up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله آب سنگين PDF
QR code - آب سنگين

آب سنگين

● ساختار اتم
اتم کوچکترين بخش سازنده يک عنصر شيميايي است که هنوز هم خواص شيميايي 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 مي گردد. الکترون بار منفي و جرم بسيار کمي دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰ بار سنگين تر از الکترون است، بنابر اين بخش عمده جرم يک اتم درون هسته آن قرار دارد. ايزوتوپ: ايزوتوپ به صورت هاي گوناگون يک عنصر گفته مي شود که جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد.
تفاوت ايزوتوپ هاي مختلف يک عنصر از آنجا ناشي مي شود که تعداد نوترون هاي موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون هاي تمام اتم هاي يک عنصر از جمله ايزوتوپ ها با هم برابر است. براي مثال عنصر هيدروژن داراي سه ايزوتوپ است: H هيدروژن که در هسته خود فقط يک پروتون دارد، بدون نوترون. H ۲يا D دوتريم که در هسته خود يک پروتون و يک نوترون دارد و H ۳ يا H تريتيم که يک پروتون و دو نوترون دارد. از آنجايي که خواص شيميايي يک عنصر به تعداد پروتون هاي هسته مربوط است، ايزوتوپ هاي مختلف در خواص شيميايي با هم تفاوت ندارند، بلکه خواص فيزيکي آنها با هم متفاوت است. عمده هيدروژن هاي طبيعت H يا هيدروژن معمولي است و فقط ۰۱۵۰ درصد آن را دوتريم تشکيل مي دهد، يعني از هر ۶۴۰۰ اتم هيدروژن، يکي دوتريم است. حال در نظر بگيريد که به جاي يک اتم هيدروژن معمولي در مولکول آب H۲O اتم D بنشيند. آن وقت مولکول HDO به وجود مي آيد که به آن آب نيمه سنگين مي گويند. اگر جاي هر دو اتم هيدروژن، دوتريم بنشيند، D۲O به وجود مي آيد که به آن آب سنگين مي گويند. خواص فيزيکي آب سنگين تا حدودي با آب سبک يا آب معمولي تفاوت دارد.با توجه به جانشيني D به جاي H در آب سنگين، انرژي پيوندي پيوند هاي اکسيژن هيدروژن در آب تغيير مي کند و در نتيجه خواص فيزيکي و به ويژه خواص زيست شناختي آب عوض مي شود.
● تاريخچه توليد آب سنگين
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبي «مارپيچ» وجود دو تريم را پيش بيني کرد. هارولد يوري يکي از شيميدانان دانشگاه کلمبيا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را کشف کند. گيلبرت نيوتن لوئيس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولين نمونه از آب سنگين خالص را با استفاده از روش الکتروليز تهيه کند. هوسي و هافر نيز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگين استفاده کردند و با انجام اولين آزمون هاي رديابي زيست شناختي به بررسي سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
▪ توليد آب سنگين: در طبيعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب يکي آب نيمه سنگين HDO است. آب نيمه سنگين را مي توان با استفاده از روش هايي مانند تقطير يا الکتروليز يا ديگر فرآيندهاي شيميايي از آب معمولي تهيه کرد.
هنگامي که مقدار HDO در آب زياد شد، ميزان آب سنگين نيز بيشتر مي شود زيرا مولکول هاي آب هيدروژن هاي خود را با يکديگر عوض مي کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO يک مولکول H۲O آب معمولي و يک مولکول D۲O آب سنگين به وجود آيد. براي توليد آب سنگين خالص با استفاده از روش هاي تقطير يا الکتروليز به دستگاه هاي پيچيده تقطير و الکتروليز و همچنين مقدار زيادي انرژي نياز است، به همين دليل بيشتر از روش هاي شيميايي براي تهيه آب سنگين استفاده مي کنند.
● کاربرد هاي آب سنگين
آب سنگين در پژوهش هاي علمي در حوزه هاي مختلف از جمله زيست شناسي، پزشکي، فيزيک و... کاربردهاي فراواني دارد که در زير به چند مورد آن اشاره مي کنيم.
▪ طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته: در طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته NMR هنگامي که هسته مورد نظر ما هيدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگين استفاده مي کنند. در اين حالت چون سيگنال هاي اتم هيدروژن مورد نظر با سيگنال هاي اتم هيدروژن آب معمولي تداخل مي کند، مي توان از آب سنگين استفاده کرد، زيرا خواص مغناطيسي دوتريم و هيدروژن با هم تفاوت دارد و سيگنال دوتريم با سيگنال هاي هيدروژن تداخل نمي کند.
● کند کننده نوترون
آب سنگين در بعضي از انواع رآکتورهاي هسته اي نيز به عنوان کند کننده نوترون به کار مي رود. نوترون هاي کند مي توانند با اورانيوم واکنش بدهند. از آب سبک يا آب معمولي هم مي توان به عنوان کند کننده استفاده کرد، اما از آنجايي که آب سبک نوترون هاي حرارتي را هم جذب مي کنند، رآکتورهاي آب سبک بايد اورانيوم غني شده اورانيوم با خلوص زياد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگين مي تواند از اورانيوم معمولي يا غني نشده هم استفاده کند، به همين دليل توليد آب سنگين به بحث هاي مربوط به جلوگيري از توسعه سلاح هاي هسته اي مربوط است.
رآکتورهاي توليد آب سنگين را مي توان به گونه اي ساخت که بدون نياز به تجهيزات غني سازي، اورانيوم را به پلوتونيوم قابل استفاده در بمب اتمي تبديل کند. البته براي استفاده از اورانيوم معمولي در بمب اتمي مي توان از روش هاي ديگري هم استفاده کرد. کشورهاي هند، اسرائيل، پاکستان، کره شمالي، روسيه و آمريکا از رآکتورهاي توليد آب سنگين براي توليد بمب اتمي استفاده کردند.با توجه به امکان استفاده از آب سنگين در ساخت سلاح هسته اي، در بسياري از کشورها دولت توليد يا خريد و فروش مقدار زياد اين ماده را کنترل مي کند. اما در کشورهايي مثل آمريکا و کانادا مي توان مقدار غير صنعتي يعني در حد گرم و کيلوگرم را بدون هيچ گونه مجوز خاصي از توليد کنندگان يا عرضه کنندگان مواد شيميايي تهيه کرد.
هم اکنون قيمت هر کيلوگرم آب سنگين با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتني است بدون استفاده از اورانيوم غني شده و آب سنگين هم مي توان رآکتور توليد پلوتونيوم ساخت. کافي است که از کربن فوق العاده خالص به عنوان کند کننده استفاده شود از آنجايي که نازي ها از کربن ناخالص استفاده مي کردند، متوجه اين نکته نشدند در حقيقت از اولين رآکتور اتمي آزمايشي آمريکا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن که پلوتونيوم آزمايش ترينيتي و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانيوم غني شده يا آب سنگين استفاده نمي شد.
● آشکار سازي نوترينو
رصد خانه نوترينوي سادبري در انتاريوي کانادا از هزار تن آب سنگين استفاده مي کند. آشکار ساز نوترينو در اعماق زمين و در دل يک معدن قديمي کار گذاشته شده تا مئون هاي پرتو هاي کيهاني به آن نرسد. هدف اصلي اين رصدخانه يافتن پاسخ اين پرسش است که آيا نوترينوهاي الکترون که از همجوشي در خورشيد توليد مي شوند، در مسير رسيدن به زمين به ديگر انواع نوترينوها تبديل مي شوند يا خير. وجود آب سنگين در اين آزمايش ها ضروري است، زيرا دوتريم مورد نياز براي آشکارسازي انواع نوترينوها را فراهم مي کند.
● آزمون هاي سوخت و ساز در بدن
از مخلوط آب سنگين با ۱۸O H۲ آبي که اکسيژن آن ايزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O براي انجام آزمايش اندازه گيري سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حيوانات استفاده مي شود. اين آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده مي نامند.
● توليد تريتيم
هنگامي که دوتريم رآکتور آب سنگين يک نوترون به دست مي آورد به تريتيم ايزوتوپ ديگر هيدروژن تبديل مي شود. توليد تريتيم به اين روش به فناوري چندان پيچيده اي نياز ندارد و آسان تر از توليد تريتيم به روش تبديل نوتروني ليتيم ۶ است. تريتيم در ساخت نيروگاه هاي گرما هسته اي کاربرد دارد.

