Agua pesada ( óxido de deuterio ,2
h
2O , D
2O ) es una forma de agua cuyos átomos de hidrógeno son todos deuterio (2
H o D, también conocido como hidrógeno pesado ) en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 (1
H , también llamado protio ) que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua normal. [3] La presencia del isótopo más pesado le da al agua diferentes propiedades nucleares, y el aumento de masa le da propiedades físicas y químicas ligeramente diferentes en comparación con el agua normal.
El deuterio es un isótopo pesado de hidrógeno. El agua pesada contiene átomos de deuterio y se utiliza en reactores nucleares. El agua semipesada (HDO) es más común que el agua pesada pura, mientras que el agua pesada con oxígeno es más densa pero carece de propiedades únicas. El agua tritiada es radiactiva debido al contenido de tritio .
Agua pesada ( D
2O ) tiene propiedades físicas diferentes a las del agua normal, como ser un 10,6% más densa y tener un punto de fusión más alto. El agua pesada está menos disociada a una temperatura determinada y no tiene el color ligeramente azul del agua normal. Si bien no tiene una diferencia de sabor significativa, puede tener un sabor ligeramente dulce. El agua pesada afecta los sistemas biológicos alterando las enzimas, los enlaces de hidrógeno y la división celular en los eucariotas . Puede ser letal para organismos multicelulares en concentraciones superiores al 50%. Sin embargo, algunos procariotas, como las bacterias, pueden sobrevivir en un ambiente con mucho hidrógeno. El agua pesada puede ser tóxica para los humanos, pero se necesitaría una gran cantidad para que se produzca el envenenamiento.
El agua deuterada (HDO) se produce naturalmente en el agua normal y se puede separar mediante procesos de destilación, electrólisis o intercambio químico. El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro Girdler . El agua pesada se utiliza en diversas industrias y se vende en diferentes grados de pureza. Algunas de sus aplicaciones incluyen resonancia magnética nuclear , espectroscopia infrarroja , moderación de neutrones , detección de neutrinos , pruebas de tasa metabólica, terapia de captura de neutrones y la producción de materiales radiactivos como plutonio y tritio.
El núcleo de deuterio está formado por un neutrón y un protón ; El núcleo de un átomo de protio (hidrógeno normal) está formado únicamente por un protón. El neutrón adicional hace que un átomo de deuterio pese aproximadamente el doble que un átomo de protio.
Una molécula de agua pesada tiene dos átomos de deuterio en lugar de los dos átomos de protio del agua "ligera" ordinaria. El término agua pesada, tal como lo define el Libro de Oro de la IUPAC [5], también puede referirse a agua en la que una proporción de átomos de hidrógeno superior a la habitual son deuterio. A modo de comparación, el agua de océano media estándar de Viena (el "agua ordinaria" utilizada como estándar de deuterio) contiene sólo unos 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno; es decir, el 0,0156% de los átomos de hidrógeno son 2 H. Así, el agua pesada, tal como la define el Libro de Oro, incluye agua semipesada (óxido de hidrógeno-deuterio, HDO) y otras mezclas de D
2OH
2O , y HDO en los que la proporción de deuterio es mayor de lo habitual. Por ejemplo, el agua pesada utilizada en los reactores CANDU es una mezcla de agua altamente enriquecida que es principalmente óxido de deuterio D.
2O , pero también algo de óxido de hidrógeno-deuterio y una cantidad menor de agua corriente H
2O. Está enriquecido en un 99,75% con una fracción de átomos de hidrógeno; es decir, el 99,75% de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado; sin embargo, el agua pesada en el sentido del Libro de Oro no necesita estar tan enriquecida. Sin embargo, el peso de una molécula de agua pesada no es muy diferente del de una molécula de agua normal, porque aproximadamente el 89% de la masa de la molécula proviene de un único átomo de oxígeno en lugar de dos hidrógenos.
El agua pesada no es radiactiva . En su forma pura, tiene una densidad aproximadamente un 11% mayor que la del agua, pero por lo demás es física y químicamente similar. Sin embargo, las diversas diferencias en el agua que contiene deuterio (que afectan especialmente a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto isotópico sustituido comúnmente porque el deuterio es único entre los isótopos estables pesados por ser dos veces más pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces hidrógeno-oxígeno del agua y esto, a su vez, es suficiente para provocar diferencias que son importantes para algunas reacciones bioquímicas. El cuerpo humano contiene deuterio de forma natural, equivalente a unos cinco gramos de agua pesada, que es inofensivo. Cuando una gran fracción de agua (> 50%) en los organismos superiores se reemplaza por agua pesada, el resultado es la disfunción y la muerte celular . [6]
El agua pesada se produjo por primera vez en 1932, pocos meses después del descubrimiento del deuterio. [7] Con el descubrimiento de la fisión nuclear a finales de 1938 y la necesidad de un moderador de neutrones que capturara pocos neutrones, el agua pesada se convirtió en un componente de las primeras investigaciones sobre energía nuclear . Desde entonces, el agua pesada ha sido un componente esencial en algunos tipos de reactores, tanto los que generan energía como los diseñados para producir isótopos para armas nucleares. Estos reactores de agua pesada tienen la ventaja de poder funcionar con uranio natural sin utilizar moderadores de grafito que plantean riesgos radiológicos [8] y de explosión de polvo [9] en la fase de desmantelamiento. El diseño del RBMK soviético moderado con grafito intentó evitar el uso de uranio enriquecido o agua pesada (enfriada con agua "ligera" ordinaria), lo que produjo el coeficiente de vacío positivo que fue uno de una serie de fallas en el diseño del reactor que condujeron al desastre de Chernobyl . La mayoría de los reactores modernos utilizan uranio enriquecido con agua corriente como moderador.
El agua semipesada , HDO, existe siempre que haya agua con hidrógeno ligero (protio,1
H ) y deuterio (D o2
H ) en la mezcla. Esto se debe a que los átomos de hidrógeno ( 1 H y 2 H) se intercambian rápidamente entre las moléculas de agua. Agua que contiene 50%1
H y 50%2
H en su hidrógeno, en realidad es aproximadamente 50% HDO y 25% cada uno de H
2O y D
2O , en equilibrio dinámico . En el agua normal, aproximadamente 1 molécula en 3200 es HDO (un hidrógeno en 6400 es2
H ), y moléculas de agua pesada ( D
2O ) sólo se producen en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 41 millones (es decir, una en 6.400 2 ) [ cita necesaria ] . Por tanto, las moléculas de agua semipesada son mucho más comunes que las moléculas de agua pesada "pura" (homoisotópica).
