Hvordan separerer man Deuterium? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvordan separerer man ...

05. juni 2015

Hvordan separerer man Deuterium?

Hej Spørg om Fysik
I øjeblikket kører der en serie på TV-2 med titlen”Kampen om det tunge vand”, hvor norske modstandsfolk forhindrer Hitler-Tyskland i at få det tunge vand, som fremstilles på Rykan værket. Eller separerer er vel et rigtigere udtryk.

Som jeg har forstået indholder alt vand en procentdel Deuterium. Men hvordan separerer man Deuterium? Da Deuterium har større vægtfylde end almindeligt vand, burde det vel kunne separeres med centrifuger, men det ser ikke ud til, at det var sådan man gjorde på Rykan-værket.

Med venlig hilsen
L H

Grundstoffernes kerner indeholder protoner og neutroner. Når atommassen bliver større bliver der forholdsvis flere og flere neutroner. F.eks. Uran med kernemassen 238 (almindeligt Uran) har 92 protoner og 146 neutroner.

Vemork, Tinn havde Norsk Hydro et anlæg, rørene der kommer ned til værket er fra resovoiret og er flere meter i diameter

Ud over det, viser det sig, at hvis man måler massen af et atom, er denne mindre end summen af protonmasserne, neutronmasserne og elektronmasserne. Dette kaldes massedefekten og betegnes med Δm. Omsættes Δm til energi sker det med Einsteins formel E = Δm * c2,  hvor E er energien og c lyshastigheden.

Fission

Fission er spaltning af en tung atomkerne til flere lettere atomkerner. Det kan ske naturligt i naturen, men kan for en række stoffer fremkaldes ved at atomet beskydes med en neutron.

Norsk Hydros tungtvandsanlæg

For flere stoffers vedkommende frigøres der ikke kun lettere kerner og energi, men også et antal neutroner. Disse neutroner er det man kalder hurtige neutroner. Deres hastighed er i omegnen af 2/3 af lyshastigheden.

Rammer en sådan neutron en 23892U kerne, kan der ske det, at den optages i kernen, og overskudsenergien kommer ud som en gammakvant, eller at der udsendes en ny elektron med lavere energi og et gammakvant, eller at atomet fissionerer, går i flere stykker, og der kommer stor energiafgivelse fra massedefekten.

Tegning af den første atomreaktor i Chikago

Det viser sig, at dette sidste oftere sker for Uran-238, når neutronerne er langsomme. Man kalder det termiske neutroner.

23592U som er 0,71 % af det naturlige Uran fissionerer med såvel hurtige som langsomme neutroner. Det gælder også 23994Pu, plutonium, som kan fremstilles på en atomreaktor.

Hvis 23892U skal fissionere, skal det rammes af langsomme neutroner.

Der kommer omkring 3 neutroner (i gennemsnit 2,4) ud af hver fission. Dette danner grundlaget for det, man kalder en forgrenet kædereaktion. Hvis de tre neutroner rammer hvert sit uranatom og fissionere dem, har man pludseligt 9 neutroner og antallet stiger med voldsom fart indtil Uranet eller plutoniummet er brugt op, og der frigøres store energier, det er atombomben.

De ca. 440 kernekraftværker i verden

Atomreaktoren

Der er tale om samme proces, men her vil man gøre det kontrolleret til et stabilt niveau. Reaktoren kan indeholde noget af de to uranisotoper eller plutonium. Desuden har man en moderator udenom (det er den det hele drejer sig om) samt kontrolstænger, som mekanisk kan føres ind og ud og som opsuger neutroner ofte Cadmium, Bor, Indium eller sølv som optager neutroner.

Atomskib (George Washington)

Sænkning af neutronhastigheden med moderatorer

Når Uran-238 fissionerer udsendes hurtige neutroner, det giver en lille sandsynlighed for en ny fission. For at få neutronhastigheden ned, anvender man en moderator, og det kan være vand. Når neutronen støder ind i noget med omtrent samme masse, går den næsten helt i stå, ligesom billardboldene når de rammer hinanden centralt, hvor den oprindelige bold ligger næsten stille. Desværre absorberer almindeligt vand en del neutroner.

