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重水,(heavy water)、(氧化氘),是由氘和氧組成的化合物。分子式D2O,分子量20.0275,比普通水(H2O)的分子量18.0153高出約11%,因此叫做重水。在天然水中,重水的含量約佔0.015%。由於氘與氫的性質差別極小,因此重水和普通水也很相似。重水的離子積常數為1.6*10-15.

重水
重水特性一覽表

重水(heavy water)是由氘和氧組成的化合物。分子式D2O,分子量20.0275,比普通水(H2O)的分子量18.0153高出約11%,因此叫做重水。在天然水中,重水的含量約佔0.015%。由於氘與氫的性質差別極小,因此重水和普通水也很相似。

1 重水 -簡介

重水重水
重水(或稱氘化水,化學式D2O或者2H2O)是水的一種,它的質量比一般水要重。普通的水(H2O)是由兩個只有質子的氫原子和一個氧16原子所組成,但在重水分子內的兩個氫同位素,比一般氫原子有各多一個中子,因此造成重水分子的質量比一般水要重。在自然界中,重水的含量很少。

由於普通水和重水都是由相同數量的氫和氧原子組成,兩者的化學反應皆會接近相同。但在物理上,重水的溶點和沸點比普通水稍高,在一個大氣壓力下,重水的溶點是攝氏3.82度,沸點是攝氏101.4度。

密度方面,在攝氏20度和一個大氣壓力的環境下,重水的密度是1.105g/cm3。由於重水比普通水不容易被電解為氫和氧,以及與普通水相比,其含量稀少的關係,人們便以電解的方式來提煉純度更高的重水。因此,重水的價格也比較昂貴。

有另一種重水稱為半重水,HDO,它只有一個氫原子是多一個中子的重氫。一般的半重水都並不純正,通常是50%HDO,25%的H2O及25%的D2O。

2 重水 -發現過程

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    1931年美國H.C.尤里和F.G.布里克維德在液氫中發現氘,
  • 1933年美國G.N.路易斯和R.T.麥克唐南利用減容電解法得到0.5微升重水,純度為65.7%,再經電解,得0.1克接近純的重水。
  • 1934 年,挪威利用廉價的水力發電,建立了世界上第一座重水生產工廠。   

3 重水 -生產方法

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重水的生產方法有:

  1. 電解法。電解水時,EBAE的電解分離係數可達10左右,可使重水很快濃集。但耗電能太大,已不單獨使用。
  2. 精餾法。分水、氨、氫等精餾法,以富集其中的喉,操作雖簡單,但分離係數小。
  3. 化學交換法。利用化學反應使喉和氫交換而得到富集,是最經濟的方法。

4 重水 -作用

重水重水
重水主要用作核反應堆的慢化劑和冷卻劑,用量可達上百噸。重水分解產生的喉是熱核燃料。重水還可做示蹤物質。重水在外觀上和普通水相似,只是密度略大,為1.lg/cm3,冰點略高,為3.82℃,沸點為101.42℃。參與化學反應的速率比普通水緩慢。

重水主要用於核反應堆中作減速劑,它可以減小中子的速率,使之符合發生裂變過程的需要。重水也是研究化學和生理變化中使用過的材料。濃而純的重水不能維持動植物的生命,其致死濃度為60%。

國際在線報道:美國表示,伊朗境內的一家重水生產工廠的修建工作已接近完成,屆時將能為附近的核反應堆提供其所需的重水。重水究竟是一種什麼寶貝,值得人們處心積慮地製造它、破壞它,如此密切地關注它呢?

重水與普通水看起來十分相像,它們的化學性質也一樣,不過某些物理性質卻不相同。普通水的密度為1克/立方厘米,而重水的密度為1.056克/立方厘米。人和動物若是喝了重水,會引起死亡。重水的特殊價值體現在原子能技術應用中,要製造威力巨大的核武器,就需要重水作為原子核裂變反應中的減速劑。

1942年2月的一天,當納粹德國滿載重水的輪渡船正準備橫渡挪威廷斯佐湖時,一聲低沉的爆炸聲自甲板下傳出來。5分鐘后,這艘船便沉入了湖底,船上裝載的重水也溶入了湖水中。同盟國的特工炸沉了這艘運送重水的渡船,使戰爭狂人希特勒夢想製造第一枚原子彈的計劃徹底破滅。

重水的一個分子是由兩個重氫原子和一個氧原子組成,其分子式為D2O,相對分子質量是20,重水在自然界中分佈較少,在普通水中約含重水0.015%.由於含量少,製備難,它比黃金還重.

