Schweres Wasser (D2O): Definition, Eigenschaften & Einsatz in Kernreaktoren
Schweres Wasser (D2O): Definition, Eigenschaften & Einsatz in Kernreaktoren — Funktionsweise, Vorteile, Sicherheit und Anwendung in CANDU‑Reaktoren.
Schweres Wasser (Deuteriumoxid, 2
H
2O, D
2O) ist eine Form von Wasser auf der Basis von Deuterium.
Es enthält eine größere als normale Menge des Wasserstoffisotops Deuterium (2
H oder D, auch bekannt als schwerer Wasserstoff). Gewöhnliches Wasser hat das gemeinsame Wasserstoff-1-Isotop (1
H oder H, auch Protium genannt). Dies macht den größten Teil des Wasserstoffs in normalem Wasser aus. Das Vorhandensein von Deuterium verleiht der Chemikalie unterschiedliche nukleare Eigenschaften, und die Zunahme der Masse verleiht ihr andere physikalische und chemische Eigenschaften im Vergleich zu normalem "Leichtwasser". Schweres Wasser wird in einigen Kernreaktoren, wie z.B. CANDU-Reaktoren, als Neutronenmoderator verwendet. Es ist ein effizienterer Neutronenmoderator als normales Wasser und ermöglicht die Verwendung von nicht angereichertem Uran als Brennstoff. Reines schweres Wasser ist nicht radioaktiv, aber schweres Wasser, das einen Kernreaktor durchlaufen hat, ist leicht radioaktiv.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften:
- Dichte: Schweres Wasser ist dichter als normales Wasser (bei Raumtemperatur etwa um 10 % höher), deshalb setzt es sich in reiner Form unter leichtem Wasser leicht ab.
- Siedepunkt und Schmelzpunkt: Der Gefrierpunkt von D2O liegt bei etwa +3,8 °C (gegenüber 0 °C bei H2O), der Siedepunkt liegt geringfügig höher als bei H2O (~101,4 °C).
- Viskosität und Oberflächenspannung: D2O zeigt leicht erhöhte Viskosität und andere physikalische Eigenschaften im Vergleich zu normalem Wasser.
Chemische Eigenschaften: Chemisch ähnelt D2O normalem Wasser, reagiert jedoch langsamer bei Prozessen, die Wasserstoffübertragung betreffen. Dieser Unterschied wird als kinetischer Isotopeffekt bezeichnet und ist in manchen chemischen und biologischen Reaktionen relevant.
Vorkommen und Gewinnung
Deuterium kommt in der Natur in sehr geringer Menge vor: Der Anteil an Deuterium in natürlichem Wasser liegt bei ungefähr 0,015–0,016 % der Wasserstoffatome (ca. 150–160 ppm). Reines D2O ist in der natürlichen Umwelt daher extrem selten und muss industriell gewonnen werden.
Gängige Verfahren zur Herstellung sind:
- Girdler-Sulfid-Verfahren (chemisches Austauschverfahren mit Wasserstoffsulfid),
- kalte oder fraktionierte Destillation in mehreren Stufen,
- Elektrolyse, bei der H2O bevorzugt gespalten und so der Deuteriumgehalt im verbleibenden Wasser angereichert wird.
Aufgrund des aufwändigen Prozesses ist Schweres Wasser deutlich teurer als gewöhnliches Wasser.
Einsatz in Kernreaktoren
Moderation: In Kernreaktoren dient Schweres Wasser als Neutronenmoderator: Es verlangsamt Neutronen, ohne sie in vergleichbarem Maße einzufangen wie normales Wasser. Dadurch bleiben genügend thermische Neutronen zur Fortpflanzung der Kettenreaktion erhalten, selbst wenn als Brennstoff natürliches (nicht angereichertes) Uran verwendet wird. Das ist der Grund, weshalb Reaktorkonzepte wie CANDU auf D2O setzen.
Kühlmittel: D2O kann auch als Kühlmittel verwendet werden. Da es teurer ist als Leitungswasser, wird der Einsatz wirtschaftlich abgewogen.
