بانک تحقیق آماده کلیک پرداز عناوین دیگر
در صورت تمایل میتوانید اصل فایل تنظیم شده و دارای تصاویر را از اینجا دانلود نمایید

عنوان: آب سنگین
تعداد صفحات: 20
متن تحقیق:

آب سنگين چيست؟

دكتر محمود احمدي نژاد روز شنبه چهارم شهريور با پرده برداري از لوح يادبود مجتمع آب سنگين اراك، يكي از بزرگترين پروژه هاي هسته اي كشور را كه ساخت آن از سال 77 آغاز شده بود افتتاح كرد. پروژه توليد آب سنگين در شمال غربي اراك و در نزديكي تاسيسات نيروگاه 40مگاواتي آب سنگين اراك قرار دارد و براي تامين آب سنگين اين رآكتور ساخته شده است. به گفته غلامرضا آقازاده رئيس سازمان انرژي اتمي ايران ظرفيت توليد اين مجتمع ابتدا هشت تن بود و امروز ظرفيت آن به 16 تن آب سنگين با غناي 899 درصد رسيده است. سعيدي معاون امور بين الملل سازمان انرژي اتمي در توصيف اهميت اين پروژه گفت: اين پروژه نقش بسزايي در ارتقاي علمي كشور و صنايع داخلي دارد و نشانگر رشد و بلوغ و ارتقاي دانش فني نيروهاي متخصص ايراني است. پروژه مجتمع توليد آب سنگين اراك به عنوان يكي از شاخصه هاي دانش هسته اي، در پزشكي و به خصوص كنترل سرطان و كنترل بيماري ايدز نقش تعيين كننده اي دارد و به عنوان خنك كننده و كندكننده رآكتورهاي آب سنگين به كار مي رود .با گشايش اين واحد صنعتي، ايران به عنوان نهمين كشور داراي تجهيزات توليد آب سنگين مطرح مي شود. كشورهاي آرژانتين، كانادا، هند و نروژ نيز بزرگترين صادركنندگان آب سنگين جهان هستند.با توجه به اهميت راه اندازي اين واحد در صنايع هسته اي، در ادامه با آب سنگين و كاربردهاي آن در شاخه هاي گوناگون آشنا مي شويم.آب خالص ماده اي است بي رنگ، بي بو و بدون طعم. فرمول شيميايي آب H2O است، يعني هر مولكول آب از اتصال دو اتم هيدروژن به يك اتم اكسيژن ساخته شده است. نكته اي كه بايد در نظر داشت آن است كه عنصر هيدروژن همانند بسياري ديگر از عنصرهاي طبيعت ايزوتوپ هايي دارد كه عبارتند از H 2 كه با D دوتريم و H 3كه با T تريتيم نمايش مي دهند. براي آشنا شدن با تفاوت اين ايزوتوپ ها بهتر است يك بار ديگر ساختار اتم را به يادآوريم.

ساختار اتم

اتم كوچكترين بخش سازنده يك عنصر شيميايي است كه هنوز هم خواص شيميايي آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الكترون به دور هسته اتم مي گردد. الكترون بار منفي و جرم بسيار كمي دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود 1870 بار سنگين تر از الكترون است، بنابر اين بخش عمده جرم يك اتم درون هسته آن قرار دارد. ايزوتوپ: ايزوتوپ به صورت هاي گوناگون يك عنصر گفته مي شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ايزوتوپ هاي مختلف يك عنصر از آنجا ناشي مي شود كه تعداد نوترون هاي موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون هاي تمام اتم هاي يك عنصر از جمله ايزوتوپ ها با هم برابر است. براي مثال عنصر هيدروژن داراي سه ايزوتوپ است: H هيدروژن كه در هسته خود فقط يك پروتون دارد، بدون نوترون. H 2يا D دوتريم كه در هسته خود يك پروتون و يك نوترون دارد و H 3 يا H تريتيم كه يك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجايي كه خواص شيميايي يك عنصر به تعداد پروتون هاي هسته مربوط است، ايزوتوپ هاي مختلف در خواص شيميايي با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فيزيكي آنها با هم متفاوت است. عمده هيدروژن هاي طبيعت H يا هيدروژن معمولي است و فقط 0150 درصد آن را دوتريم تشكيل مي دهد، يعني از هر 6400 اتم هيدروژن، يكي دوتريم است. حال در نظر بگيريد كه به جاي يك اتم هيدروژن معمولي در مولكول آب H2O اتم D بنشيند. آن وقت مولكول HDO به وجود مي آيد كه به آن آب نيمه سنگين مي گويند. اگر جاي هر دو اتم هيدروژن، دوتريم بنشيند، D2O به وجود مي آيد كه به آن آب سنگين مي گويند. خواص فيزيكي آب سنگين تا حدودي با آب سبك يا آب معمولي تفاوت دارد.با توجه به جانشيني D به جاي H در آب سنگين، انرژي پيوندي پيوند هاي اكسيژن هيدروژن در آب تغيير مي كند و در نتيجه خواص فيزيكي و به ويژه خواص زيست شناختي آب عوض مي شود.

