در فرآیندی، تبدیل به یک عنصر رادیواکتیو به نام پلوتونیوم 239 می شود. پلوتونیوم، هم به عنوان سوخت در بعضی راکتورها کاربرد دارد و هم می تواند برای ساخت بمب اتمی استفاده شود. در کشوری مثل آمریکا، نیروگاه هایی وجود داشت که هدف آن ها فقط تولید پلوتونیوم بود و از این پلوتونیوم در تولید بمب های نوترونی استفاده می شد. بمبی که بر سر مردم هیروشیما فرود آمد، از این نوع بود. استفاده از اورانیوم طبیعی در راکتورهای آب سنگین، سبب ایجاد میزان بیشتری از پلوتونیوم می شود که این پلوتونیوم می تواند کاربرد نظامی داشته باشد. بنابراین روی این راکتورها حساسیت بیشتری وجود دارد و واردات آب سنگین از دیگر کشورها تحت کنترل سازمان های بین المللی است و به مجوز نیاز دارد اما پروژه تولید آب سنگین در ایران برای استفاده هایی صلح آمیز از این ماده است و تمام برنامه های آن تحت نظارت آژانس است.
J آب سنگین چگونه تولید می شود¬؟
محققان برای اولین بار به طریق الکترولیز به آب سنگین خالص دست یافتند. چون نقطه جوش آب سنگین بالاتر از آب معمولی است، برای تولید آن، از روش تبخیر و تقطیر هم استفاده می شود. در تأسیسات تولید آب سنگین در اراک، طی مراحلی پیچیده از آب معمولی، آب سنگین به دست می آید که درجه خلوص آن 8/99 درصد است. البته باید یادآور شد که مراحل غنی سازی اورانیوم، از پیچیدگی بیشتری برخوردار است چون اختلاف جرم 2 ایزوتوپ اورانیوم بسیار کم است، بنابراین باید برای بالا بردن درجه غنای اورانیوم 235، از سانتریفوژهای متعدد که به صورت آبشاری، پشت سرهم قرار می گیرند، استفاده کرد. ولی تفاوت جرم آب سنگین و آب سبک قابل ملاحظه است و تفاوت در نقاط جوش این 2 نوع آب، امکان جداسازی آب سنگین و خالص سازی آن را تسهیل می کند. از میان هر 6400 تا 7000 ملکول آب معمولی، یک ملکول آب سنگین وجود دارد که برای دستیابی به آن از طرق فیزیکی و شیمیایی درجه خلوص آن را بالا می برند. J در چه کشورهایی از راکتور آب سنگین استفاده می شود¬
دکتر آفریده: در حال حاضر کشورهای زیادی از این نوع راکتور برای تولید برق استفاده می کنند، مانند کانادا، پاکستان و هند ولی تأسیسات تولید آب سنگین تاکنون فقط در 8 کشور وجود داشته است که ما نهمین کشور هستیم. J موارد استفاده از آب سنگین چیست، و تولید آب سنگین چه اهمیتی برای کشور دارد¬ دکتر آفریده: بیشترین استفاده از آب سنگین در راکتورها است که شامل هر 2 راکتور تحقیقاتی و نیروگاهی می شود از آب سنگین برای تولید رادیوایزوتوپ ها در صنعت، کشاورزی و پزشکی استفاده می شود همچنین در رادیوگرافی، نوترون تراپی و نوترون رادیوگرافی از آن بهره برداری می شود. علاوه براین ها، آب سنگین برای تشخیص نشت آب های زیرزمینی یا نشت آب از سدها، کاربرد زیادی دارد. علاوه بر اینها ، دو تریم در تحقیقات فیوران، یا گداخت سرد نقش محوری ایفا می کند. باتوجه به این که کشور ما دارای منابع بزرگی از اورانیوم طبیعی است، با تولید آب سنگین در اراک، می توانیم راکتورهای آب سنگینی بسازیم که برای سوخت خود نیازی به کار دشوار و پرهزینه غنی سازی اورانیوم ندارند. در تأسیسات اراک سالانه 16 تن آب سنگین تولید می شود که نه تنها در تولید برق از نیروگاه های آب سنگین کاربرد، بلکه مصارف زیادی در پزشکی هسته ای دارد. همان طور که ذکر شد از آب سنگین برای تولید رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها استفاده می شود. رادیوایزوتوپ ها در صنعت و کشاورزی کاربرد زیادی دارند. پروژه تولید آب سنگین در اراک به اندازه دستیابی به فرآیند غنی سازی اورانیوم افتخارآفرین است.
به گفته دکتر نورانی متخصص پزشکی هسته ای اساس کار در دانش پزشکی هسته ای استفاده از رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها است و از آب سنگین می توان به عنوان تارگت نوترون برای تولید این مواد استفاده کرد. از پرتوداروها برای تشخیص و درمان بیماری هایی چون سرطان، تومورهای خوش خیم و بدخیم، نارسایی های قلبی و عروقی استفاده می شود. مثلا" در پت اسکن که پیشرفته ترین تکنیک در پزشکی هسته ای است، گلوکز نشان دار یا FDG یا فلوئودین کاربرد بسیار زیادی دارد برای نشان دار کردن گلوکز یا فلوئور از آب سنگین استفاده می شود که به عنوان مثال از FDG برای بررسی متابولیسم گلوکز و تشخیص تومورها در مغز بهره گیری می شود. باتوجه به این که واردات بعضی رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها از کشورهای دیگر با مشکل مواجه است، تولید آب سنگین در کشور موفقیت بزرگی چه در عرصه تولید برق و چه در عرصه پزشکی و صنعت و کشاورزی محسوب می شود.