Agua pesada ( óxido de deuterio ,2
yo
2O , D
2O ) es una forma de agua en la que los átomos de hidrógeno son todos deuterio (2
H o D, también conocido como hidrógeno pesado ) en lugar del isótopo común 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 propiedades nucleares diferentes, 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 del 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 .
El agua pesada 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 significativa en el sabor, puede tener un sabor ligeramente dulce. El agua pesada afecta los sistemas biológicos al alterar las enzimas, los enlaces de hidrógeno y la división celular en los eucariotas . Puede ser letal para los organismos multicelulares en concentraciones superiores al 50 %. Sin embargo, algunos procariotas , como las bacterias, pueden sobrevivir en un entorno con mucho hidrógeno. El agua pesada puede ser tóxica para los humanos, pero se necesitaría una gran cantidad para que se produjera un envenenamiento.
El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de Girdler . El agua pesada se utiliza en diversas industrias y se vende en diferentes grados de pureza. Algunas de sus aplicaciones incluyen la resonancia magnética nuclear , la espectroscopia infrarroja , la moderación de neutrones , la detección de neutrinos , las pruebas de tasa metabólica, la terapia de captura de neutrones y la producción de materiales radiactivos como el plutonio y el 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 sea aproximadamente el doble de pesado 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 ordinaria. El término agua pesada, tal como se define en el Libro de Oro de la IUPAC [5], también puede referirse al agua en la que una proporción mayor de lo habitual de átomos de hidrógeno son deuterio. A modo de comparación, el agua oceánica media estándar de Viena (el "agua ordinaria" utilizada para un estándar de deuterio) contiene alrededor de 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno; es decir, el 0,0156 % de los átomos de hidrógeno son 2 H. Por lo tanto, el agua pesada, tal como se define en el Libro de Oro, incluye agua semipesada (óxido de hidrógeno y 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 y deuterio y una cantidad menor de agua ordinaria H
2O . Está enriquecida en un 99,75% por la 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 altamente 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 del átomo de oxígeno único en lugar de los dos hidrógenos.
El agua pesada no es radiactiva . En su forma pura, tiene una densidad aproximadamente un 11% mayor que el agua, pero por lo demás es física y químicamente similar. Sin embargo, las diversas diferencias en el agua que contiene deuterio (especialmente las que afectan a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto de sustitución de isótopos que se encuentra comúnmente porque el deuterio es único entre los isótopos estables pesados al ser dos veces más pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces de hidrógeno-oxígeno del agua, y esto a su vez es suficiente para causar 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 inofensiva. Cuando una gran fracción de agua (> 50%) en organismos superiores es reemplazada por agua pesada, el resultado es disfunción celular y muerte. [6]
El agua pesada se produjo por primera vez en 1932, unos 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 la investigación temprana de la 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 peligros radiológicos [8] y de explosión de polvo [9] en la fase de desmantelamiento. El diseño soviético RBMK moderado con grafito intentó evitar el uso de uranio enriquecido o agua pesada (siendo enfriado con agua ordinaria en su lugar) que produjo el coeficiente de vacío positivo que fue uno de una serie de fallas en el diseño de reactores que llevaron al desastre de Chernóbil . La mayoría de los reactores modernos utilizan uranio enriquecido con agua ordinaria 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. El agua que contiene 50%1
H y 50%2
H en su hidrógeno, es en realidad aproximadamente 50% HDO y 25% cada uno de H
2O y D
2O , en equilibrio dinámico . En el agua normal, aproximadamente 1 molécula de cada 3200 es HDO (un hidrógeno de cada 6400 es2
H ) y moléculas de agua pesada ( D
2O ) sólo se presenta en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 41 millones (es decir, una en 6.400 2 ) [ cita requerida ] . Por lo 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 pesados17O y18
El O también está disponible comercialmente. Es "agua pesada" porque 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 le llama agua pesada, ya que no contiene el exceso de deuterio que le da al D 2 O sus propiedades nucleares y biológicas inusuales. Es más caro que el D 2 O debido a la separación más difícil de 17 O y 18 O. [10] El H 2 18 O también se utiliza para la producción de flúor-18 en radiofármacos y radiotrazadores , y 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 de enriquecimiento de agua pesada también enriquecen los isótopos más pesados del oxígeno como efecto secundario. Esto es indeseable 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 radiactividad.14
C. Sin embargo, el agua doblemente marcada , que contiene tanto oxígeno pesado como 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 en las propiedades físicas. [11]