تاريخچه توليد آب سنگين

والتر راسل در سال 1926 با استفاده از جدول تناوبي «مارپيچ» وجود دو تريم را پيش بيني كرد. هارولد يوري يكي از شيميدانان دانشگاه كلمبيا در سال 1931 توانست آن را كشف كند. گيلبرت نيوتن لوئيس هم در سال 1933 توانست اولين نمونه از آب سنگين خالص را با استفاده از روش الكتروليز تهيه كند. هوسي و هافر نيز در سال 1934 از آب سنگين استفاده كردند و با انجام اولين آزمون هاي رديابي زيست شناختي به بررسي سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.

توليد آب سنگين: در طبيعت از هر 3200 مولكول آب يكي آب نيمه سنگين HDO است. آب نيمه سنگين را مي توان با استفاده از روش هايي مانند تقطير يا الكتروليز يا ديگر فرآيندهاي شيميايي از آب معمولي تهيه كرد. هنگامي كه مقدار HDO در آب زياد شد، ميزان آب سنگين نيز بيشتر مي شود زيرا مولكول هاي آب هيدروژن هاي خود را با يكديگر عوض مي كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO يك مولكول H2O آب معمولي و يك مولكول D2O آب سنگين به وجود آيد. براي توليد آب سنگين خالص با استفاده از روش هاي تقطير يا الكتروليز به دستگاه هاي پيچيده تقطير و الكتروليز و همچنين مقدار زيادي انرژي نياز است، به همين دليل بيشتر از روش هاي شيميايي براي تهيه آب سنگين استفاده مي كنند.

كاربرد هاي آب سنگين

آب سنگين در پژوهش هاي علمي در حوزه هاي مختلف از جمله زيست شناسي، پزشكي، فيزيك و... كاربردهاي فراواني دارد كه در زير به چند مورد آن اشاره مي كنيم.

طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته: در طيف سنجي تشديد مغناطيسي هسته NMR هنگامي كه هسته مورد نظر ما هيدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگين استفاده مي كنند. در اين حالت چون سيگنال هاي اتم هيدروژن مورد نظر با سيگنال هاي اتم هيدروژن آب معمولي تداخل مي كند، مي توان از آب سنگين استفاده كرد، زيرا خواص مغناطيسي دوتريم و هيدروژن با هم تفاوت دارد و سيگنال دوتريم با سيگنال هاي هيدروژن تداخل نمي كند.

