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

آب سنگين

آب سنگين چيست؟

«با تاييدات خداوند متعال و الطاف الهي و در سال پيامبر اعظمص بهره برداري از اولين مجتمع توليد آب سنگين سازمان انرژي اتمي ايران در تاريخ چهارم شهريورماه ۱۳۸۵ با حضور آقاي دكتر محمود احمدي نژاد، رياست محترم و محبوب جمهوري اسلامي ايران آغاز گرديد.»
دكتر محمود احمدي نژاد روز شنبه چهارم شهريور با پرده برداري از لوح يادبود مجتمع آب سنگين اراك، يكي از بزرگترين پروژه هاي هسته اي كشور را كه ساخت آن از سال ۷۷ آغاز شده بود افتتاح كرد. پروژه توليد آب سنگين در شمال غربي اراك و در نزديكي تاسيسات نيروگاه ۴۰ مگاواتي آب سنگين اراك قرار دارد و براي تامين آب سنگين اين رآكتور ساخته شده است. به گفته غلامرضا آقازاده رئيس سازمان انرژي اتمي ايران ظرفيت توليد اين مجتمع ابتدا هشت تن بود و امروز ظرفيت آن به ۱۶ تن آب سنگين با غناي ۸۹۹ درصد رسيده است. سعيدي معاون امور بين الملل سازمان انرژي اتمي در توصيف اهميت اين پروژه گفت: اين پروژه نقش بسزايي در ارتقاي علمي كشور و صنايع داخلي دارد و نشانگر رشد و بلوغ و ارتقاي دانش فني نيروهاي متخصص ايراني است.
پروژه مجتمع توليد آب سنگين اراك به عنوان يكي از شاخصه هاي دانش هسته اي، در پزشكي و به خصوص كنترل سرطان و كنترل بيماري ايدز نقش تعيين كننده اي دارد و به عنوان خنك كننده و كندكننده رآكتورهاي آب سنگين به كار مي رود .با گشايش اين واحد صنعتي، ايران به عنوان نهمين كشور داراي تجهيزات توليد آب سنگين مطرح مي شود. كشورهاي آرژانتين، كانادا، هند و نروژ نيز بزرگترين صادركنندگان آب سنگين جهان هستند.با توجه به اهميت راه اندازي اين واحد در صنايع هسته اي، در ادامه با آب سنگين و كاربردهاي آن در شاخه هاي گوناگون آشنا مي شويم.آب خالص ماده اي است بي رنگ، بي بو و بدون طعم.
فرمول شيميايي آب H۲O است، يعني هر مولكول آب از اتصال دو اتم هيدروژن به يك اتم اكسيژن ساخته شده است. نكته اي كه بايد در نظر داشت آن است كه عنصر هيدروژن همانند بسياري ديگر از عنصرهاي طبيعت ايزوتوپ هايي دارد كه عبارتند از H ۲ كه با D دوتريم و H ۳كه با T تريتيم نمايش مي دهند. براي آشنا شدن با تفاوت اين ايزوتوپ ها بهتر است يك بار ديگر ساختار اتم را به يادآوريم.
●ساختار اتم
اتم كوچكترين بخش سازنده يك عنصر شيميايي است كه هنوز هم خواص شيميايي 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 مي گردد. الكترون بار منفي و جرم بسيار كمي دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود ۱۸۷۰ بار سنگين تر از الكترون است، بنابر اين بخش عمده جرم يك اتم درون هسته آن قرار دارد. ايزوتوپ: ايزوتوپ به صورت هاي گوناگون يك عنصر گفته مي شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ايزوتوپ هاي مختلف يك عنصر از آنجا ناشي مي شود كه تعداد نوترون هاي موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد.
البته تعداد پروتون هاي تمام اتم هاي يك عنصر از جمله ايزوتوپ ها با هم برابر است. براي مثال عنصر هيدروژن داراي سه ايزوتوپ است: H هيدروژن كه در هسته خود فقط يك پروتون دارد، بدون نوترون. H ۲يا D دوتريم كه در هسته خود يك پروتون و يك نوترون دارد و H ۳ يا H تريتيم كه يك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجايي كه خواص شيميايي يك عنصر به تعداد پروتون هاي هسته مربوط است، ايزوتوپ هاي مختلف در خواص شيميايي با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فيزيكي آنها با هم متفاوت است. عمده هيدروژن هاي طبيعت H يا هيدروژن معمولي است و فقط ۰۱۵۰ درصد آن را دوتريم تشكيل مي دهد، يعني از هر ۶۴۰۰ اتم هيدروژن، يكي دوتريم است. حال در نظر بگيريد كه به جاي يك اتم هيدروژن معمولي در مولكول آب H۲O اتم D بنشيند. آن وقت مولكول HDO به وجود مي آيد كه به آن آب نيمه سنگين مي گويند. اگر جاي هر دو اتم هيدروژن، دوتريم بنشيند، D۲O به وجود مي آيد كه به آن آب سنگين مي گويند. خواص فيزيكي آب سنگين تا حدودي با آب سبك يا آب معمولي تفاوت دارد.