[科普中国]-重水

发现过程

1931年美国H.C.尤里和F.G.布里克维德在液氢中发现氘，

1933年美国G.N.路易斯和R.T.麦克唐南利用减容电解法得到0.5毫升重水，纯度为65.7%，再经电解，得0.1克接近纯的重水。1934 年，挪威利用廉价的水力发电，建立了世界上第一座重水生产工厂。

特性重水在外观上和普通水相似，只是密度略大，为1.1079克/立方厘米，冰点略高，为3.82℃，沸点为101.42℃。参与化学反应的速率比普通水缓慢、重水的一个分子是由两个重氢原子和一个氧原子组成，其分子式为D2O，相对分子质量是20。

重水与普通水看起来十分相像，是无臭无味的液体，它们的化学性质也一样，不过某些物理性质却不相同。普通水的密度为1克/厘米3，而重水的密度为1.056克/厘米3；普通水的沸点为100℃，重水的沸点为101.42℃；普通水的冰点为0℃，重水的冰点为 3.8℃。此外，普通水能够滋养生命，培育万物，而重水则不能使种子发芽。人和动物若是喝了重水，还会引起死亡。不过，重水的特殊价值体现在原子能技术应用中。制造威力巨大的核武器，就需要重水来作为原子核裂变反应中的减速剂，作中子的减速剂，也可作为制重氢的材料，普通水中含量约为0.02%（质量分数）。

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重水制成的冰会沉入水中。

重水主要用于核反应堆中作减速剂，它可以减小中子的速率，使之符合发生裂变过程的需要。重水也是研究化学和生理变化中使用过的材料。浓而纯的重水不能维持动植物的生命，其致死浓度为60%～80%。

重水和普通水一样，也是由氢和氧化合而成的液体化合物，不过，重水分子和普通水分子的氢原子有所不同。我们知道，氢有3种同位素。一种是氕，它只含有一个质子。它和一个氧原子化合可以生成普通的水分子。另一种是重氢——氘。它含有一个质子和一个中子。它和一个氧原子化合后可以生成重水分子。还有一种是超重氢——氚。它含有两个中子和一个质子。

重水外观上和普通水相似，是无色、无嗅无味的液体．密度比普通水大，熔点、沸点比普通水高．由于重水分子量大，运动速度慢，所以在高山上的冰雪中，特别是在南极的冰雪中重水含量微乎其微，水(氧化氢)的密度最小，是地球上最轻的水。重水在自然界中分布较少，在普通水中约含重水0.015%。由于含量少，制备难，所以它的售价较高（约16元/毫升）。

重水虽然在尖端技术上是宝贵的资源，但对人却是有害的．人是不能饮用重水的，微生物、鱼类在纯重水或含重水较多(超过80%)的水中，只要数小时就会死亡．相反，含重水特别少的轻水，如雪水，却能刺激生物生长。

主要作用重水的主要用途是在核反应堆中做“减速剂”，减小中子速度，控制核裂变过程，也是冷却剂。重水和氘在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，例如，用稀重水灌溉树木，可以测知水在这些植物中每小时可运行十几米到几十米。测定饮过大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人体中停留时间平均为14天。用氘代替普通氢，可以研究动植物消化和新陈代谢过程。浓的或纯重水不能维持动植物生命，重水对一般动植物的致死浓度为60%。

重水的特殊价值体现在原子能技术应用中，要制造威力巨大的核武器，就需要重水作为原子核裂变反应中的减速剂。

使用核磁共振分析时倘若溶剂是水，而研究的对象是氢，可以使用重水作溶剂。中子减速剂：某些核子反应堆使用重水来减慢中子的速度，让它们有机会与铀反应。轻水亦可以作减速剂，但因为轻水会吸收中子，因此轻水式反应堆必须使用浓缩铀，而不能使用普通铀，否则将不能达到临界质量。重水反应堆不单可以使用普通铀，而且会把铀238转化成为可制作核弹的钚。印度、巴基斯坦、以色列、北朝鲜都是以这样方法制造核燃料。为了防止核子武器扩散，重水的生产和出售在很多国家都受到限制。

重水在尖端科技中有十分重要的用途。原子能发电站的心脏是原子反应堆，为了控制原子反应堆中核裂变反应的正常进行，需要用重水做中子的减速剂．电解重水可以得到重氢，重氢是制氢弹的原料，中国已于1967年6月17日成功地爆炸了第一颗氢弹，增涨了中国人民的志气．更重要的是重氢进行核聚变反应时，可放出巨大的能量，而且不会污染环境．有人计算推测，如果将海水中的重氢都用于热核反应发电，其总能量相当于全部海洋都变成了石油。

生产方法重水可以通过多种方法生产。最初的方法是用电解法，因为重水无法电解，这样可以从普通水中把它分离出来。还有一种简单方法是利用重水沸点高于普通水通过反复蒸馏得到。后来又发展了一些其他较佳的方法。

然而只有两种方法已证明具有商业意义：水——硫化氢交换法（GS法）和氨——氢交换法。

GS法是基于在一系列塔内（通过顶部冷和底部热的方式操作）水和硫化氢之间氢与氘交换的一种方法。在此过程中，水向塔底流动，而硫化氢气体从塔底向塔顶循环。使用一系列多孔塔板促进硫化氢气体和水之间的混合。在低温下氘向水中迁移，而在高温下氘向硫化氢中迁移。氘被浓缩了的硫化氢气体或水从第一级塔的热段和冷段的接合处排出，并且在下一级塔中重复这一过程。最后一级的产品（氘浓缩至高达30%的水）送入一个蒸镏单元以制备反应堆级的重水（即99.75%的氧化氘）。