El agua tritiada contiene tritio ( 3H ) en lugar de protio ( 1H ) o deuterio ( 2H ). Como el tritio 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 concentración real 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 los iones OH− . Para el agua pesada, Kw D2O ( 25,0 °C) = 1,35 × 10−15 , y [D + ] debe ser igual a [OD− ] para el agua neutra. Por lo tanto, pKw D2O = 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 se mide generalmente utilizando 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 el medidor de pH, de modo que pD+ = pHa (lectura aparente del 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. [16]
El agua pesada es un 10,6 % más densa que el agua normal, y las propiedades físicas diferentes del agua pesada se pueden ver sin equipo si una muestra congelada se deja caer en agua normal, ya que se hundirá. Si el agua está helada, también se puede observar la temperatura de fusión más alta del hielo pesado: se derrite a 3,7 °C y, por lo tanto, no se derrite en agua normal helada. [17]
Un experimento de 1935 no informó la "más mínima diferencia" en el sabor entre el agua común y el agua 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 la opción de 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 en el agua además del contenido mineral. [21]
El agua pesada carece del color azul característico del agua ligera; esto se debe a que los armónicos de vibración molecular , que en el agua ligera causan una absorción débil en la parte roja del espectro visible, se desplazan hacia el infrarrojo y, por lo tanto, el agua pesada no absorbe la luz roja. [22]
No se enumeran las propiedades físicas del agua semipesada "pura" porque es inestable como líquido a granel. En el estado líquido, unas pocas moléculas de agua están siempre en estado ionizado , lo que significa que los átomos de hidrógeno pueden intercambiarse entre diferentes átomos de oxígeno. El agua semipesada podría, en teoría, 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 creara 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 las 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 requerida ]
El científico estadounidense y premio Nobel Harold Urey descubrió el isótopo deuterio en 1931 y más tarde fue capaz de concentrarlo en agua. [23] El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura por 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] La historia de la producción y el uso de agua pesada en grandes cantidades, en los primeros experimentos nucleares, se describe a continuación. [26]
Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación del agua pesada en 1934. [27]
En la década de 1930, Estados Unidos y la Unión Soviética sospecharon que el químico austríaco Fritz Johann Hansgirg había construido una planta piloto para el Imperio del Japón en el norte de Corea, gobernado por los japoneses, para producir agua pesada utilizando un nuevo proceso que había inventado. [28]
Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa Fosfatbolaget de Ljungaverk (Suecia) produjo 2.300 litros de agua pesada al año, que luego se vendió a Alemania y al Proyecto Manhattan por un precio de 1,40 coronas suecas por gramo de agua pesada. [29]
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 factibles para un reactor de uranio natural , y en agosto de 1940, junto con Georgy Flyorov , presentaron un plan a la Academia Rusa de Ciencias calculando que se necesitaban 15 toneladas de agua pesada para un reactor. Como la Unión Soviética no tenía minas de uranio en ese momento, los jóvenes trabajadores de la Academia fueron enviados a tiendas fotográficas 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 descubrieron que toda la literatura científica relacionada con el agua pesada había desaparecido de Occidente, algo de lo que Flyorov advirtió en una carta al líder soviético Joseph Stalin [30] , y en ese momento solo había entre 2 y 3 kg de agua pesada en todo el país. A fines de 1943, la comisión de compras soviética en los EE. UU. 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 la Alsos rusa , la 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 . [31] Estos científicos alemanes trabajaron bajo la supervisión del químico físico alemán Max Volmer en el Instituto de Química Física de Moscú con la planta que construyeron produciendo grandes cantidades de agua pesada en 1948. [32] [33]
Los distintos isótopos de los elementos químicos tienen comportamientos químicos ligeramente diferentes, pero para la mayoría de los elementos las diferencias son demasiado pequeñas como para tener un efecto biológico. En el caso del hidrógeno, las diferencias más grandes en las propiedades químicas entre el protio, el deuterio y el tritio se producen porque la energía del enlace químico depende de la masa reducida del sistema núcleo-electrón; esto se altera en los compuestos de hidrógeno pesado (el óxido de hidrógeno-deuterio es el más común) más que en la sustitución de isótopos pesados que involucra a otros elementos químicos. Los efectos de los isótopos 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 dependen de sus redes finamente ajustadas 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 [34] que uno que involucra hidrógeno ordinario, en un entorno altamente deuterado, se alteran algunas reacciones normales en las células.