重水外觀上和普通水相似,是無色、無嗅無味的液體.密度比普通水大,熔點、沸點比普通水高.由於重水分子量大,運動速度慢,所以在高山上的冰雪中,特別是在南極的冰雪中重水含量微乎其微,水的密度最小,是地球上最輕的水.

重水在尖端科技中有十分重要的用途.原子能發電站的心臟是原子反應堆,為了控制原子反應堆中核裂變反應的正常進行,需要用重水做中子的減速劑.電解重水可以得到重氫,重氫是制氫彈的原料,中國已於1967年6月17日成功地爆炸了第一顆氫彈,大長了中國人民的志氣.更重要的是重氫進行核聚變反應時,可放出巨大的能量,而且不會污染環境.有人計算推測,如果將海水中的重氫都用於熱核反應發電,其總能量相當於全部海洋都變成了石油.

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重水雖然在尖端技術上是寶貴的資源,但對人卻是有害的.人是不能飲用重水的,微生物、魚類在純重水或含重水較多的水中,只要數小時就會死亡.相反,含重水特別少的輕水,如雪水,卻能刺激生物生長

重水和普通水一樣,也是由氫和氧化合而成的液體化合物,不過,重水分子和普通水分子的氫原子有所不同。我們知道,氫有3種同位素。一種是氕,它只含有一個質子。它和一個氧原子化合可以生成普通的水分子。另一種是重氫——氘。它含有一個質子和一個中子。它和一個氧原子化合后可以生成重水分子。還有一種是超重氫——氚。它含有兩個中子和一個質子。

重水可以通過多種方法生產。最初的方法是用電解法,因為重水無法電解,這樣可以從普通水中把它分離出來。還有一種簡單方法是利用重水沸點高於普通水通過反覆蒸餾得到。後來又發展了一些其他較佳的方法。

然而只有兩種方法已證明具有商業意義:水——硫化氫交換法(GS法)和氨——氫交換法。

GS法是基於在一系列塔內(通過頂部冷和底部熱的方式操作)水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中,水向塔底流動,而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環。使用一系列多孔塔板促進硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移,而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出,並且在下一級塔中重複這一過程。最後一級的產品(氘濃縮至高達30%的水)送入一個蒸鎦單元以製備反應堆級的重水(即99.75%的氧化氘)。

氨——氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態氨的接觸從合成氣中提取氘。合成氣被送進交換塔,而後送至氨轉換器。在交換塔內氣體從塔底向塔頂流動,而液氨從塔頂向塔底流動。氘從合成氣的氫中洗滌下來並在液氨中濃集。液氨然後流入塔底部的氨裂化器,而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以後的各級中得到進一步濃縮,最後通過蒸餾生產出反應堆級重水。合成氣進料可由氨廠提供,而這個氨廠也可以結合氨——氫交換法重水廠一起建造。氨——氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。

利用GS法或氨——氫交換法生產重水的工廠所用的許多關鍵設備項目是與化學工業和石油工業的若干生產工序所用設備相同的。對於利用GS法的小廠來說尤其如此。然而,這種設備項目很少有「現貨」供應。GS法和氨——氫交換法要求在高壓下處理大量易燃、有腐蝕性和有毒的流體。因此,在制定使用這些方法的工廠和設備所用的設計和運行標準時,要求認真注意材料的選擇和材料的規格,以保證在長期服務中有高度的安全性和可靠性。規模的選擇主要取決於經濟性和需要。因而,大多數設備項目將按照用戶的要求製造。

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最後,應該指出,對GS法和氨——氫交換法而言,那些單獨地看並非專門設計或製造用於重水生產的設備項目可以組裝成專門設計或製造用於生產重水的系統。氨——氫交換法所用的催化劑生產系統和在上述兩方法中將重水最終加濃至反應堆級所用的水蒸餾系統就是此類系統的實例。