Agua enriquecida con isótopos de oxígeno más pesados.17O y18O también está disponible comercialmente. Es "agua pesada", ya que es más densa que el agua normal ( H
218
O es aproximadamente tan denso como D
2OH
217
O está aproximadamente a medio camino entre H
2O y D
2O ), pero rara vez se la llama agua pesada, ya que no contiene el exceso de deuterio que le da al D 2 O sus inusuales propiedades nucleares y biológicas. Es más caro que el D 2 O debido a la separación más difícil del 17 O y el 18 O. [10] El H 2 18 O también se utiliza para la producción de flúor-18 en radiofármacos y radiotrazadores , y en tomografía por emisión de positrones . Pequeñas cantidades de17
O y18
El O está presente de forma natural en el agua, y la mayoría de los procesos que enriquecen el agua pesada también enriquecen isótopos de oxígeno más pesados como efecto secundario. Esto no es deseable si el agua pesada se va a utilizar como moderador de neutrones en reactores nucleares, ya que17
El O puede sufrir una captura de neutrones, seguida de la emisión de una partícula alfa , produciendo radioactivos.14
C . Sin embargo, el agua doblemente marcada , que contiene oxígeno pesado e hidrógeno, es útil como trazador isotópico no radiactivo.
En comparación con el cambio isotópico de los átomos de hidrógeno, el cambio isotópico del oxígeno tiene un efecto menor sobre las propiedades físicas. [11]
El agua tritiada contiene tritio ( 3 H) en lugar de protio ( 1 H) o deuterio ( 2 H) y, como el tritio en sí es radiactivo, el agua tritiada también lo es.
Las propiedades físicas del agua y del agua pesada difieren en varios aspectos. El agua pesada está menos disociada que el agua ligera a una temperatura determinada, y la verdadera concentración de iones D + es menor que la que tendrían los iones H + para el agua ligera a la misma temperatura. Lo mismo ocurre con los iones OD − frente a OH − . Para agua pesada, Kw D 2 O (25,0 °C) = 1,35 × 10 −15 , y [D + ] debe ser igual a [OD − ] para agua neutra. Así, pKw D 2 O = p[OD − ] + p[D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 °C), y el p[D + ] del agua pesada neutra a 25,0 °C es 7,44.
El pD del agua pesada generalmente se mide usando electrodos de pH que dan un valor de pH (aparente), o pHa, y a varias temperaturas se puede estimar un pD ácido verdadero a partir del pHa medido directamente con un medidor de pH, de modo que pD+ = pHa (lectura aparente de medidor de pH) + 0,41. La corrección del electrodo para condiciones alcalinas es 0,456 para agua pesada. La corrección alcalina es entonces pD+ = pH a (lectura aparente del medidor de pH) + 0,456. Estas correcciones son ligeramente diferentes de las diferencias en p[D+] y p[OD-] de 0,44 de las correspondientes en agua pesada. [dieciséis]
El agua pesada es un 10,6% más densa que el agua ordinaria, y las propiedades físicamente diferentes del agua pesada se pueden ver sin equipo si se deja caer una muestra congelada en agua normal, ya que se hundirá. Si el agua está helada, también se puede observar la mayor temperatura de fusión del hielo pesado: se funde a 3,7 °C y, por tanto, no se derrite en agua normal helada. [17]
Un experimento de 1935 no informó la "más mínima diferencia" de sabor entre el agua corriente y la pesada. [18] Sin embargo, un estudio más reciente confirmó la observación anecdótica de que el agua pesada tiene un sabor ligeramente dulce para los humanos, con el efecto mediado por el receptor del gusto TAS1R2 / TAS1R3 . [19] Las ratas a las que se les dio a elegir entre agua normal destilada y agua pesada pudieron evitar el agua pesada basándose en el olor y puede tener un sabor diferente. [20] Algunas personas informan que los minerales en el agua afectan el sabor, por ejemplo, el potasio le da un sabor dulce al agua dura, pero hay muchos factores que influyen en el sabor percibido del agua además del contenido mineral. [21]
El agua pesada carece del característico color azul del agua ligera; Esto se debe a que los armónicos de vibración molecular , que en el agua ligera provocan una débil absorción en la parte roja del espectro visible, se desplazan al infrarrojo y, por tanto, el agua pesada no absorbe la luz roja. [22]
No se enumeran propiedades físicas para el agua semipesada "pura", porque es inestable como líquido a granel. En estado líquido, algunas moléculas de agua siempre están en estado ionizado , lo que significa que los átomos de hidrógeno pueden intercambiarse entre diferentes átomos de oxígeno. En teoría, el agua semipesada podría crearse mediante un método químico ( se necesita más explicación ) , pero se transformaría rápidamente en una mezcla dinámica de 25% de agua ligera, 25% de agua pesada y 50% de agua semipesada. Sin embargo, si se fabricara en fase gaseosa y se depositara directamente en un sólido, el agua semipesada en forma de hielo podría ser estable. Esto se debe a que las colisiones entre moléculas de vapor de agua son casi completamente insignificantes en la fase gaseosa a temperaturas estándar, y una vez cristalizadas, las colisiones entre las moléculas cesan por completo debido a la estructura reticular rígida del hielo sólido. [ cita necesaria ]
El científico estadounidense y premio Nobel Harold Urey descubrió el isótopo deuterio en 1931 y posteriormente logró concentrarlo en agua. [23] El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura mediante electrólisis en 1933. [24] George de Hevesy y Erich Hofer utilizaron agua pesada en 1934 en uno de los primeros experimentos con trazadores biológicos, para estimar la tasa de renovación. del agua en el cuerpo humano. [25] A continuación se describe la historia de la producción y el uso de agua pesada en grandes cantidades, en los primeros experimentos nucleares. [26]
Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación del agua pesada en 1934. [27]
Los diferentes isótopos de elementos químicos tienen comportamientos químicos ligeramente diferentes, pero para la mayoría de los elementos las diferencias son demasiado pequeñas para tener un efecto biológico. En el caso del hidrógeno, se producen mayores diferencias en las propiedades químicas entre el protio (hidrógeno ligero), el deuterio y el tritio , porque la energía del enlace químico depende de la masa reducida del sistema núcleo-electrón; esto se altera en compuestos de hidrógeno pesado (el óxido de hidrógeno-deuterio es la especie más común) más que en la sustitución de isótopos pesados que involucran otros elementos químicos. Los efectos isotópicos son especialmente relevantes en los sistemas biológicos, que son muy sensibles incluso a los cambios más pequeños, debido a las propiedades influenciadas isotópicamente del agua cuando actúa como disolvente.