Los delicados conjuntos de formaciones del huso mitótico necesarios para la división celular en eucariotas se ven especialmente afectados por el agua pesada . Las plantas dejan de crecer y las semillas no germinan cuando se les da solo agua pesada, porque el agua pesada detiene la división celular eucariota. [35] El tabaco no germina, pero el trigo sí. [36] La célula de deuterio es más grande y es una modificación de la dirección de la división. [37] [38] La membrana celular también cambia, y reacciona primero al impacto del agua pesada. En 1972, se demostró que un aumento en el porcentaje de deuterio en el agua reduce el crecimiento de las plantas. [39] Las investigaciones realizadas sobre el crecimiento de microorganismos procariotas en condiciones artificiales de un entorno de hidrógeno pesado mostraron que en este entorno, todos los átomos de hidrógeno del agua podrían reemplazarse con deuterio. [40] [41] Los experimentos mostraron que las bacterias pueden vivir en un 98% de agua pesada. [42] Concentraciones superiores al 50% son letales para los organismos multicelulares, pero se conocen algunas excepciones: especies de plantas como el pasto varilla ( Panicum virgatum ) que puede crecer con 50% de D2O ; [ 43] Arabidopsis thaliana (70% de D2O ) ; [44] Vesicularia dubyana (85% de D2O ); [45] Funaria hygrometrica (90% de D2O ) ; [46] y la especie anhidrobiótica de nematodo Panagrolaimus superbus (casi 100% de D2O ) . [47]
Un estudio exhaustivo del agua pesada en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe mostró que las células mostraron un metabolismo de glucosa alterado y un crecimiento lento en altas concentraciones de agua pesada. [48] 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. [48] A pesar de su toxicidad en niveles altos, se ha observado que el agua pesada extiende la vida útil de ciertas levaduras hasta en un 85%, y el mecanismo hipotético es la reducción del recambio de especies reactivas de oxígeno. [49]
El agua pesada afecta el período de oscilaciones circadianas , aumentando de manera constante la duración de cada ciclo. El efecto se ha demostrado en organismos unicelulares, plantas verdes, isópodos, insectos, pájaros, ratones y hámsteres. Se desconoce el mecanismo. [50]
Al igual que el etanol, el agua pesada cambia temporalmente la densidad relativa de la cúpula en relación con la endolinfa en el órgano vestibular, lo que provoca nistagmo posicional , ilusiones de rotaciones corporales, mareos y náuseas. Sin embargo, la dirección del nistagmo es opuesta a la del etanol, ya que es más denso que el agua, no más ligero. [51]
Experimentos con ratones, ratas y perros [52] han demostrado que un grado de deuteración del 25% causa 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 . Los ratones criados desde el nacimiento con 30% de agua pesada tienen un 25% de deuteración en el líquido corporal y un 10% en el cerebro. Son normales excepto por la esterilidad. La deuteración durante el embarazo induce anomalías fetales. Una mayor deuteración en el líquido corporal causa la muerte. [53] Los mamíferos (por ejemplo, ratas) a los que se les da agua pesada para beber mueren después de una semana, en un momento en que el agua de su cuerpo se acerca a aproximadamente el 50% de deuteración. [54] 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 es causado por la acción del deuterio en general inhibiendo la división celular. Es más tóxico para las células malignas que para las células normales, pero las concentraciones necesarias son demasiado altas para su uso regular. [52] Como puede ocurrir en la quimioterapia, los mamíferos envenenados con deuterio mueren por un fallo 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 que tienen las plantas y los animales al vivir con demasiado deuterio, los organismos procariotas como las bacterias, que no tienen los problemas mitóticos inducidos por el deuterio, pueden cultivarse y propagarse en condiciones completamente deuteradas, lo que da como resultado la sustitución de todos los átomos de hidrógeno en las proteínas bacterianas y el ADN por el isótopo deuterio. [52] [55] Esto conduce a un proceso de arranque . Con los procariotas produciendo glucosa completamente deuterada, se criaron Escherichia coli y Torula completamente deuteradas , y pudieron producir sustancias químicas completamente deuteradas aún más complejas. Los mohos como Aspergillus no pudieron replicarse en condiciones completamente deuteradas. [53]
