Ağır su nedir?

Ağır su

Ağır su, nükleer reaktörlerde kullanılan hidrojen yerine ağır hidrojen izotopuna (yani döteryuma) sahip yoğunluğu yüksek sudur. Kimyasal adı döteryum oksit, formülü ise D₂O'dur.

Ağır su nükleer reaktörlerde, hem soğutucu sıvı olarak hem de nötronları yavaşlatan bir nötron moderatörü olarak kullanılır. Ağır suyun nötron yavaşlatma gücünün normal sudan daha yüksek olması ve soğurma özelliğinin daha az olması sayesinde reaktörlerde doğal uranyumun yakıt olarak kullanılmasına imkan sağlar. Bir başka deyişle ağır su, nötronları yakalamadan yavaşlatarak reaktörlerde oluşturulan zincirleme reaksiyonun hızının kontrol altında olmasını sağlar.

Ağır su, ilk olarak döteryumun keşfinden birkaç ay sonra 1932'de üretilmiştir. 1938 sonlarında nükleer fisyon keşfi ve az sayıda nötron yakalayan bir nötron moderatörüne ihtiyaç duyulmasıyla, ağır su nükleer enerji araştırmalarının bir bileşeni haline gelmiştir. O günden bu yana ağır su, hem güç hem de nükleer silahlar için izotop üreten reaktörler için önemli bir bileşen olmuştur.

Ağır su saf haliyle, sıradan sudan % 11 daha fazla yoğunluğa sahiptir (yani ağırdır), donma noktası 3,82 °C, kaynama noktası ise 101,4 °C'dir.

Ağır su ile normal su arasında tat farkı yoktur yani tadı yoktur. İnsan vücudu doğal olarak zararsız olan yaklaşık 5 gram ağır suya denk gelen döteryum içermektedir. Ancak organizmalardaki suyun büyük bir kısmı (örneğin % 50'si) ağır su ile yer değiştirirse, sonuç hücre disfonksiyonu ve ölüm olur.

Ayrıca ağır su "saf haliyle" radyoaktif de değildir. Ancak nükleer enerji santrallerinde soğutma sıvısı olarak kullanılan ağır su, ağır sudaki döteryumun nötron bombardımanı sonucunda önemli ölçüde daha fazla trityum içermesiyle radyoaktif hale gelir.

Doğal suda 1/6,760 oranında ağır su bulunur. Eskiden oldukça fazla miktardaki suyun elektrolizi ya da kaynatılması sonucu arta kalan, ağır suca zengin su olarak elde edilirdi. Ancak bunun için oldukça fazla ısı ve elektrik enerjisine ihtiyaç duyulurdu.

Günümüzde ise belli bir ağır su üretim düzeyine kadar ekonomik olması için çift sıcaklıklı sülfit sürecinden yararlanılmaktadır. Bu yöntemle sıvı haldeki normal su (H₂O), hidrojen-döteryum sülfit (HDO) gazı ile temas haline getirilir ve gaz fazındaki döteryum, tercihli olarak suya geçer:

H₂O(sıvı) + HDS(gaz) → HDO(sıvı) + H₂S(gaz)

Sudaki döteryum zenginliği, sıcaklık azaldıkça artar. Bu durumda H₂S gazı, yukarıda görüldüğü gibi, kapalı bir devre üzerinden, sıcak ve soğuk su kütleleri içeren iki kaptan geçirildiğinde, sıcak kaptan soğuk kaba döteryum taşıyor olur. Bu yöntemle % 15 - 20 oranında ağır suca (D₂O) zenginleştirilmiş normal su elde edilir. Daha fazla zenginleştirme için bu suya başka bir işlem daha örneğin damıtma işlemi uygulanarak "reaktör sınıfı" ağır su (yani % 99 D₂O) elde edilebilir.