Agua pesada

Agua pesada (óxido de deuterio, ²
H
₂O, D
₂O) es una forma de agua que contiene solo deuterio (²
H o D, también conocido como hidrógeno pesado) en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 (¹
H o H, también llamado protium) que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua normal. La presencia del isótopo de hidrógeno más pesado le da al agua diferentes propiedades nucleares, y el aumento de masa le da propiedades físicas y químicas ligeramente diferentes en comparación con el agua normal.

Composición

El deuterio es un isótopo de hidrógeno con un núcleo que contiene un neutrón y un protón; el núcleo de un átomo de protio (hidrógeno normal) consta de solo 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 de la "ligera" ordinaria; agua. El término agua pesada, tal como lo define el Libro de oro de la IUPAC, también puede referirse al agua en la que una proporción de átomos de hidrógeno superior a la habitual es deuterio en lugar de protio. A modo de comparación, el agua ordinaria (el "agua ordinaria" utilizada para un estándar de deuterio) contiene solo alrededor de 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno, lo que significa que el 0,0156 % de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado. Por lo tanto, el agua pesada, tal como la define el Libro Dorado, incluye óxido de hidrógeno y deuterio (HDO) y otras mezclas de D
₂O, H
₂O, y HDO en los que la proporción de deuterio es superior a la habitual. Por ejemplo, el agua pesada utilizada en los reactores CANDU es una mezcla de agua altamente enriquecida que contiene principalmente óxido de deuterio D
₂O, pero también algo de óxido de hidrógeno-deuterio y una cantidad menor de óxido de hidrógeno ordinario H
₂O. Está enriquecido en un 99,75 % por fracción de átomos de hidrógeno, lo que significa que el 99,75 % de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado; sin embargo, el agua pesada en el sentido del Libro Dorado no necesita estar tan enriquecida. El peso de una molécula de agua pesada, sin embargo, no es sustancialmente diferente al de una molécula de agua normal, porque alrededor del 89% del peso molecular del agua proviene de un solo átomo de oxígeno en lugar de los dos átomos de hidrógeno.

El agua pesada no es radiactiva. En su forma pura, tiene una densidad 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 (que afectan especialmente a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto sustituido con isótopos común porque el deuterio es único entre los isótopos estables pesados porque es dos veces más pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces 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 naturalmente deuterio equivalente a unos cinco gramos de agua pesada, que es inofensivo. Cuando una gran fracción de agua (> 50%) en los organismos superiores se reemplaza por agua pesada, el resultado es la disfunción celular y la muerte.

El agua pesada se produjo por primera vez en 1932, unos meses después del descubrimiento del deuterio. Con el descubrimiento de la fisión nuclear a fines de 1938 y la necesidad de un moderador de neutrones que capturara pocos neutrones, el agua pesada se convirtió en un componente de las primeras investigaciones sobre 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 presentan riesgos radiológicos y de explosión de polvo en la fase de clausura. El diseño del RBMK soviético moderado con grafito trató de evitar el uso de uranio enriquecido o agua pesada (que se enfriaba con agua "ligera" ordinaria en su lugar), lo que producía el coeficiente de vacío positivo que era uno de los serie de fallas en el diseño del reactor que condujo al desastre de Chernobyl. La mayoría de los reactores modernos utilizan uranio enriquecido con agua ordinaria como moderador.

Otras formas pesadas de agua

Agua semipesada

Estructura de agua semipesada

El agua semipesada, HDO, existe siempre que hay agua con hidrógeno ligero (protio, ¹
H) y deuterio (D o ²
H) en la mezcla. Esto se debe a que los átomos de hidrógeno (hidrógeno-1 y deuterio) se intercambian rápidamente entre las moléculas de agua. El agua que contiene un 50 % de H y un 50 % de D en su hidrógeno en realidad contiene aproximadamente un 50 % de HDO y un 25 % de cada uno de H
₂O y D
₂O, en equilibrio dinámico. En agua normal, aproximadamente 1 molécula en 3200 es HDO (un hidrógeno en 6400 está en forma de D) y moléculas de agua pesada (D
₂O) solo ocurren en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 41 millones (es decir, una en 6400²). Por lo tanto, las moléculas de agua semipesada son mucho más comunes que las moléculas de agua "pura" moléculas de agua pesada (homoisotópicas).