En los organismos superiores, la sustitución completa de isótopos pesados puede lograrse con otros isótopos pesados no radiactivos (como el carbono-13, el nitrógeno-15 y el oxígeno-18), pero esto no puede hacerse con el deuterio. Esto es una consecuencia de la relación de masas nucleares entre los isótopos del hidrógeno, que es mucho mayor que para cualquier otro elemento. [56]
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. [52] La evidencia experimental de 2021 indica que la administración sistémica de óxido de deuterio (suplementación con agua potable al 30%) 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. [57]
Dado que se necesitaría una cantidad muy grande de agua pesada para reemplazar entre el 25% y el 50% del agua corporal de un ser humano (el agua, a su vez, constituye el 50-75% del peso corporal [58] ), es poco probable que se produzca un envenenamiento accidental o intencional con agua pesada hasta el punto de que prácticamente no se le dé importancia. 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 los experimentos metabólicos humanos se utilizan rutinariamente dosis orales de agua pesada en el rango de varios gramos, así como oxígeno pesado 18 O. (Véase prueba de agua doblemente marcada .) Dado que uno de cada 6.400 átomos de hidrógeno es deuterio, un humano de 50 kilogramos (110 libras) que contenga 32 kilogramos (71 libras) de agua corporal normalmente contendría suficiente deuterio (alrededor de 1,1 gramos o 0,039 onzas) para producir 5,5 gramos (0,19 onzas) de agua pesada pura, por lo que aproximadamente esta dosis es necesaria para duplicar la cantidad de deuterio en el cuerpo.
La pérdida de presión arterial puede explicar parcialmente la incidencia de mareos tras la ingestión de agua pesada. Sin embargo, es más probable que este síntoma se pueda atribuir a una alteración de la función vestibular . El agua pesada, al igual que el etanol, provoca una diferencia temporal en la densidad de la cúpula y la endolinfa, lo que confunde el reflejo vestíbulo-ocular y provoca síntomas de mareo. [59]
Aunque muchas personas asocian 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 trazas diminutas de tritio natural, pero lo mismo sucede con el agua común. El agua pesada que se ha utilizado como refrigerante en plantas de energía nuclear 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 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. [60] Este no fue un incidente de envenenamiento por agua pesada, sino más bien de envenenamiento por radiación de otros isótopos en el agua pesada.
Algunos servicios de noticias no tuvieron cuidado de distinguir estos puntos, y parte del público se quedó con la impresión de que el agua pesada normalmente es radiactiva y más tóxica de lo que es en realidad. Incluso si se hubiera utilizado agua pesada pura en el enfriador de agua indefinidamente, no es probable que el incidente se hubiera detectado o causado daños, ya que no se esperaría que ningún empleado obtuviera mucho más del 25% de su agua potable diaria de una fuente de ese tipo. [61]
El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de intercambio de temperatura dual (conocido como el proceso de sulfuro de Girdler ) desarrollado en paralelo por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943. [32] Un proceso alternativo, [62] patentado por Graham M. Keyser, utiliza láseres para disociar selectivamente hidrofluorocarbonos deuterados para formar fluoruro de deuterio , que luego se puede separar por medios físicos. Aunque el consumo de energía para este proceso es mucho menor que para el proceso de sulfuro de Girdler, este método actualmente es antieconómico debido al gasto de adquisición de los hidrofluorocarbonos necesarios.
