Свойства тяжелой воды
Новое вещество сразу приковало к себе повышенное внимание научного сообщества. Так как довольно быстро стало очевидно, что тяжёлая вода обладает свойствами, отличными от воды простой. Так, она непригодна для существования в ней микробов, червей и рыб. Такой водой невозможно утолить жажду сухопутных животных, так что они просто погибают, а также нельзя стимулировать жизненную активность аэробных растений. При этом как среда обитания тяжёлая вода прекрасно подходит для бактерий и водорослей. По мере изучения вещества оказалось, что оно отнюдь не является сугубо лабораторным компонентом. Выяснилось, что тяжёлая вода имеется и в природе, в составе обычной воды. Правда, дейтериевая вода содержится в натуральной среде в очень малой концентрации.
Один атом дейтерия в воде приходится на почти шесть с половиной тысяч атомов «стандартного» водорода (с изотопом протия). И даже при такой небольшой концентрации большинство атомом дейтерия входят в состав полутяжёлой воды, то есть составляют в молекуле воды пару с протиевым атомом водорода. Настоящей тяжёлой воды в природе приходится примерно 150 грамм на одну тонну пресной воды и 165 грамм на одну тонну морской воды. Впрочем, эти значения являются усреднёнными и могут различаться на 10-15 процентов в зависимости от особенностей конкретного водоёма или источника воды. Также отмечается пока не слишком понятная разница в содержании дейтерия в различных видах атмосферных осадков: в дождевой влаге дейтерия содержится больше, чем в снеге. Впрочем, наличие тяжёлой воды в окружающей нас среде не должно пугать нас. В обычной воде тяжёлая вода содержится в ничтожно малом количестве, недостаточном для того, чтобы нанести человеку вред. Даже если выпить стакан-другой чистой, полученной искусственным образом, дейтериевой воды, то через несколько дней тяжёлый изотоп будет выведен из организма естественным путём без последствий для здоровья.
Атомная энергетика выросла на тяжёлой воде
Производство тяжёлой воды является весьма трудоёмким и дорогостоящим процессом. Изучив историю открытия дейтериевой воды, поначалу можно подумать, что в её получении нет ничего сложного. Дело в том, что основным и фактически единственным способом создания тяжёлой воды является электролиз обычной воды. Электролиз, как всем известно, это пропускание электрического тока через жидкость или раствор, в результате которых на электродах происходят химические реакции, приводящие к получению новых веществ. Получение тяжёлой воды это, по сути, стандартный процесс электролиза, в результате которого в остатках электролита и появляется то самое заветное вещество с тяжёлыми изотопами водорода.
Сложность в том, что для получения хотя бы микроскопического объёма тяжёлой воды необходимо произвести электролиз большого объёма воды обычной. В обычной воде недостатка нет - а вот электроэнергия, необходимая для электролиза, стоит денег. Когда энергии требуется много, она стоит больших денег. Электролиз для получения тяжёлой воды стоит именно много денег - получение одного грамма дейтериевой воды в настоящее время обходится в расходование энергии стоимостью примерно 20 долларов США. При этом получения вещества проходит в два этапа: сначала путём реакции с обычной водой получается жидкость с концентрацией тяжёлой воды около 10%. Затем повторная процедура электролиза этого раствора приводит к получению чистой, почти стопроцентной, тяжёлой воды.
Разумеется, никто бы не производил таких сложных и дорогостоящих манипуляций ради чисто познавательного интереса по получению необычного вещества, внешне так похожего на привычную нам воду. Дело в том, что основа современной атомной энергетики это реакторы на тяжёлой воде. В ходе изучения свойств этого вещества выяснилось, что дейтериевая вода обладает потрясающими свойствами в реакциях с нейтронами, которые и являются «рабочими лошадками» в ядерных реакторах. Для реакторов определяющими являются два требования: во-первых, чтобы нейтроны не «разгонялись» слишком быстро, иначе их невозможно будет удержать и начнётся неконтролируемая ядерная реакция. Во-вторых, чтобы нейтрализующая среда, которая призвана тормозить нейтроны, не поглощала их, то есть не снижала энергетическую мощность реакции. Реактор на тяжёлой воде оказался идеальным решением обоих задач. Дейтериевая вода является непревзойдённым замедлителем нейтронов: для сравнения - коэффициент замедления нейтронов у обычной воды равен 61, а у тяжёлой воды он составляет 5700. К тому же это вещество не поглощает нейтроны (вернее поглощает, но в очень малом количестве), что позволяет поддерживать стабильный уровень получения энергии в реакторе.
Александр Бабицкий