Para realizar sus tareas, las enzimas se basan en sus redes finamente sintonizadas de enlaces de hidrógeno , tanto en el centro activo con sus sustratos, como fuera del centro activo, para estabilizar sus estructuras terciarias . Como un enlace de hidrógeno con deuterio es ligeramente más fuerte [28] que uno con hidrógeno ordinario, en un ambiente altamente deuterado, algunas reacciones normales en las células se interrumpen.
Particularmente afectados por el agua pesada son los delicados conjuntos de formaciones de huso mitótico necesarios para la división celular en eucariotas . Las plantas dejan de crecer y las semillas no germinan cuando se les da sólo agua pesada, porque el agua pesada detiene la división de las células eucariotas. [29] La célula de deuterio es más grande y es una modificación de la dirección de división. [30] [31] La membrana celular también cambia y reacciona primero al impacto del agua pesada. En 1972 se demostró que un aumento del porcentaje de deuterio en el agua reduce el crecimiento de las plantas. [32] Las investigaciones realizadas sobre el crecimiento de microorganismos procariotas en condiciones artificiales de un ambiente pesado de hidrógeno demostraron que en este ambiente, todos los átomos de hidrógeno del agua podrían ser reemplazados por deuterio. [33] [34] Los experimentos demostraron que las bacterias pueden vivir en un 98% de agua pesada. [35] Las concentraciones superiores al 50% son letales para los organismos multicelulares; sin embargo, se conocen algunas excepciones, como el pasto varilla ( Panicum virgatum ), que puede crecer con un 50% de D 2 O; [36] la planta Arabidopsis thaliana (70% D 2 O); [37] la planta Vesicularia dubyana (85% D 2 O); [38] la planta Funaria hygrometrica (90% D 2 O); [39] y las especies anhidrobióticas del nematodo Panagrolaimus superbus (casi 100% D 2 O). [40] Un estudio exhaustivo del agua pesada en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe mostró que las células mostraban un metabolismo de la glucosa alterado y un crecimiento lento en altas concentraciones de agua pesada. [41] Además, las células activaron la vía de respuesta al choque térmico y la vía de integridad celular, y los mutantes en la vía de integridad celular mostraron una mayor tolerancia al agua pesada. [41]
El agua pesada afecta el período de oscilaciones circadianas , aumentando constantemente la duración de cada ciclo. El efecto se ha demostrado en organismos unicelulares, plantas verdes, isópodos, insectos, pájaros, ratones y hámsteres. El mecanismo es desconocido. [42]
A pesar de su toxicidad en niveles elevados, también se ha observado que el agua pesada prolonga la vida útil de ciertas levaduras hasta en un 85%, siendo el mecanismo hipotético la reducción del recambio de especies reactivas de oxígeno. [43]
Experimentos con ratones, ratas y perros [44] han demostrado que un grado de deuteración del 25% provoca esterilidad (a veces irreversible), porque ni los gametos ni los cigotos pueden desarrollarse. Altas concentraciones de agua pesada (90%) matan rápidamente a peces , renacuajos , platelmintos y Drosophila . La única excepción conocida es el nematodo anhidrobiótico Panagrolaimus superbus , que es capaz de sobrevivir y reproducirse con un 99,9% de D 2 O. [40] Los mamíferos (por ejemplo, las ratas ) a los que se les da de beber agua pesada mueren después de una semana, en un momento en que sus el agua corporal se acerca a aproximadamente el 50% de deuteración. [45] El modo de muerte parece ser el mismo que en el envenenamiento citotóxico (como la quimioterapia ) o en el síndrome de radiación aguda (aunque el deuterio no es radiactivo), y se debe a la acción del deuterio al inhibir generalmente la división celular. Es más tóxico para las células malignas que para las células normales, pero las concentraciones necesarias son demasiado altas para un uso regular. [44] Como puede ocurrir en la quimioterapia, los mamíferos envenenados con deuterio mueren por una falla de la médula ósea (produciendo sangrado e infecciones) y de las funciones de la barrera intestinal (produciendo diarrea y pérdida de líquidos ).
A pesar de los problemas de las plantas y los animales al vivir con demasiado deuterio, los organismos procarióticos como las bacterias, que no tienen los problemas mitóticos inducidos por el deuterio, pueden crecer y propagarse en condiciones completamente deuteradas, lo que resulta en el reemplazo de todos los átomos de hidrógeno en el proteínas bacterianas y ADN con el isótopo de deuterio. [44] [46]
En los organismos superiores, el reemplazo total con isótopos pesados se puede lograr con otros isótopos pesados no radiactivos (como el carbono-13, el nitrógeno-15 y el oxígeno-18), pero esto no se puede hacer con el deuterio. Esto es consecuencia de la relación de masas nucleares entre los isótopos del hidrógeno, que es mucho mayor que la de cualquier otro elemento. [47]
El óxido de deuterio se utiliza para mejorar la terapia de captura de neutrones de boro , pero este efecto no depende de los efectos biológicos o químicos del deuterio, sino de la capacidad del deuterio para moderar (ralentizar) los neutrones sin capturarlos. [44]
La evidencia experimental de 2021 indica que la administración sistémica de óxido de deuterio (30 % de suplemento de agua potable) suprime el crecimiento tumoral en un modelo de ratón estándar de melanoma humano , un efecto atribuido a la inducción selectiva de la señalización del estrés celular y la expresión genética en las células tumorales. [48]
Debido a que se necesitaría una cantidad muy grande de agua pesada para reemplazar del 25% al 50% del agua corporal de un ser humano (el agua representa a su vez entre el 50% y el 75% del peso corporal [49] ) con agua pesada, el envenenamiento accidental o intencional con agua pesada Es poco probable que el agua llegue al punto de ser prácticamente ignorada. El envenenamiento requeriría que la víctima ingiera grandes cantidades de agua pesada sin una ingesta normal significativa de agua durante muchos días para producir efectos tóxicos notables.