Como se ha señalado, el agua pesada comercial moderna se conoce casi universalmente como óxido de deuterio y se vende con distintos grados de pureza, desde el enriquecimiento del 98 % hasta el enriquecimiento del 99,75-99,98 % en deuterio (grado de reactor nuclear) y, ocasionalmente, incluso con una pureza isotópica superior.
Argentina fue el principal productor de agua pesada, utilizando una planta basada en 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 fue la instalación 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 de intercambio isotópico monotérmico amoniaco-hidrógeno . [63] [64] [65] [66] [67] Desde 2017, la planta de Arroyito no ha estado operativa. [68]
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 alcanzó su estado crítico en 1944. [69] Las tres plantas de producción domésticas se cerraron en 1945 después de producir alrededor de 81.470 lb (36.950 kg) de producto. [70] 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 emplazamiento de Savannah River . El primero de los cinco reactores de agua pesada entró en funcionamiento en 1953 y el último se puso en parada en frío en 1996. Los reactores eran de agua pesada para poder producir tanto plutonio como tritio para el programa de armas nucleares de Estados Unidos.
Estados Unidos desarrolló el proceso de producción de intercambio químico de sulfuro de Girdler , que se demostró por primera vez a gran escala en la planta de Dana, Indiana, en 1945 y en el sitio de Savannah River en 1952.
La India es uno de los mayores productores de agua pesada del mundo a través de su Junta de Agua Pesada . [71] Exporta agua pesada a países como la República de Corea, China y los Estados Unidos. [72] [73]
En 1934, Norsk Hydro construyó la primera planta comercial de agua pesada en Vemork , Tinn , que llegó a producir 4 kilogramos (8,8 libras) por día. [74] 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 fines 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.
En 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, vertiendo el agua pesada acumulada por los desagües de la fábrica. [75]
El 16 de noviembre de 1943, las fuerzas aéreas aliadas lanzaron más de 400 bombas sobre el lugar. El ataque aéreo aliado impulsó 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 transbordador M/F Hydro que transportaba agua pesada a través del lago Tinn , lo que costó la vida a 14 civiles noruegos, y se presume que la mayor parte del agua pesada se perdió. Algunos de los barriles estaban solo medio llenos, por lo que flotaban, y es posible que se hayan recuperado y transportado a Alemania.
Una investigación reciente de los registros de producción de 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 D2O . [ 76] A pesar del tamaño aparente del envío, la cantidad total de agua pesada pura era bastante pequeña; la mayoría de los barriles solo contenían entre un 0,5 y un 1 % de agua pesada pura. Los alemanes habrían necesitado unas 5 toneladas de agua pesada para poner en funcionamiento un reactor nuclear. El manifiesto indicaba claramente que solo se transportaba media tonelada de agua pesada a Alemania. Hydro transportaba muy poca agua pesada para un reactor, y mucho menos las 10 o más toneladas necesarias para fabricar suficiente plutonio para un arma nuclear. [76] El programa de armas nucleares alemán estaba mucho menos avanzado que el Proyecto Manhattan, y ningún reactor construido en la Alemania nazi estuvo cerca de alcanzar la criticidad . Ninguna cantidad de agua pesada habría cambiado eso.
Israel admitió haber utilizado el reactor de Dimona con agua pesada noruega que le había sido vendida en 1959. Es probable que la India también haya utilizado agua pesada noruega a través de la reexportación a través de Rumania y Alemania. [77] [78]
Como parte de su contribución al Proyecto Manhattan, Canadá construyó y operó una planta electrolítica de agua pesada de 1.000 a 1.200 libras (450 a 540 kg) por mes (capacidad de diseño) en Trail, Columbia Británica , que comenzó a operar en 1943. [79]
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 se construyeron y operaron en la región atlántica de Canadá , 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 su plena producción en 1984 después de ser adquirida por AECL en 1971. [80] La planta de Point Tupper alcanzó su plena producción en 1974 y AECL compró la planta en 1975. [81] Los cambios de diseño de la planta de Point Tupper se llevaron a cabo mientras AECL construía la Planta de Agua Pesada Bruce ( 44°11′07″N 81°21′42″O / 44.1854, -81.3618 (Planta de Agua Pesada Bruce) ), [82] que luego vendió a Ontario Hydro , para asegurar un suministro confiable de agua pesada para futuras plantas de energía. Las dos plantas de Nueva Escocia se cerraron en 1985 cuando su producción resultó innecesaria.
