Wenn wir über Kernenergie sprechen, fällt häufig der Begriff „ schweres Wasser“ . Obwohl sein Name exotisch klingt, handelt es sich lediglich um eine Variante des gewöhnlichen Wassers mit einem grundlegenden Unterschied in der atomaren Zusammensetzung, der es für bestimmte wissenschaftliche und industrielle Anwendungen unverzichtbar macht.
Was ist schweres Wasser?
Schweres Wasser, im Englischen als Heavy Water bekannt und dessen chemische Formel D₂O lautet, ähnelt dem Wasser, das wir täglich verwenden (H₂O), weist jedoch einen Unterschied auf: Anstelle von „leichten“ Wasserstoffatomen (Protonen) enthält es Deuterium , ein Wasserstoffisotop, das in seinem Kern ein zusätzliches Neutron hat.
Diese kleine, aber bedeutende Änderung führt dazu, dass schweres Wasser etwa 10 % dichter ist als normales Wasser und leicht andere physikalische Eigenschaften aufweist. Obwohl es optisch nicht zu unterscheiden ist, macht sein Verhalten bei bestimmten Kernreaktionen es zu einem unverzichtbaren Werkzeug im Bereich der Kernenergie.
Verwendung von schwerem Wasser
Dank seiner einzigartigen Eigenschaften findet Schweres Wasser vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in den Bereichen Kernenergie und wissenschaftliche Forschung.
1. Neutronenmoderator in Kernreaktoren
Seine bekannteste Verwendung ist die als Neutronenmoderator in einigen Arten von Kernreaktoren, insbesondere in Reaktoren vom Typ CANDU (Canada Deuterium Uranium). Bei einer Kernspaltung haben die freigesetzten Neutronen viel Energie (sie sind „schnell“) und um weitere Kernspaltungen effizienter zu verursachen, müssen sie abgebremst werden.
Schweres Wasser bremst diese Neutronen ab, ohne sie nennenswert zu absorbieren – was bei gewöhnlichem Wasser in größerem Maße der Fall ist. Dadurch können CANDU-Reaktoren mit natürlichem Uran betrieben werden, ohne dass eine Anreicherung erforderlich ist, was einen strategischen und wirtschaftlichen Vorteil darstellt.
Neben seiner Rolle als Moderator kann schweres Wasser auch als Kühlmittel fungieren, indem es die im Reaktor erzeugte Wärme abführt und ihre Umwandlung in Elektrizität mithilfe von Dampfturbinen ermöglicht.
2. Tritiumproduktion
In einigen Reaktoren kann schweres Wasser als Grundlage für die Produktion von Tritium (³H) dienen, einem radioaktiven Wasserstoffisotop, das in der Waffenindustrie, in der wissenschaftlichen Forschung und in bestimmten Beleuchtungsgeräten Anwendung findet. Dieser Prozess ist nicht trivial und beinhaltet spezifische Kernreaktionen innerhalb des Reaktors, nicht nur die Bestrahlung des Wassers.
3. Wissenschaftliche Forschung und Medizin
In der Wissenschaft wird schweres Wasser als Isotopentracer in biologischen und chemischen Studien verwendet. Indem Wissenschaftler den Weg des Deuteriums in zellulären Prozessen oder chemischen Reaktionen verfolgen, können sie wertvolle Informationen gewinnen, ohne das von ihnen untersuchte System wesentlich zu verändern.
Es wird auch als Lösungsmittel in Techniken wie der Kernspinresonanz (NMR) verwendet, wo seine Anwesenheit Störungen bei der Erkennung von normalem Wasserstoff verhindert.
Wie entsteht schweres Wasser?
Deuterium kommt zwar in der Natur vor, ist aber sehr selten: Es macht nur etwa 0,015 % des im Wasser enthaltenen Wasserstoffs aus. Daher erfordert die Gewinnung von schwerem Wasser hochspezialisierte Isotopentrennverfahren. Die wichtigsten Methoden sind:
Fraktionierte Destillation
Nutzen Sie den Unterschied im Siedepunkt zwischen H₂O und D₂O. Durch mehrere Destillationszyklen ist es möglich, das Deuterium schrittweise anzureichern.
Isotopenchemischer Austausch
Bei dieser Methode werden chemische Reaktionen bevorzugt, die Deuterium zwischen verschiedenen Verbindungen austauschen. Das Girdler-Sulfid-Verfahren, bei dem Schwefelwasserstoff verwendet wird, wird in der Industrie häufig eingesetzt.
Elektrolyse
Wenn elektrischer Strom auf Wasser angewendet wird, wird leichter Wasserstoff leichter freigesetzt als Deuterium. Nach mehreren Schritten erhält man eine mit D₂O angereicherte Lösung.
Vor- und Nachteile von Kernreaktoren
Vorteile:
- Verwendung von natürlichem Uran : Es ist keine Brennstoffanreicherung erforderlich, was den Urankreislauf vereinfacht.
- Hohe Moderationseffizienz : Ermöglicht eine höhere Spaltungsrate bei geringerer Neutronenabsorption.
- Brennstoffflexibilität : Es kann nicht nur Uran, sondern auch Thorium oder andere Varianten verwendet werden.
- Weniger Abfallproduktion : Eine verbesserte Effizienz kann zu weniger radioaktivem Abfall pro erzeugter Energieeinheit führen.
Nachteile:
- Hohe Kosten : Aufgrund der Komplexität des Prozesses und der Reinheitsanforderungen ist die Herstellung und Wartung von schwerem Wasser teuer.
- Proliferationsrisiko : Kann die Plutoniumproduktion erleichtern, wenn sie nicht ordnungsgemäß kontrolliert wird.
- Vorsichtiger Umgang : Obwohl es selbst nicht radioaktiv ist, kann es durch Kontakt mit Strahlung im Reaktor aktiviert werden und erfordert daher einen vorsichtigen Umgang.