En experimentos metabólicos en humanos se utilizan habitualmente dosis orales de agua pesada del orden de varios gramos, así como de oxígeno pesado 18 O. (Ver prueba de agua doblemente etiquetada .) Dado que uno de cada 6.400 átomos de hidrógeno es deuterio, un ser humano de 50 kilogramos (110 libras) que contenga 32 kilogramos (71 libras) de agua corporal normalmente contendría suficiente deuterio (aproximadamente 1,1 gramos o 0,039 onzas). ) para producir 5,5 gramos (0,19 oz) de agua pesada pura, por lo que aproximadamente esta dosis es necesaria para duplicar la cantidad de deuterio en el cuerpo.
Una pérdida de presión arterial puede explicar parcialmente la incidencia informada de mareos tras la ingestión de agua pesada. Sin embargo, es más probable que este síntoma pueda atribuirse a una función vestibular alterada . [50]
Aunque mucha gente asocia el agua pesada principalmente con su uso en reactores nucleares, el agua pesada pura no es radiactiva. El agua pesada de calidad comercial es ligeramente radiactiva debido a la presencia de pequeñas trazas de tritio natural , pero lo mismo ocurre con el agua corriente. El agua pesada que se ha utilizado como refrigerante en centrales nucleares contiene sustancialmente más tritio como resultado del bombardeo de neutrones del deuterio en el agua pesada (el tritio es un riesgo para la salud cuando se ingiere en grandes cantidades).
En 1990, un empleado descontento de la central nuclear de Point Lepreau en Canadá obtuvo una muestra (estimada en aproximadamente "media taza") de agua pesada del circuito primario de transporte de calor del reactor nuclear y la cargó en un dispensador de bebidas de la cafetería. . Ocho empleados bebieron parte del agua contaminada. El incidente se descubrió cuando los empleados comenzaron a dejar muestras de orina de bioensayo con niveles elevados de tritio . La cantidad de agua pesada involucrada estaba muy por debajo de los niveles que podrían inducir toxicidad por agua pesada, pero varios empleados recibieron dosis elevadas de radiación de tritio y sustancias químicas activadas por neutrones en el agua. [51] Este no fue un incidente de envenenamiento por agua pesada, sino más bien envenenamiento por radiación de otros isótopos en el agua pesada.
Algunos servicios de noticias no tuvieron cuidado en distinguir estos puntos, y parte del público se quedó con la impresión de que el agua pesada es normalmente radiactiva y más tóxica de lo que realmente es. Incluso si se hubiera usado agua pesada pura en el enfriador de agua indefinidamente, no es probable que el incidente hubiera sido detectado o causado daño, ya que no se esperaría que ningún empleado obtuviera mucho más del 25% de su agua potable diaria de dicha fuente. . [52]
En la Tierra , el agua deuterada, HDO , se encuentra naturalmente en el agua normal en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 3200. Esto significa que 1 de cada 6.400 átomos de hidrógeno en el agua es deuterio, que es 1 parte en 3.200 en peso (peso de hidrógeno). El HDO puede separarse del agua normal mediante destilación o electrólisis y también mediante diversos procesos de intercambio químico, todos los cuales aprovechan un efecto isotópico cinético , produciéndose el enriquecimiento parcial también en cuerpos de agua naturales bajo condiciones particulares de evaporación. [53] (Para obtener más información sobre la distribución isotópica del deuterio en el agua, consulte Vienna Standard Mean Ocean Water ). En teoría, el deuterio para agua pesada podría crearse en un reactor nuclear, pero la separación del agua ordinaria es el proceso de producción a granel más barato. .
La diferencia de masa entre los dos isótopos de hidrógeno se traduce en una diferencia en la energía del punto cero y, por tanto, en una ligera diferencia en la velocidad de la reacción. Una vez que el HDO se convierte en una fracción significativa del agua, el agua pesada se vuelve más frecuente ya que las moléculas de agua intercambian átomos de hidrógeno con mucha frecuencia. La producción de agua pesada pura mediante destilación o electrólisis requiere una gran cascada de alambiques o cámaras de electrólisis y consume grandes cantidades de energía, por lo que generalmente se prefieren los métodos químicos.
El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de intercambio de temperatura dual (conocido como proceso de sulfuro Girdler ) desarrollado en paralelo por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943. [54]
Un proceso alternativo, [55] patentado por Graham M. Keyser, utiliza láseres para disociar selectivamente hidrofluorocarbonos deuterados para formar fluoruro de deuterio , que luego puede separarse por medios físicos. Aunque el consumo de energía para este proceso es mucho menor que para el proceso de sulfuro Girdler, este método actualmente no es económico debido al gasto que supone adquirir los hidrofluorocarbonos necesarios.
Como se señaló, el agua pesada comercial moderna se conoce casi universalmente y se vende como óxido de deuterio. Se vende con mayor frecuencia en varios grados de pureza, desde un enriquecimiento del 98% hasta un enriquecimiento de deuterio del 99,75 al 99,98% (grado de reactor nuclear) y, en ocasiones, una pureza isotópica incluso mayor.
