Обычная вода знакома всем. Каждый человек в состоянии хотя бы приблизительно определить ее качество, степень чистоты, наличие примесей. Однако в показателях тяжелой воды большинство пользователей путается. Мало того, не все вообще знают, что это такое. При этом, тяжелая вода внешне очень похожа на обычную. Она опасна, в больших количествах может вызвать ухудшение самочувствия и даже смерть человека. Поэтому, надо иметь достаточно четкое представление о том, что такое тяжелая вода, для чего она нужна и как ее производят.

Что такое тяжелая вода

Химическая формула обычной воды — H2O. На каждый атом кислорода приходится два атома водорода. То есть, вода — это оксид водорода. Тяжелая вода — это другой вариант молекулярной связи атома кислорода с изотопом водорода, дейтерия (они соединены с атомом кислорода вместо обычных атомов водорода). Химическая формула и молекулярная структура не меняется, но физики используют другое обозначение — D2O (иногда химики, описывая схожие соединения, используют формулу 2H2O). Это вполне логично — основные потребители тяжелой воды сосредоточены в ядерных технологических системах (хотя, это не единственный способ ее применения). Им надо точно понимать, о какой именно жидкости в данном случае идет речь.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Иногда молекула состоит из комбинации, где один атом — дейтерий, а второй — обычный водород. Есть также комбинации с присутствием еще одного изотопа — трития. Однако преобладают молекулы с двумя атомами дейтерия.

Наука о существовании такого феномена узнала сравнительно недавно. Тяжелую воду впервые обнаружили в 1933 году, всего лишь через 2 года после открытия дейтерия. Ее особенности сразу заинтересовали ученых.

Тяжелая вода прозрачна и не имеет запаха, но обладает несколькими специфическими свойствами:

  • Практически полное отсутствие поглощения нейтронов;
  • На вкус тяжелая вода сладковатая;
  • Температура кипения — 101,7 °С, а замерзания — 3,8 °С;

  • Вязкость тяжелой воды составляет 1,2 сП (для сравнения, обычная вода имеет вязкость 1 сП);
  • Плотность составляет 1,1042 г/см3 (у обычной воды этот показатель равен 0,9 г/см3).

Обратите внимание! Сладковатый привкус вызван специфической реакцией вкусовых рецепторов языка на тяжелую воду. Никаких примесей, наподобие сахара или других веществ подобного типа, в жидкости нет.

Повышенная плотность и стала причиной появления термина «тяжелая вода». При этом, эффект довольно тонкий. Если налить в стакан обычную и тяжелую воду, разницу в весе почувствовать без использования специальных инструментов не удастся. Атомная масса дейтерия — 2, а протия — 1. Этим различием и обусловлен больший вес тяжелой воды.

Основным свойством тяжелой воды является отсутствие поглощения нейтронов. Атом дейтерия имеет в своем составе один нейтрон, один протон и один электрон. Это значит, что свободные нейтроны им не воспринимаются, и любые контакты с радиоактивными веществами не приводят тяжелую воду к появлению заряда. Это значит, что при контактах с любыми объемами ядерного топлива тяжелая вода сама не становится радиоактивной.

Тяжелая вода в небольших количествах есть в природе, но ее количество незначительно. При этом, найти ее в концентрированном (чистом) виде просто невозможно. Соотношение атомов дейтерия и протия в водороде примерно 1 : 7600 (один атом дейтерия к 7600 атомам протия). Соответственно, таким же образом относится к обычной количество тяжелой воды.
В чистом виде она не встречается, только как малая примесь к обычной воде. Вся тяжелая вода, используемая в технологических целях, получена специальными методами. Производство тяжелой воды в России ведется с середины XX века. Используются разные технологии, которые сменяют (точнее, дополняют) друг друга по мере их появления.
Внимание! Некоторые источники утверждают, что производить тяжелую воду в нашей стране стали недавно. Это неверно, поскольку развитие ядерных технологий требует достаточного количества всех необходимых компонентов. В частности, производство тяжелой воды велось на химкомбинате в г. Березники.

Для чего нужна тяжелая вода

Изначально применение тяжелой воды было сосредоточено в области термоядерного синтеза.Способность оставаться нейтральной к радиоактивным веществам сделала ее весьма эффективным замедлителем, способным одновременно выполнять функции теплоносителя. Она одинаково хорошо реагирует на урановые и плутониевые типы ядерного топлива.

