Schweres Wasser ist eine Form von Wasser, die einen höheren Anteil an Deuterium enthält, einem Wasserstoffisotop, dessen Kern ein zusätzliches Neutron enthält. Während gewöhnliches Wasser (H 2 O) zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthält, enthält schweres Wasser (D 2 O) zwei Deuteriumatome und ein Sauerstoffatom.
Schweres Wasser ist etwas dichter als normales Wasser und weist einige andere chemische und physikalische Eigenschaften auf.
Wofür wird schweres Wasser verwendet?
Schweres Wasser findet aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Industrie und Wissenschaft. Einige der häufigsten Anwendungen sind:
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Kernreaktor-Neutronenmoderator: In einigen Kernreaktoren wird schweres Wasser als Neutronenmoderator verwendet, um die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen zu verlangsamen und die Wahrscheinlichkeit weiterer Kernreaktionen zu erhöhen.
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Tritiumproduktion: Tritium ist ein radioaktives Wasserstoffisotop, das bei der Herstellung von Atomwaffen sowie in einigen Beleuchtungs- und medizinischen Geräten verwendet wird. Diese Art von Wasser wird bei der Herstellung von Tritium durch einen Prozess namens Radiolyse verwendet, bei dem Tritium durch Strahlungseinwirkung von schwerem Wasser entsteht.
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Wissenschaftliche Forschung: In einigen wissenschaftlichen Experimenten wird es als Tracer verwendet, um die Dynamik von Wasser in verschiedenen biologischen und chemischen Systemen zu untersuchen.
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Polymerproduktion: In diesem Fall wird es als Reagenz bei der Herstellung einiger Polymere wie Nylon, Polyester und Polyurethan verwendet.
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Chemische Analyse: zum Beispiel zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung bestimmter Verbindungen.
Wie bekommt man schweres Wasser?
Schweres Wasser (D 2 O) kann durch verschiedene Verfahren gewonnen werden, die gebräuchlichsten Methoden sind jedoch die fraktionierte Destillation von Wasser und die Hydrolyse von Ammoniakwasser.
Die Herstellung von schwerem Wasser erfordert einen sehr sorgfältigen Reinigungsprozess, da selbst kleine Verunreinigungen seine physikalischen und chemischen Eigenschaften erheblich beeinflussen können.
Fraktionierte Destillation
Bei der fraktionierten Destillation wird Wasser erhitzt, bis es verdampft, und anschließend wird der Dampf kondensiert, um das destillierte Wasser aufzufangen. Da Wasserstoffisotope unterschiedliche Siedepunkte haben, ist der gesammelte Wasserdampf mit Deuterium angereichert.
Dieser Dampf wird dann durch Isotopenaustauschsäulen geleitet, in denen schweres Wasser von normalem Wasser getrennt wird.
Hydrolyse von Ammoniakwasser
Eine andere Methode zur Gewinnung von schwerem Wasser ist die Hydrolyse von Ammoniakwasser, bei der das Deuterium im Ammoniak durch Wasserstoff im Wasser ausgetauscht wird, um schweres Wasser zu erzeugen.
Es ist auch möglich, schweres Wasser mithilfe von Kernreaktoren herzustellen, allerdings ist diese Methode teurer und wird hauptsächlich für die Produktion im großen Maßstab eingesetzt.
Welche Rolle spielt schweres Wasser in einem Kernreaktor?
Schweres Wasser spielt in einigen Kernreaktoren eine entscheidende Rolle als Neutronenmoderator. In CANDU-Kernreaktoren (Canada Deuterium Uranium) beispielsweise wird schweres Wasser als Moderator verwendet, um die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen zu verlangsamen.
Schnelle Neutronen, die bei der Kernspaltung erzeugt werden, lösen mit geringerer Wahrscheinlichkeit zusätzliche Kernreaktionen aus als langsame Neutronen. Durch die Abbremsung dieser Neutronen mit schwerem Wasser erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit Urankernen kollidieren und es zu weiteren Kernreaktionen kommt.
CANDU-Reaktoren fungieren nicht nur als Neutronenmoderator, sondern verwenden auch schweres Wasser als Kühlmittel. In diesen Reaktoren wird es verwendet, um die bei der Kernspaltung erzeugte Wärme vom Reaktorkern zu einem Wärmetauscher zu übertragen, wo daraus Dampf erzeugt wird, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt.
Vor- und Nachteile von schwerem Wasser in Kernreaktoren
Der Einsatz von schwerem Wasser in Kernreaktoren hat sowohl Vor- als auch Nachteile, die im Folgenden beschrieben werden:
Vorteile
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Höhere Effizienz: Schweres Wasser hat einen größeren Neutronenabsorptionsquerschnitt als gewöhnliches Wasser, was bedeutet, dass es die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen besser verlangsamen kann. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Neutronen weitere Kernreaktionen auslösen, und erhöht somit die Effizienz des Reaktors.
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Größere Flexibilität bei der Brennstoffauswahl: Zusätzlich zu natürlichem Uran können diese Reaktoren abgereichertes Uran, Thorium und andere Brennstoffe verwenden und sich so an unterschiedliche Brennstoffversorgungsbedingungen anpassen.
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Weniger Atommüllproduktion: Reaktoren, die schweres Wasser als Moderator verwenden, weisen eine geringere Produktionsrate von Atommüll auf als Reaktoren, die normales Wasser verwenden. Dies liegt daran, dass die erhöhte Effizienz der Neutronenmoderation in schwerem Wasser eine bessere Nutzung von Kernbrennstoff ermöglicht und somit die Menge an ungenutztem Kernmaterial, das zu Abfall wird, verringert.
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Höhere Sicherheit: Schweres Wasser ist weniger brennbar als gewöhnliches Wasser, was die Sicherheit im Falle eines Reaktorunfalls erhöhen kann.
Nachteile
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Höhere Kosten: Schweres Wasser ist aufgrund des komplizierteren Herstellungsprozesses und des für die Verwendung in Kernreaktoren erforderlichen hohen Reinheitsgrads teurer als gewöhnliches Wasser.
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Erhöhtes Risiko der nuklearen Proliferation: Diese Art von Wasser kann zur Herstellung von Plutonium für Atomwaffen verwendet werden, was das Risiko der nuklearen Proliferation erhöht.
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Erhöhtes Unfallrisiko: Reaktoren, die schweres Wasser verwenden, können aufgrund der größeren Menge an radioaktivem Material im System anfälliger für nukleare Unfälle sein.