كند كننده نوترون

آب سنگين در بعضي از انواع رآكتورهاي هسته اي نيز به عنوان كند كننده نوترون به كار مي رود. نوترون هاي كند مي توانند با اورانيوم واكنش بدهند.از آب سبك يا آب معمولي هم مي توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجايي كه آب سبك نوترون هاي حرارتي را هم جذب مي كنند، رآكتورهاي آب سبك بايد اورانيوم غني شده اورانيوم با خلوص زياد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگين مي تواند از اورانيوم معمولي يا غني نشده هم استفاده كند، به همين دليل توليد آب سنگين به بحث هاي مربوط به جلوگيري از توسعه سلاح هاي هسته اي مربوط است. رآكتورهاي توليد آب سنگين را مي توان به گونه اي ساخت كه بدون نياز به تجهيزات غني سازي، اورانيوم را به پلوتونيوم قابل استفاده در بمب اتمي تبديل كند. البته براي استفاده از اورانيوم معمولي در بمب اتمي مي توان از روش هاي ديگري هم استفاده كرد. كشورهاي هند، اسرائيل، پاكستان، كره شمالي، روسيه و آمريكا از رآكتورهاي توليد آب سنگين براي توليد بمب اتمي استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگين در ساخت سلاح هسته اي، در بسياري از كشورها دولت توليد يا خريد و فروش مقدار زياد اين ماده را كنترل مي كند. اما در كشورهايي مثل آمريكا و كانادا مي توان مقدار غير صنعتي يعني در حد گرم و كيلوگرم را بدون هيچ گونه مجوز خاصي از توليد كنندگان يا عرضه كنندگان مواد شيميايي تهيه كرد. هم اكنون قيمت هر كيلوگرم آب سنگين با خلوص 9899 درصد حدود 600 تا 700 دلار است. گفتني است بدون استفاده از اورانيوم غني شده و آب سنگين هم مي توان رآكتور توليد پلوتونيوم ساخت. كافي است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجايي كه نازي ها از كربن ناخالص استفاده مي كردند، متوجه اين نكته نشدند در حقيقت از اولين رآكتور اتمي آزمايشي آمريكا سال 1942 و پروژه منهتن كه پلوتونيوم آزمايش ترينيتي و بمب مشهور «FAT MAN» را ساخت، از اورانيوم غني شده يا آب سنگين استفاده نمي شد.

آشكار سازي نوترينو

رصد خانه نوترينوي سادبري در انتاريوي كانادا از هزار تن آب سنگين استفاده مي كند. آشكار ساز نوترينو در اعماق زمين و در دل يك معدن قديمي كار گذاشته شده تا مئون هاي پرتو هاي كيهاني به آن نرسد. هدف اصلي اين رصدخانه يافتن پاسخ اين پرسش است كه آيا نوترينوهاي الكترون كه از همجوشي در خورشيد توليد مي شوند، در مسير رسيدن به زمين به ديگر انواع نوترينوها تبديل مي شوند يا خير. وجود آب سنگين در اين آزمايش ها ضروري است، زيرا دوتريم مورد نياز براي آشكارسازي انواع نوترينوها را فراهم مي كند.

آزمون هاي سوخت و ساز در بدن

از مخلوط آب سنگين با 18O H2 آبي كه اكسيژن آن ايزوتوپ 18O است نه 16O براي انجام آزمايش اندازه گيري سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حيوانات استفاده مي شود. اين آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده مي نامند.

توليد تريتيم

هنگامي كه دوتريم رآكتور آب سنگين يك نوترون به دست مي آورد به تريتيم ايزوتوپ ديگر هيدروژن تبديل مي شود. توليد تريتيم به اين روش به فناوري چندان پيچيده اي نياز ندارد و آسان تر از توليد تريتيم به روش تبديل نوتروني ليتيم ? است. تريتيم در ساخت نيروگاه هاي گرما هسته اي كاربرد دارد

 

آب سنگين اراك

مقدمه

پروژه تولید آب سنگین در شمال غربی اراك و در نزدیكی تاسیسات نیروگاه ۴۰ مگاواتی آب سنگین اراك قرار دارد و برای تامین آب سنگین این رآكتور ساخته شده است. به گفته غلامرضا آقازاده رئیس سازمان انرژی اتمی ایران ظرفیت تولید این مجتمع ابتدا هشت تن بود و امروز ظرفیت آن به ۱۶ تن آب سنگین با غنای ۸۹۹ درصد رسیده است. سعیدی معاون امور بین الملل سازمان انرژی اتمی در توصیف اهمیت این پروژه گفت: این پروژه نقش بسزایی در ارتقای علمی كشور و صنایع داخلی دارد و نشانگر رشد و بلوغ و ارتقای دانش فنی نیروهای متخصص ایرانی است. پروژه مجتمع تولید آب سنگین اراك به عنوان یكی از شاخصه های دانش هسته ای، در پزشكی و به خصوص كنترل سرطان و كنترل بیماری ایدز نقش تعیین كننده ای دارد و به عنوان خنك كننده و كندكننده رآكتورهای آب سنگین به كار می رود .با گشایش این واحد صنعتی، ایران به عنوان نهمین كشور دارای تجهیزات تولید آب سنگین مطرح می شود. كشورهای آرژانتین، كانادا، هند و نروژ نیز بزرگترین صادركنندگان آب سنگین جهان هستند.با توجه به اهمیت راه اندازی این واحد در صنایع هسته ای، در ادامه با آب سنگین و كاربردهای آن در شاخه های گوناگون آشنا می شویم.آب خالص ماده ای است بی رنگ، بی بو و بدون طعم. فرمول شیمیایی آب H2O است، یعنی هر مولكول آب از اتصال دو اتم هیدروژن به یك اتم اكسیژن ساخته شده است. نكته ای كه باید در نظر داشت آن است كه عنصر هیدروژن همانند بسیاری دیگر از عنصرهای طبیعت ایزوتوپ هایی دارد كه عبارتند از H ۲ كه با D دوتریم و H ۳كه با T تریتیم نمایش می دهند. برای آشنا شدن با تفاوت این ایزوتوپ ها بهتر است یك بار دیگر ساختار اتم را به یادآوریم.