專門設計或製造用於利用GS法或氨——氫交換法生產重水的設備項目包括如下:

1.水——硫化氫交換塔

專門設計或製造用於利用GS法生產重水的、用優質碳鋼(例如ASTMA516)製造的交換塔。該塔直徑6米(20英尺)至9米(30英尺),能夠在大於或等於2兆帕(300磅/平方英寸)壓力下和6毫米或更大的腐蝕允量下運行。

2.鼓風機和壓縮機

專門為利用GS法生產重水而設計或製造的用於循環硫化氫氣體(即含H2S70%以上的氣體)的單級、低壓頭(即0.2兆帕或30磅/平方英寸)離心式鼓風機或壓縮機。這些鼓風機或壓縮機的氣體通過能力大於或等於56米3/秒(120000標準立方英尺/分),能在大於或等於1.8兆帕(260磅/平方英寸)的吸入壓力下運行,並有對濕H2S介質的密封設計。

3.氨——氫交換塔

專門設計或製造用於利用氨——氫交換法生產重水的氨——氫交換塔。該塔高度大於或等於35米(114.3英尺),直徑1.5米(4.9英尺)至2.5米(8.2英尺),能夠在大於15兆帕(2225磅/平方英寸)壓力下運行。這些塔至少都有一個用法蘭聯結的軸向孔,其直徑與交換塔筒體部分直徑相等,通過此孔可裝入或拆除塔內構件。

4.塔內構件和多級泵

專門為利用氨——氫交換法生產重水而設計或製造的塔內構件和多級泵。塔內構件包括專門設計的促進氣/液充分接觸的多級接觸裝置。多級泵包括專門設計的用來將一個接觸級內的液氨向其他級塔循環的水下泵。

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5.氨裂化器

專門設計或製造的用於利用氨——氫交換法生產重水的氨裂化器。該裝置能在大於或等於3兆帕(450磅/平方英寸)的壓力下運行。

6.紅外吸收分析器

能在氘濃度等於或高於90%的情況下「在線」分析氫/氘比的紅外吸收分析器。

7.催化燃燒器

專門設計或製造的用於利用氨——氫交換法生產重水時將濃縮氘氣轉化成重水的催化燃燒器。

5 重水 -健康問題

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一般相信重水並不屬於有毒物質,但是人體內的某些代謝需要輕水,所以如果只喝重水會生病。情形就好像空氣中最主要的成分氮氣是無毒的,但吸入純氮會因為缺氧致死。以老鼠做的實驗發現重水能抑制細胞的有絲分裂,引起需要迅速代謝的身體組織變壞。實驗中的老鼠連續數天只喝重水后,體內約一半的體液變成重水;這時癥狀開始出現,需要快速細胞分裂的組織,如髮根及胃膜最先出現毛病。本來快速增長的癌細胞生長速度亦出現減慢,不過減慢的程度並不足以令重水作為可行的治療方法。

6 重水 -提煉方法

地球上的水若有3,200分之一是半重水(HDO)。半重水可以透過電解及蒸餾,或以化學方法從普通水中提煉出來。可以使用化學方法,是因為重氫及普通氫原子由於質量稍為不同,所以化學反應的速度有異。當水中的半重水到了相當的濃度,重水便會因為水份子之間交換氫原子而慢慢出現。要從半重水再提煉純正的重水亦可使用電解、蒸餾及化學方法。但是電解及蒸餾所需要的能量會非常巨大,因此一般這一步只會使用化學方法。

7 重水 -用途

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使用核磁共振分析時倘若溶劑是水,而研究的對象是氫,可以使用重水作溶劑。

中子減速劑:某些核子反應堆使用重水來減慢中子的速度,讓它們有機會與鈾反應。輕水亦可以作減速劑,但因為輕水會吸收中子,因此輕水式反應堆必須使用濃縮鈾,而不能使用普通鈾,否則將不能達到臨界質量。重水反應堆不單可以使用普通鈾,而且會把鈾238轉化成為可製作核彈的鈈。印度、巴基斯坦、以色列、北朝鮮都是以這樣方法製造核燃料。為了防止核子武器擴散,重水的生產和出售在很多國家都受到限制。

8 重水 -參考資料

1.《中華人民共和國核出口管制條例》

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