NATURALEZA, APLICACIONES Y
OBTENCIÓN DEL
AGUA PESADA
DEUTERIO Y AGUA PESADA
• Uno de los tres isótopos del hidrógeno, con un neutrón
añadido.
• El agua pesada está compuesta por dos átomos de
deuterio y uno de oxígeno, D2O, al menos en teoría,
pues habitualmente se encuentra como HDO (99,982%).
• Su presencia en la corteza terrestre es pequeña: desde
0,0130% en el agua del Ártico al 0,0162% en el rio Nilo
(destilación fraccionada natural).
PRINCIPALES APLICACIONES
• Trazador en reacciones químicas y
bioquímicas, resonancias
magnéticas,…
• Principal uso: moderador de
neutrones en reactores nucleares
térmicos. También es buen
refrigerante.
Moderador de neutrones
• Reactores nucleares térmicos: cadena de reacciones en
las cuales neutrones provenientes de una fisión anterior
inducen fisiones posteriores.
• Probabilidad de producir reacción nuclear es inversa a la
velocidad de la partícula hasta que ésta alcanza cierto
límite de eficacia máxima: de 2MeV a 0,025 eV
(neutrones térmicos).
• Los moderadores retardan los neutrones de fisión para
facilitar su captura por los núcleos fisionables.
• Debe ser poco absorbente de neutrones y de núcleo
atómico lo más ligero posible.
• El agua pesada es un excelente moderador, de 3 a 4
veces mejor que el grafito.
• Éste le sigue en interés dado su bajo coste, buenas
propiedades mecánicas y de fabricación, resistencia a
elevadas temperaturas,…
• Otros: berilio, su óxido (berilia),… presentan alta
toxicidad.
OBTENCIÓN DE AGUA PESADA
• La separación D-H es relativamente
sencilla a pesar de su gran dilución (sólo
el 0,0013% del hidrógeno del agua está
en forma de deuterio).
• Comparativa con el oro, 6 veces más
abundante: 300 $/kg de D frente a 6000
$/kg de oro.
Métodos
• Minoritarios: la difusión electrónica, centrifugación,
métodos biológicos, basados en el uso de disolventes
orgánicos,… no son lo suficientemente eficaces o
rentables.
• Mayoritarios:
–
–
–
–
–
Destilación del agua.
Destilación del H2.
Electrólisis del agua.
Intercambio isotópico.
Procedimientos mixtos.
Destilación del agua
• La destilación fraccionada del agua es la forma más
sencilla de obtener D.
• Se basa en la diferencia de punto de ebullición entre el
agua normal y la pesada: ésta lo tiene 1,43 ºC superior.
• A 13 kPa y 51 ºC, el factor de separación, α, es de
1.055.
• α da la relación de concentraciones del D en el líquido y
el vapor. Desciende con la temperatura, por lo que es
interesante la destilación en vacío.
• Los problemas del método: factor de separación
pequeño y alta energía requerida; sus aspectos
positivos: materia prima, el agua, relativamente rápido y
buena tasa de intercambio.
Electrolisis del agua
• Tiene un alto poder de separación, pero es necesario
recombinar el H y el O antes de repetir la operación.
• Al igual que en el caso de la obtención de isótopos por
láser, los factores de la separación no son tanto precisos
valores termodinámicos y funciones de la temperatura
como función de las características del equipo.
• Aunque es bastante rápido y la materia prima principal
es el agua, este método requiere un gran esfuerzo
energético.
Separación de isótopos por láser
• Se basa en las diferentes frecuencias de resonancia que
presentan las cadenas acabadas en un protón o en un
átomo de deuterio.
• En teoría se puede se puede ajustar un láser a la
frecuencia exacta de la cadena con deuterio, romperla y
liberar el deuterio con gran selectividad.
• El problema es que para no disparar la energía
necesaria para ello es necesaria la adición de CFC,
además de ser lento.
Procedimientos basados en el
intercambio químico
• Todos se basan en una reacción tipo:
HX + DY ↔ DX + HY
• Las más efectivas son las propuestas en
el cuadro anexo: en todas reacciona gas
con líquido, en procesos monotérmicos o
bitérmicos.
• En los monotérmicos, el propio equilibrio
favorece la existencia de deuterio en la
especie líquida, pero si se evapora el
líquido, el gas puede usarse para
enriquecer el líquido entrante.
• Para ello la conversión debe darse con
facilidad, pues se pretende que afecte a
todo el chorro de la entrada.
• Los bitérmicos son más complejos pero evitan la
necesidad de la alta conversión química; juegan
con la inversa proporcionalidad entre el factor
de separación y la temperatura.
• En la columna fría del proceso, el líquido se
enriquece y el gas se empobrece; después el
líquido pasa a la caliente, donde α es menor y
es el gas el que se enriquece en deuterio. Este
gas se recircula.
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