ساختار اتم

۱۸۷۰ بار سنگین تر از الكترون است، بنابر این بخش عمده جرم یك اتم درون هسته آن قرار دارد. ایزوتوپ: ایزوتوپ به صورت های گوناگون یك عنصر گفته می شود كه جرم آنها با هم تفاوت داشته باشد. تفاوت ایزوتوپ های مختلف یك عنصر از آنجا ناشی می شود كه تعداد نوترون های موجود در هسته آنها با هم تفاوت دارد. البته تعداد پروتون های تمام اتم های یك عنصر از جمله ایزوتوپ ها با هم برابر است. برای مثال عنصر هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است: H هیدروژن كه در هسته خود فقط یك پروتون دارد، بدون نوترون. H ۲یا D دوتریم كه در هسته خود یك پروتون و یك نوترون دارد و H ۳ یا H تریتیم كه یك پروتون و دو نوترون دارد. از آنجایی كه خواص شیمیایی یك عنصر به تعداد پروتون های هسته مربوط است، ایزوتوپ های مختلف در خواص شیمیایی با هم تفاوت ندارند، بلكه خواص فیزیكی آنها با هم متفاوت است. عمده هیدروژن های طبیعت H یا هیدروژن معمولی است و فقط ۰۱۵۰ درصد آن را دوتریم تشكیل می دهد، یعنی از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن، یكی دوتریم است. حال در نظر بگیرید كه به جای یك اتم هیدروژن معمولی در مولكول آب H2O اتم D بنشیند. آن وقت مولكول HDO به وجود می آید كه به آن آب نیمه سنگین می گویند. اگر جای هر دو اتم هیدروژن، دوتریم بنشیند، D2O به وجود می آید كه به آن آب سنگین می گویند. خواص فیزیكی آب سنگین تا حدودی با آب سبك یا آب معمولی تفاوت دارد.با توجه به جانشینی D به جای H در آب سنگین، انرژی پیوندی پیوند های اكسیژن هیدروژن در آب تغییر می كند و در نتیجه خواص فیزیكی و به ویژه خواص زیست شناختی آب عوض می شود.

اتم كوچكترین بخش سازنده یك عنصر شیمیایی است كه هنوز هم خواص شیمیایی آن عنصر را دارد. خود اتم ها از سه جزء ساخته شده اند: الكترون، پروتون و نوترون. پروتون و نوترون در درون هسته اتم قرار دارد و الكترون به دور هسته اتم می گردد. الكترون بار منفی و جرم بسیار كمی دارد. پروتون بار مثبت و نوترون بدون بار است. جرم پروتون و نوترون برابر و حدود


تاریخچه تولید آب سنگین

۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی ?مارپیچ? وجود دو تریم را پیش بینی كرد. هارولد یوری یكی از شیمیدانان دانشگاه كلمبیا در سال ۱۹۳۱ توانست آن را كشف كند. گیلبرت نیوتن لوئیس هم در سال ۱۹۳۳ توانست اولین نمونه از آب سنگین خالص را با استفاده از روش الكترولیز تهیه كند. هوسی و هافر نیز در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده كردند و با انجام اولین آزمون های ردیابی زیست شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.