La planta de agua pesada Bruce (BHWP) en Ontario fue 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 completamente operativas en su punto máximo). Utilizaba el proceso de sulfuro de Girdler para producir agua pesada y requería 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 Douglas Point / Bruce Nuclear Generating Station cerca de Tiverton, Ontario, en el lago Huron , donde tenía acceso a las aguas de los Grandes Lagos . [83]
En 1969, AECL emitió el contrato de construcción para la primera unidad BHWP (BHWP A). La puesta en servicio de BHWP A estuvo a cargo de Ontario Hydro desde 1971 hasta 1973, y la planta entró en servicio el 28 de junio de 1973, alcanzando la capacidad de producción de diseño en abril de 1974. Debido al éxito de BHWP A y a la gran cantidad de agua pesada que se requeriría para la gran cantidad de proyectos de construcción de plantas nucleares CANDU planificados en el futuro, Ontario Hydro puso en servicio tres plantas de producción de agua pesada adicionales 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 que el planificado originalmente, lo que llevó a la cancelación de la construcción de BHWP C y D. En 1984, BHWP A se cerró. En 1993, Ontario Hydro había producido suficiente agua pesada para satisfacer todas sus necesidades domésticas previstas (que eran menores de lo esperado debido a una mayor eficiencia en el uso y reciclaje del agua pesada), por lo que cerró y demolió la mitad de la capacidad de BHWP B. La capacidad restante continuó funcionando para satisfacer la demanda de exportaciones de agua pesada hasta que se cerró de forma permanente en 1997, después de lo cual la planta se desmanteló gradualmente y el sitio se limpió. [84] [85]
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 15-20% del costo total de capital de cada planta CANDU en los años 1970 y 1980. [85]
Desde 1996 se ha construido una planta de producción de agua pesada en Khondab, cerca de Arak . [ cita requerida ] 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 tándem con un reactor de investigación de 40 MW cuya finalización estaba prevista para 2009. [86] Irán produjo disolventes deuterados a principios de 2011 por primera vez. [87] Se supone que el núcleo del IR-40 será rediseñado en base al acuerdo nuclear en julio de 2015.
A Irán se le permite almacenar solo 130 toneladas (140 toneladas cortas ) de agua pesada. [88] Irán exporta el exceso de producción, lo que lo convierte en el tercer mayor exportador mundial de agua pesada. [89] [90] En 2023, Irán vende agua pesada; los clientes han propuesto un precio de más de 1.000 dólares por litro. [91]
En Pakistán, hay dos plantas de producción de agua pesada que se encuentran en Punjab . El complejo nuclear de Khushab , puesto en funcionamiento en 1995-96, es un elemento central del programa de almacenamiento de Pakistán para la producción de plutonio, deuterio y tritio aptos para armas nucleares, destinados a ojivas compactas avanzadas (es decir, armas termonucleares ). Otra instalación de agua pesada para producir agua pesada se encuentra en Multan y se vende a las centrales nucleares de Karachi y Chashma .
A principios de los años 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 del Este. [92] A diferencia de India e Irán, el agua pesada producida por Pakistán no se exporta ni está disponible para su compra a ninguna nación y se utiliza únicamente para su complejo de armas y la generación de energía en sus plantas de energía nuclear locales.
Rumania produjo agua pesada en la planta de sulfuro de Drobeta Girdler , ahora fuera de servicio, para fines domésticos y de exportación. [93] Francia operó una pequeña planta durante los años 1950 y 1960. [ cita requerida ]
El óxido de deuterio se utiliza en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear cuando se utiliza agua como disolvente si el nucleido de interés es el hidrógeno. Esto se debe a que la señal de las moléculas de disolvente de agua ligera ( 1 H 2 O) abrumaría la señal de la molécula de interés disuelta en él. El deuterio tiene un momento magnético diferente y, por lo tanto, no contribuye a la señal de RMN de 1 H 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 en una molécula. Con la adición de D2O , a veces denominada agitación de D2O , [ 94 ] los hidrógenos lábiles se intercambian entre el compuesto de interés y el solvente, lo que lleva al reemplazo de esos átomos de 1 H específicos en el compuesto con 2 H. Estas posiciones en la molécula entonces no aparecen en el espectro de RMN de 1 H.