Argentina fue el principal productor de agua pesada, utilizando una planta de intercambio amoniaco/hidrógeno suministrada por la empresa suiza Sulzer . También fue un importante exportador a Canadá, Alemania, Estados Unidos y otros países. La planta de producción de agua pesada ubicada en Arroyito era la planta de producción de agua pesada más grande del mundo. Argentina produjo 200 toneladas cortas (180 toneladas) de agua pesada por año en 2015 utilizando el método monotérmico de intercambio isotópico amoniaco-hidrógeno . [56] [57] [58] [59] [60] Desde 2017, la planta de Arroyito no se encuentra operativa. [61]
En octubre de 1939, los físicos soviéticos Yakov Borisovich Zel'dovich y Yulii Borisovich Khariton concluyeron que el agua pesada y el carbono eran los únicos moderadores viables para un reactor de uranio natural , y en agosto de 1940, junto con Georgy Flyorov , presentaron un plan a la Academia Rusa de Las ciencias calculan que para un reactor se necesitaban 15 toneladas de agua pesada. Dado que la Unión Soviética no tenía minas de uranio en ese momento, los jóvenes trabajadores de la Academia fueron enviados a talleres fotográficos de Leningrado para comprar nitrato de uranio, pero todo el proyecto de agua pesada se detuvo en 1941 cuando las fuerzas alemanas invadieron durante la Operación Barbarroja .
En 1943, los científicos soviéticos habían descubierto que toda la literatura científica relacionada con el agua pesada había desaparecido de Occidente, sobre lo cual Flyorov advirtió en una carta al líder soviético Joseph Stalin , [62] y en ese momento solo había entre 2 y 3 kg de agua pesada. en todo el país. A finales de 1943, la comisión de compras soviética en Estados Unidos obtuvo 1 kg de agua pesada y otros 100 kg en febrero de 1945, y al finalizar la Segunda Guerra Mundial , la NKVD se hizo cargo del proyecto.
En octubre de 1946, como parte de los Alsos rusos , el NKVD deportó a la Unión Soviética desde Alemania a los científicos alemanes que habían trabajado en la producción de agua pesada durante la guerra, incluido Karl-Hermann Geib , el inventor del proceso de sulfuro de Girdler . [63] Estos científicos alemanes trabajaron bajo la supervisión del físico químico alemán Max Volmer en el Instituto de Química Física de Moscú con la planta que construyeron produciendo grandes cantidades de agua pesada en 1948. [54] [64]
Durante el Proyecto Manhattan, Estados Unidos construyó tres plantas de producción de agua pesada como parte del Proyecto P-9 en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, Virginia Occidental ; en Wabash River Ordnance Works, cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works, cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . También se adquirió agua pesada de la planta de Cominco en Trail, Columbia Británica , Canadá. El reactor experimental Chicago Pile-3 utilizó agua pesada como moderador y llegó a un estado crítico en 1944. [65] Las tres plantas de producción nacionales se cerraron en 1945 después de producir alrededor de 81,470 libras de producto. [66] La planta de Wabash reanudó la producción de agua pesada en 1952.
En 1953, Estados Unidos comenzó a utilizar agua pesada en los reactores de producción de plutonio en el sitio del río Savannah . El primero de los cinco reactores de agua pesada entró en funcionamiento en 1953, y el último se apagó por frío en 1996. Los reactores SRS eran reactores de agua pesada para que pudieran producir plutonio y tritio para el programa de armas nucleares de Estados Unidos.
Estados Unidos desarrolló el proceso de producción de intercambio químico de sulfuro Girdler , que se demostró por primera vez a gran escala en la planta de Dana, Indiana, en 1945, y en la planta de Savannah River, Carolina del Sur, en 1952. DuPont operó el SRP para el USDOE hasta el 1 de abril. 1989, cuando Westinghouse se hizo cargo.
India es uno de los mayores productores de agua pesada del mundo a través de su Heavy Water Board . [67] Exporta agua pesada a países como la República de Corea, China y los Estados Unidos. [68] [69]
En la década de 1930, Estados Unidos y la Unión Soviética sospechaban que el químico austriaco Fritz Johann Hansgirg construyó una planta piloto para el Imperio de Japón en el norte de Corea gobernada por los japoneses para producir agua pesada mediante el uso de un nuevo proceso que él había inventado. [70]
En 1934, Norsk Hydro construyó la primera planta comercial de agua pesada en Vemork , Tinn , y finalmente produjo 4 kilogramos (8,8 libras) por día. [71] Desde 1940 y durante toda la Segunda Guerra Mundial , la planta estuvo bajo control alemán y los aliados decidieron destruir la planta y su agua pesada para inhibir el desarrollo alemán de armas nucleares. A finales de 1942, una incursión planificada llamada Operación Freshman por parte de tropas aerotransportadas británicas fracasó y ambos planeadores se estrellaron. Los asaltantes murieron en el accidente o posteriormente fueron ejecutados por los alemanes.
La noche del 27 de febrero de 1943, la Operación Gunnerside tuvo éxito. Los comandos noruegos y la resistencia local lograron demoler partes pequeñas pero claves de las celdas electrolíticas, arrojando el agua pesada acumulada por los desagües de la fábrica. [72]
El 16 de noviembre de 1943, las fuerzas aéreas aliadas lanzaron más de 400 bombas sobre el lugar. El ataque aéreo aliado llevó al gobierno nazi a trasladar toda el agua pesada disponible a Alemania para su custodia. El 20 de febrero de 1944, un partisano noruego hundió el ferry M/F Hydro que transportaba agua pesada a través del lago Tinn , a costa de 14 vidas civiles noruegas, y presumiblemente la mayor parte del agua pesada se perdió. Algunos de los barriles estaban sólo medio llenos, por lo que flotaban, y es posible que hayan sido rescatados y transportados a Alemania.
Una investigación reciente de los registros de producción en Norsk Hydro y el análisis de un barril intacto que fue rescatado en 2004 revelaron que, aunque los barriles de este envío contenían agua con un pH de 14, indicativo del proceso de refinamiento electrolítico alcalino, no contenían altas concentraciones de D 2. O. [73] A pesar del tamaño aparente del envío, la cantidad total de agua pesada pura era bastante pequeña, la mayoría de los barriles sólo contenían entre un 0,5% y un 1% de agua pesada pura. Los alemanes habrían necesitado un total de unas cinco toneladas de agua pesada para poner en funcionamiento un reactor nuclear. El manifiesto indicaba claramente que sólo se transportaba media tonelada de agua pesada a Alemania. Hydro transportaba muy poca agua pesada para un reactor, y mucho menos las 10 toneladas o más necesarias para producir suficiente plutonio para un arma nuclear. [73] El programa de armas nucleares alemán estaba mucho menos avanzado que el proyecto Manhattan y ningún reactor construido en la Alemania nazi estuvo nunca cerca de alcanzar la criticidad . Ninguna cantidad de agua pesada habría cambiado eso.