تولید آب سنگین: در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولكول آب یكی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می توان با استفاده از روش هایی مانند تقطیر یا الكترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه كرد. هنگامی كه مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می شود زیرا مولكول های آب هیدروژن های خود را با یكدیگر عوض می كنند و احتمال دارد كه از دو مولكول HDO یك مولكول H2O آب معمولی و یك مولكول D2O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش های تقطیر یا الكترولیز به دستگاه های پیچیده تقطیر و الكترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می كنند.

 

كاربرد های آب سنگین

آب سنگین در پژوهش های علمی در حوزه های مختلف از جمله زیست شناسی، پزشكی، فیزیك و... كاربردهای فراوانی دارد كه در زیر به چند مورد آن اشاره می كنیم.
طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته: در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته NMR هنگامی كه هسته مورد نظر ما هیدروژن و حلال هم آب باشد از آب سنگین استفاده می كنند. در این حالت چون سیگنال های اتم هیدروژن مورد نظر با سیگنال های اتم هیدروژن آب معمولی تداخل می كند، می توان از آب سنگین استفاده كرد، زیرا خواص مغناطیسی دوتریم و هیدروژن با هم تفاوت دارد و سیگنال دوتریم با سیگنال های هیدروژن تداخل نمی كند.

كند كننده نوترون

۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می توان رآكتور تولید پلوتونیوم ساخت. كافی است كه از كربن فوق العاده خالص به عنوان كند كننده استفاده شود از آنجایی كه نازی ها از كربن ناخالص استفاده می كردند، متوجه این نكته نشدند در حقیقت از اولین رآكتور اتمی آزمایشی آمریكا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن كه پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور ?Fat man? را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی شد.

آب سنگین در بعضی از انواع رآكتورهای هسته ای نیز به عنوان كند كننده نوترون به كار می رود. نوترون های كند می توانند با اورانیوم واكنش بدهند.از آب سبك یا آب معمولی هم می توان به عنوان كند كننده استفاده كرد، اما از آنجایی كه آب سبك نوترون های حرارتی را هم جذب می كنند، رآكتورهای آب سبك باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده كنند، اما رآكتور آب سنگین می تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده كند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح های هسته ای مربوط است. رآكتورهای تولید آب سنگین را می توان به گونه ای ساخت كه بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل كند. البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می توان از روش های دیگری هم استفاده كرد. كشورهای هند، اسرائیل، پاكستان، كره شمالی، روسیه و آمریكا از رآكتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی استفاده كردند.با توجه به امكان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته ای، در بسیاری از كشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را كنترل می كند. اما در كشورهایی مثل آمریكا و كانادا می توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و كیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید كنندگان یا عرضه كنندگان مواد شیمیایی تهیه كرد. هم اكنون قیمت هر كیلوگرم آب سنگین با خلوص

آشكار سازی نوترینو

۱۸O H2 آبی كه اكسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برای انجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می نامند.


رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی كانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می كند. آشكار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یك معدن قدیمی كار گذاشته شده تا مئون های پرتو های كیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است كه آیا نوترینوهای الكترون كه از همجوشی در خورشید تولید می شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش ها ضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشكارسازی انواع نوترینوها را فراهم می كند.
آزمون های سوخت و ساز در بدن از مخلوط آب سنگین با
تولید تریتیم ۶ است. تریتیم در ساخت نیروگاه های گرما هسته ای كاربرد دارد
هنگامی كه دوتریم رآكتور آب سنگین یك نوترون به دست می آورد به تریتیم ایزوتوپ دیگر هیدروژن تبدیل می شود. تولید تریتیم به این روش به فناوری چندان پیچیده ای نیاز ندارد و آسان تر از تولید تریتیم به روش تبدیل نوترونی لیتیم ميباشد.

آب سنگين- چگونگي توليد و موارد مصرف

روز شنبه با آغاز بهره برداري از پروژه مجتمع توليد آب سنگين اراك، عملا" كشورمان به عنوان نهمين كشور دارنده مجتمع توليد آب سنگين در جهان مطرح شد.