Aktivierung und Radioaktivität nach Gebrauch: Reines D2O ist nicht radioaktiv. In Betrieb befindliches schweres Wasser kann jedoch durch Neutronenaktivierung (z. B. Bildung von Tritium, 3H) leicht radioaktiv werden. Solches "gebrauchtes" schweres Wasser enthält meist geringe Mengen Tritium und ggf. andere radioaktive Spuren, weshalb Umgang, Lagerung und Entsorgung geregelt erfolgen müssen.
Sicherheit und biologische Wirkung
In kleinen Mengen ist D2O für Menschen im Alltag unproblematisch. Bei Austausch gro ßer Anteile des Körperwassers gegen D2O treten jedoch physiologische Effekte auf: Zellteilung und biochemische Reaktionen können gestört werden. Studien zeigen, dass mehrere zehn Prozent Ersatz des Körperwassers gesundheitliche Effekte verursachen können und sehr hohe Anteile (>50 %) toxisch bzw. lebensgefährlich sind. Deshalb ist der Umgang mit größeren Mengen in Forschung und Industrie mit Vorsicht zu handhaben.
Weitere Anwendungen
- Isotopenmarkierung in Forschung und chemischer Analyse,
- als Moderator in bestimmten Forschungreaktoren und Industrieanlagen,
- in manchen NMR-Experimenten wird vergebenes D2O als Lösungsmittel verwendet (wegen der reduzierten Protonenleitfähigkeit).
Wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte
D2O ist teuer in der Herstellung und unterliegt in vielen Ländern Kontrollen, weil schweres Wasser die Fähigkeit besitzt, Reaktoren mit Natururan zu betreiben — ein Aspekt, der in der nuklearen Proliferationskontrolle relevant ist. Die internationale Aufsicht und Regularien sorgen dafür, dass Produktion, Handel und Einsatz überwacht werden.
Zusammenfassung
- Schweres Wasser (D2O) ist Wasser, bei dem die Wasserstoffatome größtenteils durch Deuterium ersetzt sind.
- Es hat leicht veränderte physikalische und chemische Eigenschaften gegenüber normalem Wasser und ist ein sehr effizienter Neutronenmoderator.
- Reines D2O ist nicht radioaktiv; nach Einsatz in Reaktoren kann es jedoch geringfügig radioaktiv (u. a. tritiumhaltig) werden.
- Herstellung ist technisch aufwendig und kostenintensiv; großer Einsatz findet sich vor allem in speziellen Reaktortypen (z. B. CANDU) und in der Forschung.
Fragen und Antworten
F: Was ist schweres Wasser?
A: Schweres Wasser ist eine Form von Wasser auf der Basis von Deuterium, das eine größere als die normale Menge des Wasserstoffisotops Deuterium (2H oder D) enthält.
F: Wie unterscheidet sich schweres Wasser von normalem "leichtem" Wasser?
A: Das Vorhandensein von Deuterium verleiht schwerem Wasser andere nukleare Eigenschaften, und seine größere Masse verleiht ihm andere physikalische und chemische Eigenschaften als normalem leichten Wasser.
F: Welche Verwendungszwecke gibt es für schweres Wasser?
A: Schweres Wasser wird als Neutronenmoderator in einigen Kernreaktoren verwendet, z.B. in CANDU-Reaktoren. Es kann auch verwendet werden, um die Verwendung von nicht angereichertem Uran als Brennstoff zu ermöglichen.
F: Ist reines schweres Wasser radioaktiv?
A: Nein, reines schweres Wasser ist nicht radioaktiv, da Deuterium ein stabiles Isotop ist. Wenn es jedoch einen Kernreaktor durchlaufen hat, ist es leicht radioaktiv.
F: Können Menschen überleben, wenn sie nur schweres Wasser anstelle von normalem, leichtem Wasser verwenden?
A: Nein, die Chemie von schwerem Wasser ist so unterschiedlich, dass Menschen mit dieser Art von H2O anstelle von normalem leichten Wasser nicht überleben können.
F: Sind kleine Mengen von schwerem Wasser für den Menschen giftig?
A: Nein, kleine Mengen sind für den Menschen nicht giftig und es ist üblich, dass Menschen für Stoffwechselexperimente mehrere Gramm trinken, ohne krank zu werden.
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