Israel admitió que el reactor de Dimona funcionaba con agua pesada noruega que le vendieron en 1959. A través de la reexportación a Rumania y Alemania, la India probablemente también utilizó agua pesada noruega. [74] [75]
Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa Fosfatbolaget de Ljungaverk , Suecia, produjo 2.300 litros al año de agua pesada. Posteriormente, el agua pesada se vendió tanto a Alemania como al proyecto Manhattan en EE.UU. al precio de 1,40 coronas suecas por gramo de agua pesada. [76]
Como parte de su contribución al Proyecto Manhattan , Canadá construyó y operó una planta electrolítica de agua pesada de 1000 libras (450 kg) a 1200 libras (540 kg) por mes (capacidad de diseño) en Trail, Columbia Británica , que comenzó a operar en 1943. [77]
El diseño del reactor de potencia de Atomic Energy of Canada Limited (AECL) requiere grandes cantidades de agua pesada para actuar como moderador de neutrones y refrigerante. AECL encargó dos plantas de agua pesada, que fueron construidas y operadas en el Atlántico canadiense en Glace Bay , Nueva Escocia (por Deuterium of Canada Limited) y Point Tupper, condado de Richmond, Nueva Escocia (por Canadian General Electric). Estas plantas demostraron tener importantes problemas de diseño, construcción y producción. La planta de Glace Bay alcanzó la plena producción en 1984 después de ser adquirida por AECL en 1971. [78] La planta de Point Tupper alcanzó la plena producción en 1974 y AECL compró la planta en 1975. [79] Se llevaron a cabo cambios de diseño de la planta de Point Tupper AECL construyó la planta de agua pesada de Bruce ( 44°11′07″N 81°21′42″W / 44.1854°N 81.3618°W / 44.1854; -81.3618 (Planta de agua pesada de Bruce)) , [80 ] que luego vendió a Ontario Hydro , para garantizar un suministro confiable de agua pesada para futuras centrales eléctricas. Las dos plantas de Nueva Escocia se cerraron en 1985 cuando su producción resultó innecesaria.
La planta de agua pesada Bruce (BHWP) en Ontario era la planta de producción de agua pesada más grande del mundo, con una capacidad de 1600 toneladas por año en su punto máximo (800 toneladas por año por planta completa, dos plantas en pleno funcionamiento en su punto máximo). Utilizó el proceso de sulfuro Girdler para producir agua pesada y requirió 340.000 toneladas de agua de alimentación para producir una tonelada de agua pesada. Formaba parte de un complejo que incluía ocho reactores CANDU , que proporcionaban calor y energía a la planta de agua pesada. El sitio estaba ubicado en la estación de generación nuclear Douglas Point / Bruce cerca de Tiverton, Ontario, en el lago Hurón, donde tenía acceso a las aguas de los Grandes Lagos . [81]
AECL emitió el contrato de construcción en 1969 para la primera unidad BHWP (BHWP A). La puesta en servicio de BHWP A fue realizada por Ontario Hydro desde 1971 hasta 1973, la planta entró en servicio el 28 de junio de 1973 y la capacidad de producción de diseño se alcanzó en abril de 1974. Debido al éxito de BHWP A y la gran cantidad de agua pesada que Para la gran cantidad de próximos proyectos planificados de construcción de plantas de energía nuclear CANDU, Ontario Hydro puso en funcionamiento tres plantas adicionales de producción de agua pesada para el sitio de Bruce (BHWP B, C y D). BHWP B se puso en servicio en 1979. Estas dos primeras plantas fueron significativamente más eficientes de lo planeado, y el número de proyectos de construcción CANDU terminó siendo significativamente menor de lo planeado originalmente, lo que llevó a la cancelación de la construcción de BHWP C & D. En En 1984 se cerró la BHWP A. En 1993, Ontario Hydro había producido suficiente agua pesada para satisfacer todas sus necesidades domésticas previstas (que eran inferiores a las esperadas debido a una mayor eficiencia en el uso y reciclaje de agua pesada), por lo que cerraron y demolieron la mitad de la capacidad de BHWP B. La capacidad restante siguió funcionando para satisfacer la demanda de exportaciones de agua pesada hasta que se cerró definitivamente en 1997, después de lo cual la planta fue desmantelada gradualmente y el sitio se despejó. [82] [83]
Actualmente, AECL está investigando otros procesos más eficientes y ambientalmente benignos para crear agua pesada. Esto es relevante para los reactores CANDU, ya que el agua pesada representó alrededor del 15% al 20% del costo de capital total de cada planta CANDU en los años 1970 y 1980. [83]
Desde 1996 se está construyendo una planta para la producción de agua pesada en Khondab, cerca de Arak . [ cita necesaria ] El 26 de agosto de 2006, el presidente iraní Ahmadinejad inauguró la ampliación de la planta de agua pesada del país. Irán ha indicado que la instalación de producción de agua pesada funcionará en conjunto con un reactor de investigación de 40 MW cuya fecha de finalización está prevista para 2009. [84]
Irán produjo disolventes deuterados por primera vez a principios de 2011. [85]
Se supone que el núcleo del IR-40 se rediseñará basándose en el acuerdo nuclear de julio de 2015.
A Irán sólo se le permite almacenar 130 toneladas (140 toneladas cortas ) de agua pesada. [86] Irán exporta el exceso de producción después de exceder su asignación, lo que convierte a Irán en el tercer mayor exportador de agua pesada del mundo. [87] [88]
En 2023, Irán venderá agua pesada; Los clientes han propuesto un precio superior a los 1000 dólares por litro. [89]
En Pakistán, hay dos sitios de producción de agua pesada con sede en Punjab en Pakistán. El Complejo Nuclear de Khushab , encargado en 1997-98, es un elemento central del programa de arsenales de Pakistán para la producción de plutonio, deuterio y tritio aptos para armas para ojivas compactas avanzadas (es decir, armas termonucleares ). En Multan se encuentra otra instalación de agua pesada para producir agua pesada, que vende a las centrales nucleares de Karachi y Chashma .