Agua con alto contenido de oxígeno

El agua enriquecida con los isótopos de oxígeno más pesados 17O y 18O también está disponible comercialmente. Es "agua pesada" ya que es más densa que el agua normal (H
2¹⁸
O es aproximadamente tan denso como D
₂O, H
₂¹⁷
O está a mitad de camino entre H
₂O y D
₂O), pero rara vez se le llama agua pesada, ya que no contiene el deuterio que le da al D₂O su inusual capacidad nuclear y propiedades biológicas. Es más caro que D₂O debido a la separación más difícil de ¹⁷O y ¹⁸O. El H₂¹⁸O también se utiliza para la producción de flúor-18 para radiofármacos y radiotrazadores y para la tomografía por emisión de positrones. Pequeñas cantidades de ¹⁷
O y ¹⁸
O están naturalmente presentes en el agua y la mayoría de los procesos que enriquecen el agua pesada también enriquecen los isótopos más pesados de oxígeno como efecto secundario. Esto no es deseable si el agua pesada se va a utilizar como moderador de neutrones en reactores nucleares, como ¹⁷
O puede sufrir captura de neutrones, seguido de la emisión de una partícula alfa, que produce radioactivo ¹⁴
C. Sin embargo, el agua doblemente marcada, que contiene oxígeno pesado e hidrógeno pesado, 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.

Agua tritiada

El agua tritiada contiene tritio (³H) en lugar de protio (¹H) o deuterio (²H), y, como el tritio en sí mismo es radiactivo, el agua tritiada también es radiactiva.

Propiedades físicas

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 dada, y la verdadera concentración de iones D⁺ es menor que la que tendrían los iones  H+ para un agua ligera. muestra a la misma temperatura. Lo mismo ocurre con los iones OD⁻ frente a  OH−. Para agua pesada Kw D₂O (25,0 °C) = 1,35 × 10⁻¹⁵, y [D⁺ ] debe ser igual a [OD⁻ ] para agua neutra. Así 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.

La pD del agua pesada generalmente se mide usando electrodos de pH que dan un valor de pH (aparente), o pHa, y a varias temperaturas se puede estimar una verdadera pD ácida 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.

El agua pesada es un 10,6 % más densa que el agua corriente, y las diferentes propiedades físicas del agua pesada se pueden ver sin equipo si se deja caer una muestra congelada 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.

Un experimento de 1935 no informó la "más mínima diferencia" en sabor entre el agua ordinaria y pesada. Un estudio concluyó que el agua pesada sabe "claramente más dulce" para los humanos, y está mediada por el receptor gustativo TAS1R2/TAS1R3. Las ratas a las que se les dio a elegir entre agua normal destilada y agua pesada pudieron evitar el agua pesada en función del olor, y puede tener un sabor diferente. Algunas personas informan que los minerales en el agua afectan el sabor, p. el potasio le da un sabor dulce al agua dura, pero hay muchos factores de un sabor percibido en el agua además del contenido mineral.

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 provocan 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.

No se enumeran propiedades físicas para "puro" agua semipesada, porque es inestable como líquido a granel. En estado líquido, algunas moléculas de agua siempre están en estado ionizado, lo que significa que los átomos de hidrógeno pueden intercambiarse entre diferentes átomos de oxígeno. En teoría, el agua semipesada podría crearse mediante un método químico, 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 hiciera 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 de red rígida del hielo sólido.

Historia

El científico estadounidense y premio Nobel Harold Urey descubrió el isótopo deuterio en 1931 y más tarde pudo concentrarlo en agua. El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura por electrólisis en 1933. George de Hevesy y Erich Hofer usaron 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. A continuación se describe la historia de la producción en grandes cantidades y el uso de agua pesada en los primeros experimentos nucleares.

Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación del agua pesada en 1934.

Efecto sobre los sistemas biológicos

Diferentes isótopos de elementos químicos tienen comportamientos químicos ligeramente diferentes, pero para la mayoría de los elementos las diferencias son demasiado pequeñas para tener un efecto biológico. En el caso del hidrógeno, se producen mayores diferencias en las propiedades químicas entre el protio (hidrógeno ligero), el deuterio y el tritio, 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 la especie más común) más que en la sustitución de isótopos pesados que involucran otros elementos químicos. Los efectos isotópicos son especialmente relevantes en los sistemas biológicos, que son muy sensibles incluso a los cambios más pequeños, debido a las propiedades del agua influenciadas isotópicamente cuando actúa como disolvente.