El óxido de deuterio se utiliza a menudo como fuente de deuterio para preparar isotopólogos de compuestos orgánicos marcados específicamente. Por ejemplo, los enlaces CH adyacentes a los grupos carbonilo cetónicos se pueden reemplazar por enlaces CD, utilizando catálisis ácida o básica. El yoduro de trimetilsulfoxonio , elaborado a partir de sulfóxido de dimetilo y yoduro de metilo , se puede recristalizar a partir de óxido de deuterio y luego disociarlo para regenerar yoduro de metilo y sulfóxido de dimetilo, ambos marcados con deuterio. En los casos en los que se contempla el marcado doble específico con deuterio y tritio, el investigador debe tener en cuenta que el óxido de deuterio, dependiendo de su edad y origen, puede contener algo de tritio.
El óxido de deuterio se utiliza a menudo en lugar de agua cuando se recogen espectros FTIR de proteínas en solución. El H2O crea una banda fuerte que se superpone con la región amida I de las proteínas. La banda del D2O se aleja de la región amida I.
El agua pesada se utiliza en ciertos tipos de reactores nucleares , donde actúa como moderador de neutrones para ralentizarlos de modo que tengan más probabilidades de reaccionar con el uranio-235 fisible que con el uranio-238 , que captura neutrones sin fisionarse. El reactor CANDU utiliza este diseño. El agua ligera también actúa como moderador, pero como 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 en parte llevaron al desastre de Chernóbil ) ha llevado a la interrupción del grafito en los diseños de reactores estándar.
La cría y extracción de plutonio puede ser una vía 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 anteriores , Israel, India y Corea del Norte [95] utilizaron por primera vez plutonio de reactores moderados por agua pesada que quemaban uranio natural , mientras que China, Sudáfrica y Pakistán fueron los primeros en construir armas utilizando uranio altamente enriquecido .
El programa nuclear nazi , que operaba con medios más modestos que el Proyecto Manhattan contemporáneo y se vio obstaculizado por el hecho de que muchos científicos destacados se habían visto obligados a exiliarse (muchos de ellos acabaron trabajando para el Proyecto Manhattan), así como por las luchas internas continuas, desestimó erróneamente al grafito como moderador debido a que no reconocía 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 un moderador potencial. Otros problemas fueron la aversión ideológica con respecto a lo que la propaganda desestimó como " física judía " y la desconfianza entre los que habían sido nazis entusiastas incluso antes de 1933 y los que eran Mitläufer o intentaban mantener un perfil bajo. En parte debido al sabotaje aliado y las incursiones de comandos en Norsk Hydro (entonces el mayor productor de agua pesada del mundo), así como 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.
En Estados Unidos, sin embargo, el primer reactor atómico experimental (1942), así como los reactores de producción Hanford del Proyecto Manhattan que produjeron el plutonio para las bombas de prueba Trinity y Fat Man , utilizaron moderadores de neutrones de carbono puro (grafito) combinados con tubos de refrigeración de agua normal. No funcionaban ni con uranio enriquecido ni con agua pesada. La producción de plutonio rusa y británica también utilizó reactores moderados con grafito.
No hay pruebas de que se hayan utilizado reactores civiles de agua pesada (como los diseños CANDU o Atucha ) para producir material fisible militar. En los países que aún no poseen armas nucleares, el material nuclear de esas instalaciones está sujeto a las salvaguardias del OIEA para desalentar cualquier desvío.