A principios de la década de 1980, Pakistán logró adquirir una planta de purificación y almacenamiento de tritio y materiales precursores de deuterio y tritio de dos antiguas empresas de Alemania Oriental. [90] A diferencia de India e Irán, el agua pesada producida por Pakistán no se exporta ni está disponible para su compra por ninguna nación y se utiliza únicamente para su complejo de armas y generación de energía en sus plantas de energía nuclear locales.
Rumania producía agua pesada en la planta de sulfuro de Drobeta Girdler , actualmente fuera de servicio, para uso doméstico y de exportación. [91]
Francia operó una pequeña planta durante las décadas de 1950 y 1960. [ cita necesaria ]
El óxido de deuterio se utiliza en espectroscopia de resonancia magnética nuclear cuando se utiliza agua como disolvente si el nucleido de interés es hidrógeno. Esto se debe a que la señal de las moléculas de disolvente de agua ligera ( 1 H 2 O) interfiere con la señal de la molécula de interés disuelta en ella. El deuterio tiene un momento magnético diferente y, por lo tanto, no contribuye a la señal de 1 H-NMR en la frecuencia de resonancia del hidrógeno-1.
Para algunos experimentos, puede ser deseable identificar los hidrógenos lábiles en un compuesto, es decir, hidrógenos que pueden intercambiarse fácilmente como iones H + en algunas posiciones de una molécula. Con la adición de D 2 O, a veces denominado agitación de D 2 O , [92] se intercambian hidrógenos lábiles entre el compuesto de interés y el disolvente, lo que lleva a la sustitución de esos átomos específicos de 1 H en el compuesto por 2 H. Estas posiciones en la molécula no aparecen en el espectro 1H -NMR.
El óxido de deuterio se utiliza a menudo como fuente de deuterio para preparar isotopólogos de compuestos orgánicos específicamente marcados. Por ejemplo, los enlaces CH adyacentes a los grupos carbonilo cetónicos pueden reemplazarse por enlaces CD, utilizando catálisis ácida o básica. El yoduro de trimetilsulfoxonio , elaborado a partir de dimetilsulfóxido y yoduro de metilo , puede recristalizarse en óxido de deuterio y luego disociarse para regenerar el yoduro de metilo y el dimetilsulfóxido, ambos marcados con deuterio. En los casos en que se contemple un doble marcaje específico por deuterio y tritio, el investigador debe ser consciente de que el óxido de deuterio, dependiendo de la edad y el origen, puede contener algo de tritio.
El óxido de deuterio se utiliza a menudo en lugar de agua cuando se recopilan espectros FTIR de proteínas en solución. El H 2 O crea una banda fuerte que se superpone con la región amida I de las proteínas. La banda de D 2 O se aleja de la región de amida I.
El agua pesada se utiliza en ciertos tipos de reactores nucleares , donde actúa como moderador de neutrones para ralentizar los neutrones de modo que sean más propensos a reaccionar con el uranio fisible -235 que con el uranio-238 , que captura neutrones sin fisionarse. El reactor CANDU utiliza este diseño. El agua ligera también actúa como moderador, pero debido a que el agua ligera absorbe más neutrones que el agua pesada, los reactores que utilizan agua ligera como moderador del reactor deben utilizar uranio enriquecido en lugar de uranio natural; de lo contrario, la criticidad es imposible. Una fracción significativa de los reactores de potencia obsoletos, como los reactores RBMK en la URSS, se construyeron utilizando agua normal para refrigeración pero grafito como moderador . Sin embargo, el peligro del grafito en los reactores de potencia (los incendios de grafito condujeron en parte al desastre de Chernobyl ) ha llevado a la interrupción del grafito en los diseños de reactores estándar.
La cría y extracción de plutonio puede ser una ruta relativamente rápida y barata para construir un arma nuclear , ya que la separación química del plutonio del combustible es más fácil que la separación isotópica del U-235 del uranio natural. Entre los estados con armas nucleares actuales y pasadas , Israel, India y Corea del Norte [93] fueron los primeros en utilizar plutonio procedente de reactores moderados con agua pesada que quemaban uranio natural , mientras que China, Sudáfrica y Pakistán construyeron por primera vez armas utilizando uranio altamente enriquecido .
El programa nuclear nazi , que operaba con medios más modestos que el contemporáneo Proyecto Manhattan y obstaculizado por el exilio de muchos científicos destacados (muchos de ellos terminaron trabajando para el Proyecto Manhattan), así como por las continuas luchas internas, descartó erróneamente al grafito como un moderador por no reconocer el efecto de las impurezas. Dado que la separación de isótopos del uranio se consideró un obstáculo demasiado grande, esto dejó al agua pesada como moderador potencial. Otros problemas fueron la aversión ideológica hacia lo que la propaganda descartaba como " física judía " y la desconfianza entre aquellos que habían sido nazis entusiastas incluso antes de 1933 y aquellos que eran Mitläufer o intentaban mantener un perfil bajo. En parte debido al sabotaje aliado y a las incursiones de comandos en Norsk Hydro (entonces el mayor productor de agua pesada del mundo), así como a las luchas internas antes mencionadas, el programa nuclear alemán nunca logró reunir suficiente uranio y agua pesada en un solo lugar para alcanzar la criticidad a pesar de poseer suficiente de ambos al final de la guerra.
Sin embargo, en los EE. UU., el primer reactor atómico experimental (1942), así como los reactores de producción del Proyecto Manhattan Hanford que produjeron el plutonio para la prueba Trinity y las bombas Fat Man , utilizaron moderadores de neutrones de carbono puro (grafito) combinados con agua normal. tuberías de refrigeración. No funcionaron ni con uranio enriquecido ni con agua pesada. La producción de plutonio rusa y británica también utilizó reactores moderados por grafito.
No hay evidencia de que los reactores civiles de agua pesada, como los diseños CANDU o Atucha , se hayan utilizado para producir materiales fisionables militares. En los países que aún no poseen armas nucleares, el material nuclear en estas instalaciones está bajo las salvaguardias de la OIEA para desalentar cualquier desvío.