اين پروژه با عنوان يكي از شاخصه هاي دانش هسته اي در مصارف پزشكي به خصوص كنترل سرطان و كنترل بيماري ايدز نقش تعيين كننده اي دارد و به عنوان خنك كننده و كندكننده راكتورهاي آب سنگين هسته اي به شمار مي آيد. اين پروژه يكي از بزرگ ترين پروژه هاي هسته اي كشور است كه آژانس بين المللي انرژي اتمي در جريان ساخت آن قرار دارد. آب سنگين در پزشكي هسته اي، راكتورهاي تحقيقاتي و راكتورهاي آب سنگين توليد انرژي و كاربرد بسيار زيادي دارد. باتوجه به اهميت آب سنگين در پيشرفت دانش هسته اي و پزشكي، خبرنگار گروه دانش و فناوري خراسان با دكتر حسين آفريده متخصص فيزيك اتمي و عضو هيئت علمي دانشگاه اميركبير، دكتر منيژه رهبر عضو هيئت علمي دانشگاه تهران و انجمن فيزيك هسته اي و دكتر نوراني متخصص پزشكي هسته اي گفتگويي انجام داده است كه در قالب يك گزارش از نظر شما مي گذرد.

آب سنگين چيست؟

دكتر رهبر: آب سنگين، آبي است كه هيدروژن هاي آن دتريوم يا ايزوتوپ سنگين هيدروژن است. اين آب در مقايسه با آب معمولي نقطه جوش و نقطه انجماد بالاتري دارد و ويسكوزيته يا چسبندگي آن بيشتر است. هيدروژن داراي 2 ايزوتوپ پايدار H و D و يك ايزوتوپ ناپايدار و راديواكتيو T يا تريتيوم است. هسته ايزوتوپ معمولي هيدروژن داراي يك پروتون و هسته ايزوتوپ سنگين داراي يك پروتون و يك نوترون است. اين نوترون اضافي، هم سبب كاهش جذب نوترون توسط دتريوم و آب سنگين مي شود و هم افزايش جرم آن را به همراه دارد. جرم ملكولي آب معمولي 18 و آب سنگين 20 است. در نتيجه يك ليتر آب سنگين داراي جرمي بيشتر از يك ليتر آب سبك است.

 آب سخت با آب سنگين چه تفاوتي دارد؟

آب سخت همان آب سبك يا معمولي است كه داراي املاح بسيار زيادي مي باشد.
ايزوتوپ چيست؟

دكتر آفريده: هسته اتم يك عنصر از پروتون و نوترون تشكيل شده است، تغيير در تعداد پروتون هاي هسته، سبب تغيير ماهيت و پديد آمدن عنصر ديگري مي شود، به عنوان مثال: هسته اتم نيتروژن 7 پروتون دارد كه با از دست دادن يكي از آنها تبديل به عنصر كربن مي شود، اما تغيير در تعداد نوترون ها، سبب ايجاد گونه جديدي از يك عنصر به نام ايزوتوپ مي شود. اغلب عناصر داراي ايزوتوپ هستند، ازجمله: عنصر اورانيوم داراي 4 ايزوتوپ است كه فقط 2 ايزوتوپ آن به علت داشتن نيمه عمر نسبتا" بالا در طبيعت به صورت سنگ معدن يافت مي شود. اورانيوم 235 و 238 هركدام داراي 92 پروتون در هسته خود هستند ولي اورانيوم 235، 143 نوترون و اورانيوم238، 146 نوترون دارد.
J نيروگاه هاي اتمي به چند دسته تقسيم مي شود¬ درباره نيروگاه آب سنگين توضيح بيشتري بدهيد؟