El agua pesada afecta el período de las oscilaciones circadianas, aumentando constantemente la duración de cada ciclo. El efecto se ha demostrado en organismos unicelulares, plantas verdes, isópodos, insectos, pájaros, ratones y hámsters. El mecanismo es desconocido.

Para realizar sus tareas, las enzimas dependen de sus redes finamente sintonizadas 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 que uno que involucra hidrógeno ordinario, en un ambiente altamente deuterado, se interrumpen algunas reacciones normales en las células.

Los delicados conjuntos de formaciones de husos mitóticos necesarios para la división celular en eucariotas son 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 de células eucariotas. La celda de deuterio es más grande y es una modificación de la dirección de la división. La membrana celular también cambia y reacciona primero al impacto del agua pesada. En 1972 se demostró que un aumento del contenido porcentual de deuterio en el agua reduce el crecimiento de las plantas. La investigación realizada sobre el crecimiento de microorganismos procariotas en condiciones artificiales de un entorno de hidrógeno pesado mostró que en este entorno, todos los átomos de hidrógeno del agua podrían reemplazarse con deuterio. Los experimentos demostraron que las bacterias pueden vivir en un 98% de agua pesada. Las concentraciones superiores al 50 % son letales para los organismos multicelulares, sin embargo, se conocen algunas excepciones, como el pasto aguja (Panicum virgatum), que puede crecer con un 50 % de D₂O; la planta Arabidopsis thaliana (70% D₂O); la planta Vesicularia dubyana (85% D₂O); la planta Funaria hygrometrica (90% D₂O); y la especie anhidrobiótica del nematodo Panagrolaimus superbus (casi el 100 % de D₂O). Un estudio exhaustivo del agua pesada en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe mostró que las células mostraban un metabolismo de glucosa alterado y un crecimiento lento a altas concentraciones de agua pesada. 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.

Efecto en los animales

Experimentos con ratones, ratas y perros han demostrado que un grado de deuteración del 25 % provoca esterilidad (a veces irreversible), porque ni los gametos ni los cigotos pueden desarrollarse. Altas concentraciones de agua pesada (90%) matan rápidamente peces, renacuajos, platelmintos y Drosophila. La única excepción conocida es el nematodo anhidrobiótico Panagrolaimus superbus, que es capaz de sobrevivir y reproducirse en un 99,9 % de D₂O. Los mamíferos (por ejemplo, las ratas) que reciben agua pesada para beber mueren después de una semana, en un momento en que su agua corporal se acerca al 50% de deuteración. 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 se debe a la acción del deuterio en la inhibición general de la división celular. Es más tóxico para las células malignas que para las células normales, pero las concentraciones necesarias son demasiado altas para un uso regular. Como puede ocurrir en la quimioterapia, los mamíferos envenenados con deuterio mueren por una falla de la médula ósea (que produce sangrado e infecciones) y de las funciones de barrera intestinal (que produce diarrea y pérdida de líquidos).

A pesar de los problemas de las plantas y los animales que viven con demasiado deuterio, los organismos procarióticos como las bacterias, que no tienen los problemas mitóticos inducidos por el deuterio, pueden crecer y propagarse en condiciones completamente deuteradas, lo que resulta en el reemplazo de todo el hidrógeno átomos en las proteínas bacterianas y el ADN con el isótopo deuterio.

En organismos superiores, el reemplazo completo con isótopos pesados se puede lograr con otros isótopos pesados no radiactivos (como el carbono-13, el nitrógeno-15 y el oxígeno-18), pero esto no se puede hacer con el deuterio. Esto es consecuencia de la relación de masas nucleares entre los isótopos del hidrógeno, que es mucho mayor que para cualquier otro elemento.

El óxido de deuterio se usa 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.

Evidencia experimental reciente indica que la administración sistémica de óxido de deuterio (suplemento de 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 señalización de estrés celular y expresión génica en células tumorales.

Toxicidad en humanos

Porque se necesitaría una cantidad muy grande de agua pesada para reemplazar del 25 % al 50 % del agua corporal de un ser humano (el agua es a su vez el 50-75 % del peso corporal) con agua pesada, accidental o el envenenamiento intencional con agua pesada es improbable hasta el punto de la práctica indiferencia. 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 perceptibles.