مقدمه آب ماده اي فراوان در کره زمين است. به شکل هاي مختلفي همچون دريا ، باران ، رودخانه و... ديده مي‌شود. آب در چرخه خود ، مرتباً از حالتي به حالت ديگ ...

رودخانه رسوباتي را که با خود حمل مي کند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي مي گذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيها ...

رودخانه رسوباتي را که با خود حمل ميکند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي ميگذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيها ر ...

رودخانه‌ رسوباتي را که با خود حمل مي‌کند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي مي‌گذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيه ...

آب، فراوان ترين مايع و به جرات مهم ترين مايعي است که روي زمين وجود دارد؛ اما اهميت آن به پديده هاي زيستي منحصر نمي شود. ويژگي هاي فيزيکي آب در مقايسه ...

عليرغم پيشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته اي در طول نيم قرن گذشته، هنوز اين تکنولوژي در اذهان عمومي ناشناخته مانده است. وقتي صحبت از انرژي اتمي به ميان ...

آشنايي با نيروگاه هاي هسته يي کشور کانادا صنعت هسته يي در کانادا از سال ۱۹۴۲ آغاز شد، وقتي که يک آزمايشگاه انگليسي- کانادايي در مونترال، کبک تشکيل شد ...

پژوهشگران شرکت هاي بيوتکنولوژي در دره سيليکون که منطقه اي در جنوب شرقي سانفرانسيسکو است, درصدند با استفاده از زباله هاي گياهي و تغيير ساختار ژنتيکي ...

دانلود نسخه PDF - آب سنگين