با توجه به جانشيني D به جاي H در آب سنگين، انرژي پيوندي پيوند هاي اكسيژن هيدروژن در آب تغيير مي كند و در نتيجه خواص فيزيكي 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 كرد. هارولد يوري يكي از شيميدانان دانشگاه كلمبيا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را كشف كند. گيلبرت نيوتن لوئيس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولين نمونه از آب سنگين خالص را با استفاده از روش الكتروليز تهيه كند. هوسي و هافر نيز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگين استفاده كردند 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 مولكول آب يكي آب نيمه سنگين HDO است. آب نيمه سنگين را مي توان با استفاده از روش هايي مانند تقطير يا الكتروليز يا ديگر فرآيندهاي شيميايي از آب معمولي تهيه كرد. هنگامي كه مقدار HDO در آب زياد شد، ميزان آب سنگين نيز بيشتر مي شود زيرا مولكول هاي آب هيدروژن هاي خود را با يكديگر عوض مي كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO يك مولكول H۲O آب معمولي و يك مولكول D۲O آب سنگين به وجود آيد. براي توليد آب سنگين خالص با استفاده از روش هاي تقطير يا الكتروليز به دستگاه هاي پيچيده تقطير و الكتروليز و همچنين مقدار زيادي انرژي نياز است، به همين دليل بيشتر از روش هاي شيميايي براي تهيه آب سنگين استفاده مي كنند.
●كاربرد هاي آب سنگين
آب سنگين در پژوهش هاي علمي در حوزه هاي مختلف از جمله زيست شناسي، پزشكي، فيزيك و... كاربردهاي فراواني دارد كه در زير به چند مورد آن اشاره مي كنيم.
طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته: در طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته NMR هنگامي كه هسته مورد نظر ما هيدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگين استفاده مي كنند. در اين حالت چون سيگنال هاي اتم هيدروژن مورد نظر با سيگنال هاي اتم هيدروژن آب معمولي تداخل مي كند، مي توان از آب سنگين استفاده كرد، زيرا خواص مغناطيسي دوتريم و هيدروژن با هم تفاوت دارد و سيگنال دوتريم با سيگنال هاي هيدروژن تداخل نمي كند.
●كند كننده نوترون
آب سنگين در بعضي از انواع رآكتورهاي هسته اي نيز به عنوان كند كننده نوترون به كار مي رود. نوترون هاي كند مي توانند با اورانيوم واكنش بدهند.از آب سبك يا آب معمولي هم مي توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجايي كه آب سبك نوترون هاي حرارتي را هم جذب مي كنند، رآكتورهاي آب سبك بايد اورانيوم غني شده اورانيوم با خلوص زياد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگين مي تواند از اورانيوم معمولي يا غني نشده هم استفاده كند، به همين دليل توليد آب سنگين به بحث هاي مربوط به جلوگيري از توسعه سلاح هاي هسته اي مربوط است. رآكتورهاي توليد آب سنگين را مي توان به گونه اي ساخت كه بدون نياز به تجهيزات غني سازي، اورانيوم را به پلوتونيوم قابل استفاده در بمب اتمي تبديل كند. البته براي استفاده از اورانيوم معمولي در بمب اتمي مي توان از روش هاي ديگري هم استفاده كرد. كشورهاي هند، اسرائيل، پاكستان، كره شمالي، روسيه و آمريكا از رآكتورهاي توليد آب سنگين براي توليد بمب اتمي استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگين در ساخت سلاح هسته اي، در بسياري از كشورها دولت توليد يا خريد و فروش مقدار زياد اين ماده را كنترل مي كند.
اما در كشورهايي مثل آمريكا و كانادا مي توان مقدار غير صنعتي يعني در حد گرم و كيلوگرم را بدون هيچ گونه مجوز خاصي از توليد كنندگان يا عرضه كنندگان مواد شيميايي تهيه كرد. هم اكنون قيمت هر كيلوگرم 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 رآكتور توليد پلوتونيوم ساخت. كافي است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجايي كه نازي ها از كربن ناخالص استفاده مي كردند، متوجه اين نكته نشدند در حقيقت از اولين رآكتور اتمي آزمايشي آمريكا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن كه پلوتونيوم آزمايش ترينيتي و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانيوم غني شده يا آب سنگين استفاده نمي شد.
●آشكار سازي نوترينو
رصد خانه نوترينوي سادبري در انتاريوي كانادا از هزار تن آب سنگين استفاده مي كند. آشكار ساز نوترينو در اعماق زمين و در دل يك معدن قديمي كار گذاشته شده تا مئون هاي پرتو هاي كيهاني به آن نرسد. هدف اصلي اين رصدخانه يافتن پاسخ اين پرسش است كه آيا نوترينوهاي الكترون كه 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 آشكارسازي انواع نوترينوها را فراهم مي كند.
●آزمون هاي سوخت و ساز در بدن
از مخلوط آب سنگين با ۱۸O H۲ آبي كه اكسيژن 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 كه دوتريم رآكتور آب سنگين يك 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 كاربرد 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