Кроме этого, тяжелую воду используют и в других областях:

  1. Химия. Тяжелую воду часто используют в точных реакциях, когда надо гарантировать отсутствие в растворе солей.
  2. Биология. Тяжелая вода оказывает влияние на рост тканей и развитие разных видов микрофлоры. Эксперименты, произведенные в лабораториях, показали высокие перспективы использования тяжелой воды в сельском хозяйстве, растениеводстве и т. п.
  3. Военная промышленность (компонент водородной бомбы).

Сегодня тяжелую воду также используют в медицине. Ее назначают больным для прекращения размножения различных бактерий и новообразований. Например, есть методика лечения тяжелой водой онкологических заболеваний.

Еще один способ применения — детектирование нейтрино. Например, в Канаде есть специальная установка SNO, в которой содержится 1000 тонн тяжелой воды.

Внимание! Несмотря на существование разных вариантов использования тяжелой воды, основная область ее использования — ядерные реакции. Жидкость превосходно замедляет свободные нейтроны, не допуская их до ядра и снижая риск появления неуправляемой цепной реакции. Другие способы применения пока встречаются сравнительно редко.

Вред тяжелой воды

Тяжелая вода негативным образом воздействует на организм человека.При этом, уровень воздействия зависит от количества жидкости в организме человека.
Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Медики относят тяжелую воду к слаботоксичным веществам, но именно в этом и таится опасность. Поскольку ее присутствие отследить в обычной воде без специальных исследований невозможно, есть риск употребления воды с большим содержанием тяжелого компонента.
Больше всего рискуют жители средней полосы и южных регионов, где много ядерных реакторов и АЭС. Как бы внимательно работники станций ни следили за оборотом тяжелой воды, какая-то ее часть всегда попадает в почву и водоемы. Еще хуже дела обстоят с производством — здесь контроль всегда слабее, и утечки могут быть довольно высокими.

В принципе, человек спокойно может выпить стакан тяжелой воды и даже не ощутить каких-то особых изменений. Проблемы возникают при регулярном ее потреблении, когда начинается процесс клеточного накопления и частичного замещения обычной воды.
 
Например, она отрицательно воздействует на кожу и волосы (это становится заметно в первую очередь).

Основная проблема — отказ почек. Они первыми реагируют на качество жидкости. Кроме этого, серьезной проблемой становится бесплодие, как у мужчин, так и у женщин.
Результатом регулярного потребления воды с большой примесью изотопов становится потеря репродуктивной функции, часто — необратимая. Поэтому, органы СЭС в районах, близких к ядерным реакторам, внимательно следят за составом водопроводной воды.

Это важный момент, поскольку тяжелая вода в организме выполняет те же функции, что и обычная, и находится в составе клеток. Если содержание тяжелой воды в организме достигнет четверти от общего количества жидкости, возникают необратимые изменения в организме. Если же количество тяжелой и обычной воды в организме дойдет до соотношения 1:1, человек погибает.

Кроме того, при употреблении тяжелой воды отмечается расстройство вестибулярного аппарата. Во время испытаний добровольцам давали выпить по 100-200 г тяжелой воды. После этого у них некоторое время отмечался легкий сбой в ориентации, нарушения равновесия.

Это интересно! Говоря о вредных свойствах, нельзя не сказать о том, что тяжелая вода обладает и полезными качествами. Например, ее дают раз в день больным артериальной гипертензией, получая вполне удовлетворительные результаты.

Как получают тяжелую воду

Тяжелая вода требуется в самых разных областях человеческой деятельности.
Ее используют технические службы и научные организации.

Поэтому, производство ее в промышленных масштабах является важной задачей для каждого государства. При этом, производство тяжелой воды — многоступенчатая и весьма непростая процедура. Ее получают из обычной воды, которую подвергают множественным процедурам обработки разными методами.

Последовательно получают смесь со все большей концентрацией, пока не будет достигнуто нормативное значение. Технологий полного синтеза пока не существует, хотя это был бы более быстрый и не столь затратный вариант.

Для производства может быть выбрана та или иная технология. Однако, взять любую удобную методику нельзя — сначала применяются методики, требующие сравнительно низкого количества энергии, но дающие немалые потери. Когда обогащение становится достаточно высоким, чтобы потери были недопустимыми, начинают применять значительно более энергозатратные методы с малым процентом потерь.