Las dosis orales de agua pesada en el rango de varios gramos, así como el oxígeno pesado ¹⁸O, se utilizan habitualmente en experimentos metabólicos humanos. (Consulte la prueba de agua doblemente etiquetada). Dado que uno de cada 6400 átomos de hidrógeno es deuterio, un ser humano de 50 kilogramos (110 lb) que contenga 32 kilogramos (71 lb) de agua corporal normalmente contendría suficiente deuterio (alrededor de 1,1 gramos o 0,039 onzas).) para producir 5,5 gramos (0,19 oz) de agua pesada pura, por lo que se requiere aproximadamente esta dosis para duplicar la cantidad de deuterio en el cuerpo.

Una pérdida de presión arterial puede explicar parcialmente la incidencia informada de mareos al ingerir agua pesada. Sin embargo, es más probable que este síntoma se pueda atribuir a una función vestibular alterada.

Confusión de contaminación por radiación de agua pesada

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 diminutas trazas de tritio natural, pero lo mismo ocurre con el agua ordinaria. El agua pesada que se ha utilizado como refrigerante en plantas de energía nuclear contiene mucho 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 de 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 lo 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 estuvo muy por debajo de los niveles que podrían inducir la toxicidad del agua pesada, pero varios empleados recibieron dosis elevadas de radiación del tritio y los químicos activados por neutrones en el agua. Este no fue un incidente de envenenamiento por agua pesada, sino envenenamiento por radiación de otros isótopos en el agua pesada.

Algunos servicios de noticias no fueron cuidadosos en 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 realmente es. Incluso si se hubiera utilizado agua pura y pesada en el enfriador de agua de forma indefinida, 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 dicha fuente..

Producción

En la Tierra, el agua deuterada, HDO, se encuentra naturalmente en el agua normal en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 3200. Esto significa que 1 de cada 6400 átomos de hidrógeno es deuterio, que es 1 parte en 3200 en peso (peso de hidrógeno). El HDO puede separarse del agua normal por destilación o electrólisis y también por varios procesos de intercambio químico, todos los cuales explotan un efecto isotópico cinético. Con el enriquecimiento parcial también ocurriendo en cuerpos de agua naturales bajo condiciones particulares de evaporación. (Para obtener más información sobre la distribución isotópica del deuterio en el agua, consulte el agua oceánica media estándar de Viena). En teoría, el deuterio para agua pesada podría crearse en un reactor nuclear, pero la separación del agua ordinaria es el proceso de producción a granel más económico.

La diferencia de masa entre los dos isótopos de hidrógeno se traduce en una diferencia en la energía de punto cero y, por lo tanto, en una ligera diferencia en la velocidad de la reacción. Una vez que HDO se convierte en una fracción significativa del agua, el agua pesada se vuelve más frecuente ya que las moléculas de agua intercambian átomos de hidrógeno con mucha frecuencia. La producción de agua pesada pura por destilación o electrólisis requiere una gran cascada de alambiques o cámaras de electrólisis y consume grandes cantidades de energía, por lo que generalmente se prefieren los métodos químicos.

El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de intercambio de temperatura dual (conocido como proceso de sulfuro Girdler) desarrollado en paralelo por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943.

Un proceso alternativo, patentado por Graham M. Keyser, utiliza láseres para disociar selectivamente los 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 no es económico debido al costo de obtener los hidrofluorocarbonos necesarios.

Como se señaló, el agua pesada comercial moderna se conoce y vende casi universalmente como óxido de deuterio. Se vende con mayor frecuencia en varios grados de pureza, desde un enriquecimiento del 98% hasta un enriquecimiento de deuterio del 99,75 al 99,98% (grado de reactor nuclear) y, en ocasiones, una pureza isotópica incluso mayor.

Argentina

Argentina fue el principal productor de agua pesada, utilizando una planta basada en intercambio de amoníaco/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 planta 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 de amoníaco-hidrógeno. Desde 2017, la planta de Arroyito no está operativa.

