Raske vesi (deuteeriumoksiid): omadused, kasutus ja tuumareaktorites

Raske vesi (deuteeriumoksiid, ²
H
_2O, D
_2O) on vee vorm, mis põhineb deuteeriumil.

Selles on tavapärasest suurem kogus vesiniku isotoopi deuteeriumi (²
H või D, tuntud ka kui raske vesinik). Tavalises vees on tavaline vesinik-1-isotoop (¹
H või H, mida nimetatakse ka protiumiks). See moodustab suurema osa tavalise vee vesinikust. Deuteeriumi olemasolu annab keemilisele ainele teistsugused tuumaomadused ning massi suurenemine annab talle erinevad füüsikalised ja keemilised omadused võrreldes tavalise "kerge veega". Rasket vett kasutatakse neutronmoderaatorina mõnes tuumareaktoris, näiteks CANDU-reaktoris. See on tavalisest veest tõhusam neutronmoderaator, mis võimaldab kütusena kasutada rikastamata uraani. Puhas raske vesi ei ole radioaktiivne, kuid raske vesi, mis on läbinud tuumareaktori, on kergelt radioaktiivne.

Omadused

Keemilised ja füüsikalised erinevused: deuteeriumil (D) on üks neutron lisaks võrreldes protiumiga (H), mistõttu D2O (raske vesi) on tihedam ja selle füüsikalised omadused erinevad kergest veest. Näited:

• Tihedus: D2O on suurem tihedusega (~1,105–1,107 g/cm³ juures 20–25 °C) kui H2O.
• Mõõdukas kõrgem sulamis- ja keemispunkt – sulamispunkt on veidi üle 3,8 °C ja keemispunkt umbes 101,4 °C (sõltuvalt rõhust).
• Keemilised reaktsioonid ja reaktsioonikiirused võivad D2O-s erineda, sest deuteerium-lingid on tugevamad kui protium-lingid (isotoopne efekt).

Bioloogilised mõjud: väikeses kontsentratsioonis ei ole raske vesi mürgine, kuid suures osas organismi vee asendamisel mõjutab see rakkude ja ensüümide funktsiooni ning võib põhjustada toksilisi efekte.

Tootmine

Raske vee tootmine eeldab deuteeriumi eraldamist vedelast veest, sest deuteeriumi esinemissagedus looduslikus vees on väike (~0,015% vesiniku aatomitest). Levinumad meetodid:

• Girdler-sulfiidiprotsess: temperatuuri- ja keemilise vahetuse meetod, mis oli ajalooliselt laialdaselt kasutusel suurte tootmisvõimsustega tehastes.
• Isotoopide vahetusreaktsioonid: erinevad veeldamise, elektrolüüsi ja keemilise vahetuse meetodid (nt ammoniaagi-hüdrogeneerimise ja muud protsessid).
• Destillatsioon ja elektrolüüs: kasutatakse tihti täiendavalt või väiksemates kogustes tootmisel, ent need on energiamahukamad kui keemilised vahetusmeetodid.

Tootmine on energiakulukas ja kulukas, mistõttu raske vesi on suhteliselt kallis ning masstootmise keskused on vähesed.

Kasutus

Tuumareaktorid: peamine rakendus on neutronite modereerimine tuumareaktorites — D2O aeglustab rektsioonis tekkivaid neutroneid tõhusalt, ilma neid oluliselt neelamata. See võimaldab kasutada rikastamata uraani tuumakütusena, mis on üks CANDU- ja mõnede uurimisreaktorite eelis.

Teadusuuringud ja laborid: deuteerium ja raske vesi on olulised isotopilised märgised keemias ja biokeemias ning kasutatakse ka neutronkaalumiseks, neutronkiirguse eksperimendiks ja neutronmaterjalide uurimiseks.

Mõned muud rakendused: spektroskoopia (NMR), anumate temperatuuristandardid ja teatud keemilised sünteesiprotsessid, kus isotoopne koostis mõjutab reaktsiooniteed.

Raske vesi tuumareaktorites – miks ja kuidas

• D2O on efektiivne neutronmoderaator, sest see aeglustab neutroneid, säilitades samal ajal madala neeldumiskomponendi. See tähendab, et vähem neutroneid kaob „tarbetult“ ja kütuse rikastust ei pruugi vaja minna.
• Mõned reaktoritüübid, nagu CANDU, kasutavad rasket vett nii moderaatorina kui jahutusvedelikuna, mis annab konstruktsioonilised ja majanduslikud eelised (nt loomulik uraan kütusena).
• Reaktoritingimustes muutub raske vesi osaliselt radioaktiivseks: neutronite mõjul tekib deuteeriumi neeldumisel tritium (³H) ning D2O-sse võivad tekkida ka aktivaadid sõltuvalt lisanditest ja primaarsetest materjalidest. Selle tõttu kontrollitakse ja käsitsetakse kasutatud D2O-d vastavalt reguleeritud ohutus- ja jäätmekäitluse nõuetele.

Ohutus, tervis ja keskkond

Radioaktiivsus: puhas raske vesi ei ole iseenesest radioaktiivne. Tuumareaktoris kasutatud raske vesi võib aga sisaldada väikest kogust tritiumi või muid radioaktiivseid saasteaineid ning selle käitlemine peab järgima radioloogilisi ohutusstandardeid.

Tervisemõju: mõõdukatel kogustel on D2O ohutu, ent pikaajaline ja märkimisväärne asendamine organismi veest võib häirida biokeemilisi protsesse. Seetõttu ei tohiks D2O-d kasutada inimtarbeks ega lubada selle lekkimist keskkonda ilma asjakohase kontrollita.

Keskkonnaküsimused: tootmine ja käitlemine nõuavad energiat ning võivad tekitada jääke (nt kemikaalid Girdler-sulfiidiprotsessis). Tuumareaktorites kogunenud tritiumi ja muude aktivaadiide asjakohane käsitlemine on oluline keskkonnakaitse seisukohalt.

Kokkuvõte

Raske vesi (deuteeriumoksiid) on vesi, milles vesiniku asemel domineerib deuteerium. Selle teistsugused tuuma- ja füüsikalised omadused teevad sellest väärtusliku aine tuumatehnikas (eriti neutronmoderaatorina) ning teadusuuringutes. Tootmine on keerukas ja kulukas, kasutamine tuumareaktorites nõuab hoolikat ohutushaldust, sest reaktoritingimustes võib raske vesi muutuda kergelt radioaktiivseks (peamiselt tritiumi tekke tõttu).

Küsimused ja vastused

K: Mis on raske vesi?

K: Mille poolest erineb raske vesi tavalisest "kergest" veest?

K: Millised on raske vee kasutusviisid?

K: Kas puhas raske vesi on radioaktiivne?

K: Kas inimesed saavad elada ainult raske veega tavalise kergvee asemel?

K: Kas raskevesi on väikestes kogustes inimestele mürgine?

Otsing