氨——氢交换法可以在催化剂存在下通过同液态氨的接触从合成气中提取氘。合成气被送进交换塔，而后送至氨转换器。在交换塔内气体从塔底向塔顶流动，而液氨从塔顶向塔底流动。氘从合成气的氢中洗涤下来并在液氨中浓集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而气体流入塔顶部的氨转换器。在以后的各级中得到进一步浓缩，最后通过蒸馏生产出反应堆级重水。合成气进料可由氨厂提供，而这个氨厂也可以结合氨——氢交换法重水厂一起建造。氨—氢交换法也可以用普通水作为氘的供料源。利用GS法或氨—氢交换法生产重水的工厂所用的许多关键设备项目是与化学工业和石油工业的若干生产工序所用设备相同的。对于利用GS法的小厂来说尤其如此。然而，这种设备项目很少有“现货”供应。GS法和氨—氢交换法要求在高压下处理大量易燃、有腐蚀性和有毒的流体。因此，在制定使用这些方法的工厂和设备所用的设计和运行标准时，要求认真注意材料的选择和材料的规格，以保证在长期服务中有高度的安全性和可靠性。规模的选择主要取决于经济性和需要。因而，大多数设备项目将按照用户的要求制造。

最后，应该指出，对GS法和氨—氢交换法而言，那些单独地看并非专门设计或制造用于重水生产的设备项目可以组装成专门设计或制造用于生产重水的系统。氨—氢交换法所用的催化剂生产系统和在上述两方法中将重水最终加浓至反应堆级所用的水蒸馏系统就是此类系统的实例。

专门设计或制造用于利用GS法或氨—氢交换法生产重水的设备项目包括如下：

1． 水——硫化氢交换塔

专门设计或制造用于利用GS法生产重水的、用优质碳钢（例如ASTM A516）制造的交换塔。该塔直径6米（20英尺）至9米（30英尺），能够在大于或等于2兆帕（300磅/平方英寸）压力下和6毫米或更大的腐蚀允量下运行。

2． 鼓风机和压缩机

专门为利用GS法生产重水而设计或制造的用于循环硫化氢气体（即含H2S 70%以上的气体）的单级、低压头（即0.2兆帕或30磅/平方英寸）离心式鼓风机或压缩机。这些鼓风机或压缩机的气体通过能力大于或等于56立方米/秒（120000 标准立方英尺/分），能在大于或等于1.8兆帕（260磅/平方英寸）的吸入压力下运行，并有对湿H2S介质的密封设计。

3．氨——氢交换塔

专门设计或制造用于利用氨——氢交换法生产重水的氨——氢交换塔。该塔高度大于或等于35米（114.3英尺），直径1.5米（4.9英尺）至2.5米（8.2英尺），能够在大于15兆帕（2225磅/平方英寸）压力下运行。这些塔至少都有一个用法兰联结的轴向孔，其直径与交换塔筒体部分直径相等，通过此孔可装入或拆除塔内构件。

4． 塔内构件和多级泵

专门为利用氨——氢交换法生产重水而设计或制造的塔内构件和多级泵。塔内构件包括专门设计的促进气/液充分接触的多级接触装置。多级泵包括专门设计的用来将一个接触级内的液氨向其他级塔循环的水下泵。

5． 氨裂化器

专门设计或制造的用于利用氨—氢交换法生产重水的氨裂化器。该装置能在大于或等于3兆帕（450磅/平方英寸）的压力下运行。

6． 红外吸收分析器

能在氘浓度等于或高于90%的情况下“在线”分析氢/氘比的红外吸收分析器。

7． 催化燃烧器

专门设计或制造的用于利用氨—氢交换法生产重水时将浓缩氘气转化成重水的催化燃烧器。

提炼方法地球上的水约有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以透过电解及蒸馏，或以化学方法从普通水中提炼出来。可以使用化学方法，是因为重氢及普通氢原子由于质量稍为不同，所以化学反应的速度有异。当水中的半重水到了相当的浓度，重水便会因为水分子之间交换氢原子而慢慢出现。要从半重水再提炼纯正的重水亦可使用电解、蒸馏及化学方法。但是电解及蒸馏所需要的能量会非常巨大，因此一般这一步只会使用化学方法。

健康问题重水虽然在尖端技术上是宝贵的资源，但对人却是有害的．人是不能饮用重水的，微生物、鱼类在纯重水或含重水较多(超过80%)的水中，只要数小时就会死亡．相反，含重水特别少的轻水，如雪水，却能刺激生物生长。

一般相信重水并不属于有毒物质，但是人体内的某些代谢需要轻水，所以如果只喝重水会生病。因为重水中的D比H多一个中子，D重量是H的两倍，导致其化学性质发生一定的改变以及物理性质的大幅改变。D的各种键比H强，而且更重的D的转移速率会比H慢很多，导致关于D的化学反应会发生减速，干扰生物体正常代谢。

以老鼠做的实验发现重水能抑制细胞的有丝分裂，引起需要迅速代谢的身体组织变坏。实验中的老鼠连续数天只喝重水后，体内约一半的体液变成重水；这时症状开始出现，需要快速细胞分裂的组织，如发根及胃膜最先出现毛病。本来快速增长的癌细胞生长速度亦出现减慢，不过减慢的程度并不足以令重水作为可行的治疗方法。1