Unión Soviética

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. Dado que la Unión Soviética no tenía minas de uranio en ese momento, los jóvenes trabajadores de la Academia fueron enviados a las tiendas de fotografía 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 habían descubierto que toda la literatura científica relacionada con el agua pesada había desaparecido de Occidente, sobre lo que Flyorov advirtió en una carta al líder soviético Joseph Stalin, y en ese momento solo había 2-3 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 100 kg más 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 los Alsos rusos, 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 Girdler.. 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.

Estados Unidos

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, West Virginia; 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 usó agua pesada como moderador y se volvió crítico en 1944. Las tres plantas de producción domésticas se cerraron en 1945 después de producir alrededor de 81,470 libras de producto. La planta de Wabash reanudó la producción de agua pesada en 1952.

En 1953, Estados Unidos comenzó a usar agua pesada en reactores de producción de plutonio en el sitio del río Savannah. El primero de los cinco reactores de agua pesada entró en funcionamiento en 1953 y el último se apagó en frío en 1996. Los reactores SRS eran reactores de agua pesada para que pudieran producir tanto plutonio como tritio para el programa de armas nucleares de EE. UU.

Estados Unidos desarrolló el proceso de producción de intercambio químico de sulfuro Girdler, que se demostró por primera vez a gran escala en la planta de Dana, Indiana, en 1945, y en la planta de Savannah River, Carolina del Sur, en 1952. DuPont operaba el SRP para el USDOE hasta el 1 de abril de 1989, cuando Westinghouse se hizo cargo.

India

India es uno de los mayores productores de agua pesada del mundo a través de su Heavy Water Board. Exporta agua pesada a países como la República de Corea, China y Estados Unidos.

Imperio de Japón

En la década de 1930, Estados Unidos y la Unión Soviética sospechaban que el químico austriaco Fritz Johann Hansgirg había construido una planta piloto para el Imperio de Japón en Corea del Norte gobernada por los japoneses para producir agua pesada mediante el uso de un nuevo proceso que había inventado.

Noruega

"Agua pesada" hecha por Norsk Hydro

En 1934, Norsk Hydro construyó la primera planta comercial de agua pesada en Vemork, Tinn, y finalmente produjo 4 kilogramos (8,8 lb) por día. Desde 1940 y durante 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 las tropas aerotransportadas británicas fracasó y ambos planeadores se estrellaron. Los asaltantes murieron en el accidente o posteriormente fueron ejecutados por los alemanes.

La noche del 27 de febrero de 1943 tuvo éxito la Operación Gunnerside. Los comandos noruegos y la resistencia local lograron demoler partes pequeñas pero clave de las celdas electrolíticas, arrojando el agua pesada acumulada por los desagües de la fábrica.

El 16 de noviembre de 1943, las fuerzas aéreas aliadas lanzaron más de 400 bombas en el lugar. El ataque aéreo aliado llevó al gobierno nazi a trasladar toda el agua pesada disponible a Alemania para su custodia. El 20 de febrero de 1944, un guerrillero noruego hundió el transbordador M/F Hydro que transportaba agua pesada a través del lago Tinn, a costa de 14 vidas de civiles noruegos, y la mayor parte del agua pesada presumiblemente se perdió. Algunos de los barriles estaban solo medio llenos, por lo tanto, flotantes, y es posible que hayan sido rescatados y transportados a Alemania.

Una investigación reciente de los registros de producción en Norsk Hydro y el análisis de un barril intacto que se recuperó en 2004 reveló que, aunque los barriles de este envío contenían agua con un pH 14 (indicativo del proceso de refinamiento electrolítico alcalino), no contenían concentraciones altas. de D₂O. A pesar del tamaño aparente del envío, la cantidad total de agua pesada pura fue bastante pequeña, la mayoría de los barriles solo contenían entre 0,5 y 1 % de agua pesada pura. Los alemanes habrían necesitado un total de unas 5 toneladas de agua pesada para hacer funcionar 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, por no hablar de las 10 o más toneladas necesarias para producir suficiente plutonio para un arma nuclear. El programa alemán de armas nucleares estaba mucho menos avanzado que el proyecto de Manhattan y ningún reactor construido en la Alemania nazi estuvo nunca cerca de alcanzar la criticidad. Ninguna cantidad de agua pesada habría cambiado eso.

Israel admitió operar el reactor Dimona con agua pesada noruega vendida en 1959. A través de la reexportación usando Rumania y Alemania, India probablemente también usó agua pesada noruega.

