מים כבדים

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

מים כבדים, או בסימונם הכימי $D 2 O$ , הם חומר שכל מולקולה שלו מורכבת מאטום חמצן ושני אטומי דאוטריום. המים הכבדים דומים בתכונותיהם הכימיות למים רגילים, אך אטומי המימן הרגילים הוחלפו באיזוטופ כבד יותר של מימן – הדאוטריום, ועל כן מאסת המים הכבדים גדולה ממאסת המים הרגילים. שוני זה מעניק למים הכבדים את שמם. מסתם של המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הקלים ("הרגילים"). מים כבדים משמשים הן כמקרר והן כחומר מאט בכורים גרעיניים ומכאן חשיבותם ופרסומם. לפני תחילת העידן הגרעיני, לא היה כל שימוש במים הכבדים, ודבר קיומם לא היה ידוע.

[עריכה] תכונות המים הכבדים

על אף הדמיון בתכונות הכימיות והפיזיקליות בין מים רגילים למים כבדים ישנם שני הבדלים מהותיים בין השניים: למים כבדים (בניגוד למים רגילים) ישנו חתך בליעת נייטרונים נמוך להפליא. בכורים גרעיניים רבים קיימת חשיבות רבה לתכונה זו. אי-היבלעותם של הנייטרונים במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים רדיואקטיביים הנמצאים בכור (גרעיני אורניום, לדוגמה). בהתנגשות זו קיים סיכוי לביקוע גרעין האטום, היינו ביקוע גרעיני. ההבדל השני הוא שכיחות. מים כבדים נדירים בטבע ונמצאים בשכיחות של 1 ל־20 מליון מולקולות מים. להלן טבלת תכונות השוואתית של מים כבדים וקלים:

תכונה	D₂O (מים כבדים)	H₂O (מים קלים)
נקודת קיפאון (°C)	3.82	0.0
נקודת רתיחה (°C)	101.72	100.0
צפיפות (ב-20 מע', גרם/מיליליטר)	1.1056	0.9982
טמפ' צפיפות מקסימלית (°C)	11.6	4.0
צמיגות (ב-20 מע', סנטיפויז)	1.25	1.005
מתח פנים (ב-25 מע' דין/ס"מ)	71.93	71.97
חום היתוך (קל'/מול)	1,515	1,436
חום אידוי (קל'/מול)	10,864	10,515

[עריכה] הפקה וייצור של מים כבדים

מים כבדים אין מייצרים אלא מפיקים אותם מן הטבע. ההפקה מסובכת כי שכיחות המים הכבדים נמוכה מאוד ביחס לאחיהם הקלים. על מנת להפיק מי שתייה ממאגר מים מתוקים, כל שיש לעשות הוא לשאוב אותם ולבצע בהם תהליך פשוט וזול של טיהור וסינון. כשמדובר במים כבדים אין הדבר כך: בשל נדירותם של המים הכבדים יש לשאוב כמויות מים אדירות ולבצע הפרדה (זיקוק) בין המים הכבדים למים הקלים. לאחר ההפרדה מאוחסנים המים הכבדים במיכלים ומשווקים ללקוחות (כורים גרעיניים) ואילו המים הקלים (מי השתיה) מוחזרים למאגר (אגם, לדוגמה) שנשאבו ממנו. ישנם מספר תהליכי הפרדה שונים, המתבססים על עקרונות כימיים שונים. הפרדת המים הקלים מן הכבדים היא תהליך זיקוק דומה לתהליכי זיקוק תעשייתיים אחרים (כגון: זיקוק דלקים, ייצור אמוניה, זיקוק אלכוהול). בחלק מהתהליכים נעשה שימוש בהבדל הקטן בטמפרטורות הרתיחה של מים כבדים וקלים. הפקת מים כבדים בשיטות של אלקטרוליזה או של זיקוק למקוטעין (כמו בדלק) צורכת אנרגיה רבה ועל כן יקרה מאוד. בשל כך יש עדיפות להפקה בשיטות כימיות אחרות.

על אף ההבדלים בשיטות הזיקוק (הפקה) השונות, דבר אחד משותף לכולן: מחיר גבוה. הפקת מים כבדים יקרה ביותר וזאת בשל כמות המים הגדולה המעורבת בתהליך, ולעתים כמויות האנרגיה הגדולות שמושקעות בו.

[עריכה] מים כבדים – עבר והווה

מים כבדים בודדו לראשונה על-ידי גילברט ניוטון לואיס בשנת 1933. מים כבדים הופקו לראשונה באופן מסחרי במפעל הנורבגי 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro), בשנת 1934. הקמת המפעל החלה בשנת 1906 ונסתיימה כעבור חמש שנים. המפעל שימש כתחנת כח ומפעל דשנים ורק בשנת 1934 החל בהפקת מים כבדים. למפעל היה הספק ייצור של 12 טון בשנה. מפעל זה הותקף מספר פעמים על-ידי בנות הברית במלחמת העולם השנייה, על מנת למנוע מן המים הכבדים שהופקו במפעל זה מלהגיע לגרמניה הנאצית. לאחר מספר תקיפות מן האוויר וחבלות קרקעיות הפסיק יצור המים הכבדים במפעל בשנת 1943.

כיום מופקים מים כבדים בארבע מדינות בעולם: ארגנטינה, הודו, נורבגיה וקנדה, כאשר האחרונה היא יצרנית המים הכבדים הגדולה בעולם. בשנות ה־50 וה־60 הפיקה גם צרפת מים כבדים, אך כיום אינה עושה כן. רומניה מפיקה כמות קטנה של מים כבדים על אדמתה ולעתים מייצאת חלק מן הכמות. ניתן להניח, כי כל מעצמות הגרעין המוכרות מסוגלות להפיק מים כבדים בעצמן, אך אינן עושות זאת מסיבותיהן (כלכליות בדרך כלל). עד לשנת 1997, מפעל הפקת המים הכבדים הגדול בעולם הוא מפעל ברוס (Bruce Plant) הקנדי שבאונטריו. נכון ל־1979, היה מסוגל המפעל להפיק מעל 700 טונות מים כבדים בשנה, יותר מפי 50 ממפעל הנורסק הידרו הישן יותר. לצורך הפקת ליטר אחד של מים כבדים השתמש המפעל בכ־340,000 ליטרים של מים. בקנדה מספר רב של כורים גרעיניים, בכולם, המים הכבדים הם רכיב קריטי. עם זאת מאגרי המים הכבדים של קנדה עולים על כל צורך סביר בעתיד הנראה לעין. מאחר שלא נזקקה עוד להפקת מים כבדים הוחלט בקנדה לסגור את מפעל ברוס ב־1997. כיום ממשיכה קנדה להיות יצואנית המים הכבדים המובילה בעולם.