Схема обогащения такова:

  • Электролиз. Проводится многоступенчатая сократительная обработка, при которой содержание обычной воды уменьшается, а тяжелой — остается прежним (относительно);
  • Дистилляция воды и водорода. Изначально всю тяжелую воду получали только таким путем;
  • Ректификация жидкого водорода в разных системах (вода-водород, жидкий аммиак-водород, вода-сероводород);

  • Многоступенчатый изотопный обмен обычной воды с жидкостями, содержащими водород;
  • Термодиффузия. В сосуде создают определенную температуру. Более тяжелые и медленные молекулы дейтерия скапливаются в нижней части, откуда их выводят для дальнейшей обработки.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Надо понимать, что эти процессы требуют привлечения немалых производственных мощностей и хорошего знания технологий. Поэтому, часто обогащение тяжелой воды производится на разных предприятиях — ее обрабатывают, получают полуфабрикат и отправляют на последующую обработку в другие компании или смежные предприятия профильного цикла. Для такого деления требуется четкая логистика и постоянная взаимосвязь, но получается гарантия высокого качества обработки на каждом этапе.

В последнее десятилетие в сети интернет появляются статьи и видео о появлении новых технологий. Например, есть разработки ученых РХТУ и других организаций. Работают над созданием новых методик и другие структуры. Однако найти технологию, кардинально меняющую ситуацию, пока не удалось.

В большинстве предприятий тяжелая вода пока производится с помощью научных методов, хорошо отработанных и изученных на практике. Они дают стабильный и предсказуемый результат.

Плюсы и минусы

К числу плюсов тяжелой воды следует отнести:


  • Способность оставаться нейтральной по отношению к радиоактивным материалам.
  • Отсутствие реагирования на соли (в такой воде гораздо меньше примесей, особенно минеральных).
  • Возможность прекращения или замедления вредоносных процессов в организме (тяжелая вода обладает некоторой токсичностью, но это позволяет нейтрализовать многие бактериальные заболевания).

  • Возможность показывать метаболические процессы и состояние ДНК в живых организмах.
  • Тяжелую воду довольно легко можно выделить из раствора с обычной даже в домашних условиях (обычная вода замерзает при 0 °С, а тяжелая — при 3 °С. Достаточно охладить жидкость до 102 °С, и после частичного замерзания вычерпывать образующиеся кусочки льда — это будет тяжелая вода).

Минусы:

  • Общий вред для организма.

  • Высокая стоимость.

Дороговизна тяжелой воды обусловлена технологической сложностью и высокой энергоемкостью ее производства. Технологии меняются, но существенно снизить себестоимость пока не удается. При этом, потребители тяжелой воды относятся к ее цене как к данности — в конце концов, сырье для ювелиров тоже не дешево, но это никого не останавливает.

Интересное видео по теме:

Вопросы и ответы

Рассмотрим несколько вопросов относительно назначения и методов производства тяжелой воды, возникающих у неподготовленных пользователей при первом изучении вопроса:

Возможно ли отравление тяжелой водой в обычных бытовых условиях?

Теоретически, такая возможность существует всегда. Однако на практике отравиться тяжелой водой крайне сложно — даже если она в каком-то количестве присутствует в водопроводной воде, понадобится слишком много времени. Как правило, случаи отравления связаны с производством или с потреблением воды из собственных скважин или колодцев.

Чем обусловлено малое присутствие тяжелой воды на полюсах и близких к ним регионах?

Основная причина — больший вес изотопов, из-за которого они не столь активно испаряются. В южных регионах внутренние водоемы имеют относительно высокое содержание тяжелей воды именно благодаря активному испарению обычной. Скорость такого «обогащения» в природных условиях крайне мала, но процесс длится миллионы лет, и концентрация меняется.

Насколько реально проникновение тяжелой воды в водопроводную сеть?

Если водоем или подземный пласт, из которого производится водозабор, богаты тяжелой водой, то ее появление в водопроводной воде неминуемо. Однако беспокоиться не о чем — во-первых, ее содержание мало будет отличаться от естественного фона. Во-вторых, есть санэпидстанция, которая ведет тщательный контроль за качеством питьевой воды. Если возникают проблемы, СЭС немедленно принимает все необходимые меры. Гораздо реальнее попадание какого-то количества тяжелой воды в природную среду.

Сколько времени хранится тяжелая вода?

В герметичном резервуаре ее можно хранить сколько угодно. В открытой емкости она постепенно начинает впитывать воздушный водяной пар (из-за этого некоторые ученые говорят о гигроскопичности тяжелой воды).

Можно ли определить присутствие тяжелой воды по характерному сладковатому привкусу?

Нет, это невозможно. Привкус появляется только при достаточно высокой концентрации тяжелой воды (от 70 %). Кроме того, в каждом конкретном случае это весьма субъективное ощущение — некоторые люди вообще не чувствуют никакого привкуса.