آب سنگین چیست؟
آب خالص ماده‌ای است بی‌رنگ، بی‌بو و بدون طعم. فرمول شیمیایی آب H2O است، یعنی هر مولكول آب از اتصال دو اتم هیدروژن به یك اتم اكسیژن ساخته شده است. نكته‌ای كه باید در نظر داشت آن است كه عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپ‌هایی دارد كه عبارتند از H ۲ كه با D دوتریم و H ۳كه با T تریتیم نمایش می‌دهند. 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 می‌گردد. الكترون بار منفی و جرم بسیار كمی دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰ بار سنگین تر از الكترون است، بنابر این بخش عمده جرم یك اتم درون هسته آن قرار دارد. ایزوتوپ: ایزوتوپ به صورت‌های گوناگون یك عنصر گفته می‌شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپ‌های مختلف یك عنصر از آنجا ناشی می‌شود كه تعداد نوترون‌های موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد.
البته تعداد پروتون‌های تمام اتم‌های 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 ۲یا D دوتریم كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و H ۳ یا H تریتیم كه یك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجایی كه خواص شیمیایی یك عنصر به تعداد پروتون‌های هسته مربوط است، ایزوتوپ‌های مختلف در خواص شیمیایی با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فیزیكی آنها با هم متفاوت است. عمده هیدروژن‌های طبیعت H یا هیدروژن معمولی است و فقط ۰۱۵۰ درصد آن را دوتریم تشكیل می‌دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ 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 می‌آید كه به آن آب نیمه سنگین می‌گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D2O به وجود می‌آید كه به آن آب سنگین می‌گویند. 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 پیوند‌های اكسیژن هیدروژن در آب تغییر می‌كند و در نتیجه خواص فیزیكی و به ویژه خواص زیست شناختی آب عوض می‌شود.
تاریخچه تولید آب سنگین
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی كرد. هارولد یوری یكی از شیمیدانان دانشگاه كلمبیا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را كشف كند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر نیز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده كردند و با انجام اولین آزمون‌های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
تولید آب سنگین: در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولكول آب یكی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با استفاده از روش‌هایی 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 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 با استفاده از روش‌های تقطیر 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.
كاربردهای آب سنگین
آب سنگین در پژوهش‌های علمی در حوزه‌های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشكی، فیزیك و... كاربردهای فراوانی دارد كه در زیر به چند مورد آن اشاره می‌كنیم.
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 می‌كنند. در این حالت چون سیگنال‌های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال‌های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می‌كند، می‌توان از آب سنگین استفاده كرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال‌های هیدروژن تداخل نمی‌كند.
كند كننده نوترون
آب سنگین در بعضی از انواع رآكتورهای هسته‌ای نیز به عنوان كند كننده 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 آنجایی كه آب سبك نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌كنند، رآكتورهای آب سبك باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده كند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح‌های هسته‌ای مربوط است.
رآكتورهای تولید آب سنگین را می‌توان به گونه‌ای 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 می‌توان از روش‌های دیگری هم استفاده كرد. كشورهای 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 می‌كند. اما در كشورهایی مثل آمریكا و كانادا می‌توان 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 ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می‌توان رآكتور تولید پلوتونیوم ساخت. كافی است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجایی كه نازی‌ها از كربن ناخالص استفاده می‌كردند، متوجه این نكته نشدند در حقیقت از اولین رآكتور اتمی آزمایشی آمریكا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن كه پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی‌شد.
آشكارسازی نوترینو
رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی كانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می‌كند. آشكار ساز نوترینو در اعماق 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.
آزمون‌های سوخت و ساز در بدن
از مخلوط آب سنگین با ۱۸O H2 آبی كه اكسیژن 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.
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 آسان تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه‌های گرما هسته‌ای كاربرد دارد
شیمی یعنی ........................... سلامتی ................................ محیط زیست ............................ دارو سازی .............................. پزشکی ................................. نفت و گاز................................ صنعت .................................. آموزش .................................. تحقیق و توسعه ........................