Debido a su potencial uso en programas de armas nucleares , la posesión o importación/exportación de grandes cantidades industriales de agua pesada están sujetas al control gubernamental en varios países. Los proveedores de agua pesada y tecnología de producción de agua pesada generalmente aplican las salvaguardias administradas por el OIEA (Organismo Internacional de Energía Atómica) y la 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 kilogramos) están disponibles rutinariamente sin licencia especial a través de distribuidores de suministros químicos y compañías comerciales como el ex productor principal del mundo 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 está a 6.800 pies (2.100 m) bajo tierra en una mina, para protegerlo de los muones producidos por los rayos cósmicos . El 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 a la Tierra. El SNO detecta la radiación Cherenkov en el agua de los 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 la detección).
El SNO también detecta eventos de dispersión de electrones (ES) de neutrinos, donde el neutrino transfiere energía al electrón, que luego procede a generar radiación Cherenkov distinguible de la producida por eventos CC. La primera de estas dos reacciones es producida solo por neutrinos de tipo electrónico, mientras que la segunda puede ser causada por todos los sabores de neutrinos. El uso de deuterio es fundamental para la función SNO, porque los tres "sabores" (tipos) de neutrinos [96] también pueden detectarse 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 a través de una interacción de corriente neutra (NC).
Este evento se detecta cuando el neutrón libre es absorbido por el 35 Cl − presente en el NaCl disuelto deliberadamente en el agua pesada, lo que provoca la emisión de rayos gamma de captura característicos. Por lo tanto, en este experimento, el agua pesada no solo proporciona el medio transparente necesario para producir y visualizar la radiación Cherenkov, sino que también proporciona deuterio para detectar neutrinos exóticos de tipo mu (μ) y tau (τ), así como un medio moderador no absorbente para preservar los neutrones libres de esta reacción, hasta que puedan ser absorbidos por un isótopo activado por neutrones que se detecte fácilmente.
El agua pesada se emplea como parte de una mezcla con H2O para una prueba común y segura de la tasa metabólica media en humanos y animales que realizan sus actividades normales. La tasa de eliminación del deuterio por sí sola es una medida de la renovación del agua corporal. Esta es muy variable entre individuos y depende de las condiciones ambientales, así como del tamaño del sujeto, el sexo, la edad y la actividad física. [97]
El tritio es la sustancia activa en la iluminación autoalimentada y la fusión nuclear controlada, sus otros usos incluyen la autorradiografía y el etiquetado radiactivo . También se utiliza en el diseño de armas nucleares para armas de fisión potenciadas e iniciadores . El tritio sufre una desintegración beta en helio-3 , que es un isótopo estable, pero raro, del helio que es muy buscado. Algo de tritio se crea en reactores moderados de 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 órdenes de magnitud más alta en la sección transversal de captura que cualquier componente del agua pesada o tritiada, su acumulación en un moderador de neutrones de agua pesada o un objetivo para la producción de tritio debe mantenerse al mínimo.
Para producir una gran cantidad de tritio de esta manera se necesitarían reactores con flujos de neutrones muy elevados o con una proporción muy elevada de agua pesada en el combustible nuclear y una absorción de neutrones muy baja por parte de otros materiales del reactor. El tritio tendría que recuperarse entonces mediante la 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 solo se necesita una separación química.
La sección eficaz de absorción del deuterio para neutrones térmicos es de 0,52 milibarn ( 5,2 × 10 −32 m 2 ; 1 barn = 10 −28 m 2 ), mientras que las del oxígeno-16 y el oxígeno-17 son de 0,19 y 0,24 milibarn, respectivamente. El 17 O constituye el 0,038 % del oxígeno natural , lo que hace que la sección eficaz general sea de 0,28 milibarn. Por lo tanto, en D 2 O con oxígeno natural, el 21 % de las capturas de neutrones son en oxígeno, y aumenta a medida que el 17 O se acumula 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-14 radiactivo .
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)El agua pesada es incolora porque todas sus transiciones vibracionales correspondientes se desplazan a una energía más baja (longitud de onda más alta) por el aumento de la masa del isótopo.
... utilizado en la terapia de captura de neutrones de boro ... El D
2
O es más tóxico para las células animales malignas que para las normales ... Los protozoos pueden soportar hasta un 70 % de D
2
O. Las algas y las bacterias pueden adaptarse para crecer en un 100 % de D
2
O