آب سنگین و نحوه ی تولید و مصرف آن

اب سنگین- چگونگی تولید و موارد مصرف آن

آب سنگین چیست؟
آب سنگین، آبی است که هیدروژن های آن دوتریوم 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 دوتریوم در 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.

 آب سنگین چگونه تولید می شود؟
محققان برای اولین بار به طریق الکترولیز (برقکافت) 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 99/8 درصد است. 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 ، تأسیسات تولید آب سنگین تاکنون فقط در 8 کشور وجود داشته است که ما نهمین کشور هستیم.

کاربرد آب سنگین:

بیشترین استفاده ازآب سنگین درراکتورها است که شامل هر2 راکتور تحقیقاتی و نیروگاهی می شود
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 شده 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.
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. 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 دارد، 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 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.