 دكتر رهبر: نيروگاه هايي كه از انرژي شكافت اورانيوم استفاده مي كنند به 2 بخش نيروگاه آب سبك و آب سنگين تقسيم مي شوند. نيروگاه آب سبك داراي راكتور آب سبك و نيروگاه آب سنگين داراي راكتور آب سنگين است. سوخت نيروگاه هاي هسته اي، اورانيوم 238 و 235 است. اگر از اورانيوم 235 به عنوان سوخت هسته اي استفاده شود بايد درجه غناي آن از 7/0 درصد (كه در طبيعت وجود دارد) به 3 تا 5 درصد برسد تا جرم بحراني لازم براي شكافت را داشته باشد. درون يك راكتور هسته اي، اورانيوم توسط نوترون ها، بمباران مي شود. برخورد نوترون به هسته اتم اورانيوم، سبب شكست آن مي شود و در اثر اين شكست، انرژي و نوترون هاي اضافي به وجود مي آيد. نوترون هاي اضافي در يك واكنش زنجيره اي شركت مي كنند و باعث شكست ديگر اتم هاي اورانيوم مي شود. اگر اين نوترون هاي اضافي كنترل نشود، ورود آن ها به واكنش هاي زنجيره اي، سبب توليد انرژي بسيار زياد و در نتيجه انفجار در راكتور مي شود. از شكست هسته هر اتم اورانيوم معادل 200 ميليون الكترون ولت انرژي آزاد مي شود؛ بنابراين بايد از موادي كه جاذب نوترون هاي اضافي هستند و يا كندكننده ها، استفاده شود. در راكتورهاي آب سبك از اورانيوم 235 به عنوان سوخت و از آب سبك يا معمولي به عنوان كندكننده استفاده مي شود. در راكتورهاي آب سنگين، از اورانيوم معمولي يا 238 به عنوان سوخت و از آب سنگين براي كند كردن واكنش هاي زنجيره اي، بهره گرفته مي شود. اگر در راكتور آب سنگين، از آب معمولي استفاده كنيم تمامي نوترون هاي حاصل از شكافت، توسط آب جذب و واكنش زنجيره اي متوقف مي شود، درحالي كه آب سنگين توانايي كمي در جذب نوترون دارد. پس از شكست هسته اورانيوم 235 يا 238، انرژي به صورت گرمايي آزاد و اين انرژي توسط مواد خنك كننده و به منظور به حركت درآوردن توربين به خارج از راكتور منتقل مي شود. اين مواد خنك كننده مي تواند آب معمولي يا آب سنگين باشد كه پس از انتقال حرارت به بيرون از راكتور و خنك شدن، مجددا" به راكتور برمي گردد و اين فرآيند به صورت پيوسته، براي توليد برق، ادامه پيدا مي كند. بنابراين آب سنگين و آب سبك در راكتورها علاوه بر كندكنندگي، نقش خنك كنندگي هم دارند.
J آيا پسماندهاي حاصل از شكافت در راكتور آب سنگين متفاوت از راكتور آب سبك است؟

 دكتر رهبر: مواد و عناصر حاصل از شكافت در 2 نوع راكتور مشابه هم است ولي ميزان آن فرق مي كند. نوترون هاي آزاد شده در هنگام شكافت با هسته اورانيوم 238 برخورد مي كنند و ايزوتوپ جديد و ناپايداري از اورانيوم را با عنوان اورانيوم 239 به وجود مي آورند. اورانيوم 239 در فرآيندي، تبديل به يك عنصر راديواكتيو به نام پلوتونيوم 239 مي شود. پلوتونيوم، هم به عنوان سوخت در بعضي راكتورها كاربرد دارد و هم مي تواند براي ساخت بمب اتمي استفاده شود. در كشوري مثل آمريكا، نيروگاه هايي وجود داشت كه هدف آن ها فقط توليد پلوتونيوم بود و از اين پلوتونيوم در توليد بمب هاي نوتروني استفاده مي شد. بمبي كه بر سر مردم هيروشيما فرود آمد، از اين نوع بود. استفاده از اورانيوم طبيعي در راكتورهاي آب سنگين، سبب ايجاد ميزان بيشتري از پلوتونيوم مي شود كه اين پلوتونيوم مي تواند كاربرد نظامي داشته باشد. بنابراين روي اين راكتورها حساسيت بيشتري وجود دارد و واردات آب سنگين از ديگر كشورها تحت كنترل سازمان هاي بين المللي است و به مجوز نياز دارد اما پروژه توليد آب سنگين در ايران براي استفاده هايي صلح آميز از اين ماده است و تمام برنامه هاي آن تحت نظارت آژانس است.

