核反应堆里的重水是什么重水反应堆 _小知识

文章插图

世界上总是会有一些奇奇怪怪的问题，就比如重水能不能喝，是什么味道的？
什么是重水？简单来说就是分子中的氢被替换为氘的水。氢原子在自然界有三兄弟，分别是氢－1、氢－2、氢－3，为了方便一般叫它们氕氘氚。
这三兄弟的差别主要在于原子核的中子数量，氕就是我们一般语境中默认的氢，由一个质子和一个电子组成，而氘要比氕多一个中子，氚则多两个。

文章插图

自然界中绝大多数氢都是以氕的形式存在，相对丰度达到99.9844%，而氘的丰度相对较低，约0.0156%，至于氚，由于丰度低于0.001%，一般记为痕量。
最近日本福岛的核废水事件中，氚的含量就是重点讨论的问题。
氚具有放射性，发生β衰变，半衰期为12.43年，衰变产物氦-3太轻会逃逸到宇宙中。氚在自然界中含量极少，一般认为是宇宙辐射与上层大气中的氢相互作用产生，总量大概只有7.3千克，而自核技术诞生以来，人类制造出的氚已经超过了自然存量的5倍。

文章插图
日本福岛百万吨的核废水

氕氘氚三兄弟虽然在原子组成上有所不同，但是它们的化学性质差距却微乎其微，三者与氧反应都能生成水，称为H2O、D2O（Deuterium oxide）和T2O（Tritium oxide），D2O和T2O俗称重水和超重水。
也正因为三者的很多性质都一样，氚也是核废水中最难分离去除的物质。含有氚的超重水有什么危害自然不必过多解释，放射性三个字已经概括了很多。
不过，没有放射性的重水要比超重水有意思得多。

文章插图
由于重水密度比水大10%，重水冰块能在水中沉底

重水几乎是伴随着氘的发现而被人所知的，1931年美国科学家哈罗德·克莱顿·尤里（Harold Clayton Urey）发现了氢的同位素氘，之后他也因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。
1933年，尤里的导师吉尔伯特·牛顿·路易斯（Gilbert Newton Lewis）通过电解水的方式制得了0.5毫升重水，纯度为65.7% 。

文章插图
哈罗德·克莱顿·尤里

早年间制取重水的方法就是简单粗暴的电解水，从现象上来看，电解水时阴极产生的氢气中所含轻同位素的比例更高一些，留在电解池内的水中氘的含量就变高了。
电解法制重水的原理涉及动力学同位素效应，同位素之间虽然化学性质极为相近，但在反应速率上有差异，平衡常数也不同。
反应速率的变化与核量子效应有关，简单来说是由于较重的同质异形体拥有更低的震动频率，在大多数情况下需要更多的能量才能使化学键断裂。

文章插图

不过，天然水中的氘并不一定都以D2O的形式存在，更大概率是以HDO（半重水）的形式存在。在电解法制重水的过程中，当HDO分子达到一定比例后，水分子间还会发生交换氢离子的现象，D2O的比例变得更高。
当电解制取重水的方法出现后，很快就被应用到实际中。就在路易斯制得高纯度重水的次年，1934年，挪威建起了Venmork水力发电厂，利用丰富的水力资源来电解水制氢，用于生产硝酸盐化肥。

文章插图
挪威Venmork水力发电厂

商机就藏在其中，生产化肥需要的是电解水产生的氢气，而留在电解池里的不就是重水吗？虽然实际的情况没有那么简单粗暴，但方向是正确的。
果不其然，制氢厂对电解的残留物进行分析，发现当中氘与氢（氕）的比例为1:48，远远高于天然的1：6400，虽然大多数是以HDO半重水的形式存在，但也极具价值。
于是挪威水电公司接受了制氢厂负责人提出的建议，从电解液的副产物中制取重水，虽然过程需要大量联级电解室和消耗大量电力，但这并不妨碍挪威水电公司成为最早向科学界供应重水的厂商。

文章插图
挪威产安瓿装重水

核反应堆里的重水是什么 重水反应堆

核反应堆里的重水是什么重水反应堆