Debido a su potencial para su uso en programas de armas nucleares , la posesión o importación/exportación de grandes cantidades industriales de agua pesada está sujeta al control gubernamental en varios países. Los proveedores de agua pesada y tecnología de producción de agua pesada suelen aplicar salvaguardias administradas por la OIEA (Organismo Internacional de Energía Atómica) y contabilidad de materiales al agua pesada. (En Australia, la Ley de No Proliferación Nuclear (Salvaguardias) de 1987. ) En los EE.UU. y Canadá, cantidades no industriales de agua pesada (es decir, en el rango de gramos a kg) están habitualmente disponibles sin licencia especial a través de distribuidores de suministros químicos y empresas comerciales como el antiguo gran productor mundial Ontario Hydro .
El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Sudbury , Ontario , utiliza 1.000 toneladas de agua pesada prestadas por Atomic Energy of Canada Limited . El detector de neutrinos se encuentra a 2.100 m (6.800 pies) bajo tierra en una mina, para protegerlo de los muones producidos por los rayos cósmicos . SNO se construyó para responder a la pregunta de si los neutrinos de tipo electrónico producidos por la fusión en el Sol (el único tipo que el Sol debería producir directamente, según la teoría) podrían convertirse en otros tipos de neutrinos en el camino hacia Tierra. SNO detecta la radiación Cherenkov en el agua a partir de electrones de alta energía producidos a partir de neutrinos de tipo electrónico a medida que experimentan interacciones de corriente cargada (CC) con neutrones en deuterio , convirtiéndolos en protones y electrones (sin embargo, solo los electrones son lo suficientemente rápidos para producir Radiación Cherenkov para su detección).
SNO también detecta eventos de dispersión de electrones (ES) de neutrinos, donde el neutrino transfiere energía al electrón, que luego procede a generar radiación de Cherenkov distinguible de la producida por eventos CC. La primera de estas dos reacciones es producida únicamente por neutrinos de tipo electrónico, mientras que la segunda puede ser causada por todos los tipos de neutrinos. El uso de deuterio es fundamental para la función SNO, porque los tres "sabores" (tipos) de neutrinos [94] pueden detectarse también en un tercer tipo de reacción, la desintegración de neutrinos, en la que un neutrino de cualquier tipo (electrón , muón o tau) se dispersa desde un núcleo de deuterio ( deuterón ), transfiriendo suficiente energía para romper el deuterón débilmente unido en un neutrón y un protón libres mediante una interacción de corriente neutra (NC).
Este evento se detecta cuando el neutrón libre es absorbido por el 35 Cl presente en el NaCl deliberadamente disuelto en el agua pesada, provocando la emisión de los característicos rayos gamma de captura. Así, en este experimento, el agua pesada no sólo proporciona el medio transparente necesario para producir y visualizar la radiación de Cherenkov, sino que también proporciona deuterio para detectar neutrinos exóticos de tipo mu (μ) y tau (τ), así como un moderador no absorbente. medio para preservar los neutrones libres de esta reacción, hasta que puedan ser absorbidos por un isótopo activado por neutrones fácilmente detectable.
El agua pesada se emplea como parte de una mezcla con H 2 18 O para una prueba común y segura de la tasa metabólica media en humanos y animales que realizan sus actividades normales. La tasa de eliminación de deuterio por sí sola es una medida del recambio de agua corporal. Esto es muy variable entre individuos y depende de las condiciones ambientales, así como del tamaño, sexo, edad y actividad física del sujeto. [95]
El tritio es la sustancia activa en la iluminación autoalimentada y en la fusión nuclear controlada; sus otros usos incluyen la autorradiografía y el marcaje radiactivo . También se utiliza en el diseño de armas nucleares para iniciadores y armas de fisión potenciadas . El tritio sufre desintegración beta en helio-3 , que es un isótopo de helio estable, pero raro, que a su vez es muy buscado. Parte del tritio se crea en reactores moderados con agua pesada cuando el deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una sección transversal pequeña (probabilidad de un solo evento de captura de neutrones) y produce solo pequeñas cantidades de tritio, aunque suficientes para justificar la limpieza del tritio del moderador cada pocos años para reducir el riesgo ambiental de escape de tritio. Dado que el helio-3 es un veneno de neutrones con una sección transversal de captura de órdenes de magnitud mayor que cualquier componente del agua pesada o tritiada, su acumulación en un moderador de neutrones de agua pesada o en un objetivo para la producción de tritio debe mantenerse al mínimo.
Producir una gran cantidad de tritio de esta manera requeriría reactores con flujos de neutrones muy altos, o con una proporción muy alta de agua pesada con respecto al combustible nuclear y una absorción de neutrones muy baja por parte de otros materiales del reactor. Luego, el tritio tendría que recuperarse mediante separación de isótopos a partir de una cantidad mucho mayor de deuterio, a diferencia de la producción a partir de litio-6 (el método actual), donde sólo se necesita separación química.
La sección transversal de absorción del deuterio para neutrones térmicos es de 0,52 milibarn ( 5,2 × 10 −32 m 2 ; 1 granero = 10 −28 m 2 ), mientras que las del oxígeno-16 y el oxígeno-17 son 0,19 y 0,24 milibarn, respectivamente. El 17 O constituye el 0,038% del oxígeno natural , lo que hace que la sección transversal total sea de 0,28 milibares. Por lo tanto, en D 2 O con oxígeno natural, el 21% de las capturas de neutrones se realizan en oxígeno, y aumenta a medida que se acumula 17 O a partir de la captura de neutrones en 16 O. Además, el 17 O puede emitir una partícula alfa en la captura de neutrones, produciendo carbono radiactivo. 14 .
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace )El agua pesada es incolora porque todas sus transiciones vibratorias correspondientes se desplazan a energías más bajas (longitudes de onda más altas) debido al aumento de la masa del isótopo.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )utilizado en la terapia de captura de neutrones de boro... El D
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O es más tóxico para las células animales malignas que las normales... Los protozoos son capaces de soportar hasta un 70% de D
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O. Las algas y las bacterias pueden adaptarse para crecer en un 100%. D2O
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