آب سنگين چگونه توليد مي شود؟

محققان براي اولين بار به طريق الكتروليز به آب سنگين خالص دست يافتند. چون نقطه جوش آب سنگين بالاتر از آب معمولي است، براي توليد آن، از روش تبخير و تقطير هم استفاده مي شود. در تأسيسات توليد آب سنگين در اراك، طي مراحلي پيچيده از آب معمولي، آب سنگين به دست مي آيد كه درجه خلوص آن 8/99 درصد است. البته بايد يادآور شد كه مراحل غني سازي اورانيوم، از پيچيدگي بيشتري برخوردار است چون اختلاف جرم 2 ايزوتوپ اورانيوم بسيار كم است، بنابراين بايد براي بالا بردن درجه غناي اورانيوم 235، از سانتريفوژهاي متعدد كه به صورت آبشاري، پشت سرهم قرار مي گيرند، استفاده كرد. ولي تفاوت جرم آب سنگين و آب سبك قابل ملاحظه است و تفاوت در نقاط جوش اين 2 نوع آب، امكان جداسازي آب سنگين و خالص سازي آن را تسهيل مي كند. از ميان هر 6400 تا 7000 ملكول آب معمولي، يك ملكول آب سنگين وجود دارد كه براي دستيابي به آن از طرق فيزيكي و شيميايي درجه خلوص آن را بالا مي برند. J در چه كشورهايي از راكتور آب سنگين استفاده مي شود

دكتر آفريده: در حال حاضر كشورهاي زيادي از اين نوع راكتور براي توليد برق استفاده مي كنند، مانند كانادا، پاكستان و هند ولي تأسيسات توليد آب سنگين تاكنون فقط در 8 كشور وجود داشته است كه ما نهمين كشور هستيم. J موارد استفاده از آب سنگين چيست، و توليد آب سنگين چه اهميتي براي كشور دارد¬ دكتر آفريده: بيشترين استفاده از آب سنگين در راكتورها است كه شامل هر 2 راكتور تحقيقاتي و نيروگاهي مي شود از آب سنگين براي توليد راديوايزوتوپ ها در صنعت، كشاورزي و پزشكي استفاده مي شود همچنين در راديوگرافي، نوترون تراپي و نوترون راديوگرافي از آن بهره برداري مي شود. علاوه براين ها، آب سنگين براي تشخيص نشت آب هاي زيرزميني يا نشت آب از سدها، كاربرد زيادي دارد. علاوه بر اينها ، دو تريم در تحقيقات فيوران، يا گداخت سرد نقش محوري ايفا مي كند. باتوجه به اين كه كشور ما داراي منابع بزرگي از اورانيوم طبيعي است، با توليد آب سنگين در اراك، مي توانيم راكتورهاي آب سنگيني بسازيم كه براي سوخت خود نيازي به كار دشوار و پرهزينه غني سازي اورانيوم ندارند. در تأسيسات اراك سالانه 16 تن آب سنگين توليد مي شود كه نه تنها در توليد برق از نيروگاه هاي آب سنگين كاربرد، بلكه مصارف زيادي در پزشكي هسته اي دارد. همان طور كه ذكر شد از آب سنگين براي توليد راديوايزوتوپ ها و راديوداروها استفاده مي شود. راديوايزوتوپ ها در صنعت و كشاورزي كاربرد زيادي دارند. پروژه توليد آب سنگين در اراك به اندازه دستيابي به فرآيند غني سازي اورانيوم افتخارآفرين است.

به گفته دكتر نوراني متخصص پزشكي هسته اي اساس كار در دانش پزشكي هسته اي استفاده از راديوايزوتوپ ها و راديوداروها است و از آب سنگين مي توان به عنوان تارگت نوترون براي توليد اين مواد استفاده كرد. از پرتوداروها براي تشخيص و درمان بيماري هايي چون سرطان، تومورهاي خوش خيم و بدخيم، نارسايي هاي قلبي و عروقي استفاده مي شود. مثلا" در پت اسكن كه پيشرفته ترين تكنيك در پزشكي هسته اي است، گلوكز نشان دار يا FDG يا فلوئودين كاربرد بسيار زيادي دارد براي نشان دار كردن گلوكز يا فلوئور از آب سنگين استفاده مي شود كه به عنوان مثال از FDG براي بررسي متابوليسم گلوكز و تشخيص تومورها در مغز بهره گيري مي شود. باتوجه به اين كه واردات بعضي راديوايزوتوپ ها و راديوداروها از كشورهاي ديگر با مشكل مواجه است، توليد آب سنگين در كشور موفقيت بزرگي چه در عرصه توليد برق و چه در عرصه پزشكي و صنعت و كشاورزي محسوب مي شود.

در صورت تمایل میتوانید اصل فایل تنظیم شده و دارای تصاویر را از اینجا دانلود نمایید