Tjernobyl

Tungt vand, hvor brinten er deuterium, bremser godt og absorberer næsten ikke neutroner (260 gange mindre end vand), så det er en ideel moderator (tungt vand, eller vand lavet på den endnu tungere brintisotop Tritium har uheldige konsekvenser i biologisk henseende, så det skal behandles som en miljøgift).

Det var på basis af tungt vand, at tyskerne (Werner Heisenberg), ville drive deres reaktor under krigen se spørgsmålet: 2. verdenskrig og tungt vand >>

Man kan også bruge grafit som moderator. Det var det man anvendte i verdens første atomreaktor i 1942, som lå under Amos Alonzo Stagg Field (fodboldstadion midt i Chicago), og som var konstrueret under ledelse af Enrico Fermi (I, US, 1901 –1954).

Forskellige slags reaktorer

Tjernobyl reaktoren var af tilsvarende type. Her gennemførte en operatør et eksperiment, som han ikke havde tilladelse til, og der skete en nedsmeltning af en af de fire reaktorer.

The Bruce Heavy Water Plant i Ontario Canada

Der er i dag udviklet flere systemer: Trykvandsreaktor, kogende vands reaktor, tungtvandsreaktoren (her er Canada førende), og en række reaktorer som er svære at håndtere, som kaldes hurtige reaktorer og formeringsreaktorer, som kan fremstille energi og mere stof, der kan bruges til nye reaktorer.

Reaktorer med almindeligt vand kræver, at man bruger beriget Uran, dvs. Uran hvor en væsentlig større procentdel er Uram-235. Konstruktion og brug af reaktorer afhænger også af, om man ønsker at konstruere kernevåben eller kun energi. Der er ca. 440 fastliggende kernekraftværker fordelt på 18 lande i verden, dertil kommer et antal krigsskibe drevet af kernekraft (mest U-både og hangarskibe). Se også: Er Thorium-reaktorer den rigtige løsning? >>

Det Japanske Fukushima kraftværk før ødelæggelsen

Hvad er forskellen på tungt vand og almindeligt vand?

Tungt vand afviger fra almindeligt vand ved en række egenskaber. Det indgår bl.a. ikke biologisk i organismen på samme måde som almindeligt vand, og de fleste organismer kan ikke leve, hvis de kun har tungt vand til rådighed.

Forskelle for tungt vand gælder: (almindeligt vand i parentes). Frysepunkt 3,82 ̽C (0 ̽C), kogepunkt 101,4 ̽C (100 ̽C), Densitet 1105,6 kg/m2 (0,9982), maksimums densitet 11,6 ̽C (3,98 ̽C), smeltevarme 6,132 kJ/mol (6,00678), fordampningsvarme 41,521 kJ/mol (40,657), og der er flere andre forskelle.

Det kan koncentreres ved elektrolyse, destillation, en række kemiske processer. I Norge, Vemork, Tinn havde Norsk Hydro et anlæg, som fra trediverne kunne producere 12 tons tungt vand pr. år. Den største producent i dag er The Bruce Heavy Water Plant i Ontario Canada som producerer 700 tons pr. år. Tallene er ikke opgivet, men verdens produktionen er måske imellem 1000 og 2000 tons pr. år.

Atomreaktor set ovenfra

Lande der producerer tungt vand

Der produceres i dag tungt vand i det mindste i: Rusland, USA, Indien (7 produktionssteder, en af verdens største producenter), Norge, Canada (verdens største producent). Iran, Pakistan, Argentina, Rumænien og Frankrig (nok også antageligt Kina, Israel og Nordkorea). Der anvendes forskellige processer, men mest kemiske processer og vakuum destillation. Det er 1 vandmolekyle af hver 6000 der kun indeholder Deuterium, så det er en besværlig proces. Prisen ligger omkring 1000 US$ pr. liter for 99,96 % rent tungt vand.

Konkret til spørgsmålet

Der er sikkert stater som bruger centrifuger, det er imidlertidigt meget store mængder af vand der skal behandles, men alle de forskelle der er nævnt, kan alle bruges til separation. Den almindeligste metode i dag er tilsyneladende en kemisk metode, som hedder: Girdler sulfid proces. Der anvendes også destillation samt smeltning og frysning. I Rjukan i Norge var det elektrolyse (det er et jo værk som producerer strøm).

Med venlig hilsen
Malte Olsen