Suecia

Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa Fosfatbolaget de Ljungaverk, Suecia, producía 2.300 litros al año de agua pesada. Luego, el agua pesada se vendió tanto a Alemania como al proyecto Manhattan en los EE. UU. por el precio de 1,40 coronas suecas por gramo de agua pesada.

Canadá

Como parte de su contribución al Proyecto Manhattan, Canadá construyó y operó una planta electrolítica de agua pesada de 450 kg (1000 lb) a 540 kg (1200 lb) por mes (capacidad de diseño) en Trail, Columbia Británica, que comenzó a operar en 1943.

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 ordenó dos plantas de agua pesada, que fueron construidas y operadas en el Atlántico canadiense en Glace Bay, Nueva Escocia (por Deuterio de Canadá Limited) y Port Hawkesbury, Nueva Escocia (por General Electric Canada). Estas plantas demostraron tener importantes problemas de diseño, construcción y producción. En consecuencia, AECL construyó la planta de agua pesada de Bruce (44°11′07″N 81°21′42″W / 44.1854°N 81.3618°W / 44.1854; -81.3618 (Bruce Heavy Water Plant)), que luego vendió a Ontario Hydro, para garantizar 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 de Bruce (BHWP) en Ontario fue la planta de producción de agua pesada más grande del mundo con una capacidad máxima de 1600 toneladas por año (800 toneladas por año por planta completa, dos plantas en pleno funcionamiento en su pico). Usó el proceso de sulfuro de Girdler para producir agua pesada y requirió 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 para 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.

AECL emitió el contrato de construcción en 1969 para la primera unidad BHWP (BHWP A). La puesta en marcha de BHWP A estuvo a cargo de Ontario Hydro desde 1971 hasta 1973; la planta entró en servicio el 28 de junio de 1973 y la capacidad de producción de diseño se logró en abril de 1974. Debido al éxito de BHWP A y la gran cantidad de agua pesada que necesarios para la gran cantidad de próximos proyectos de construcción de plantas de energía nuclear CANDU planificados, Ontario Hydro encargó tres plantas adicionales de producción de agua pesada 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 la cantidad de proyectos de construcción de CANDU terminó siendo significativamente menor de lo planeado originalmente, lo que llevó a la cancelación de la construcción en BHWP C & D. En 1984, se cerró BHWP A. Para 1993, Ontario Hydro había producido suficiente agua pesada para satisfacer todas sus necesidades domésticas anticipadas (que eran más bajas de lo esperado debido a una mayor eficiencia en el uso y reciclaje de agua pesada), por lo que cerraron y demolieron la mitad de la capacidad de BHWP B La capacidad remanente continuó operando para satisfacer la demanda de exportaciones de agua pesada hasta que se cerró definitivamente en 1997, después de lo cual la planta fue desmantelada gradualmente y el sitio despejado.

AECL está investigando actualmente 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 al 20 % del costo de capital total de cada planta CANDU en las décadas de 1970 y 1980.

Irán

Desde 1996 se estaba construyendo una planta para la producción de agua pesada en Khondab, cerca de Arak. El 26 de agosto de 2006, el presidente iraní Ahmadinejad inauguró la expansión de la planta de agua pesada del país. Irán ha indicado que la instalación de producción de agua pesada operará en conjunto con un reactor de investigación de 40 MW que tenía una fecha de finalización programada para 2009.

Irán produjo solventes deuterados a principios de 2011 por primera vez.

Se supone que el núcleo del IR-40 se rediseñará según el acuerdo nuclear de julio de 2015.

A Irán se le permite almacenar solo 130 toneladas (140 toneladas cortas) de agua pesada. Irán exporta el exceso de producción después de exceder su asignación, lo que convierte a Irán en el tercer mayor exportador mundial de agua pesada.

Pakistán

El reactor de investigación de uranio natural y agua pesada_th de 50 MW en Khushab, en la provincia de Punjab, es un elemento central del programa de Pakistán para la producción de plutonio, deuterio y tritio para la producción compacta avanzada. ojivas (es decir, armas termonucleares). Pakistán logró adquirir una planta de purificación y almacenamiento de tritio y materiales precursores de deuterio y tritio de dos empresas alemanas.

Otros países

Rumania producía agua pesada en la planta de sulfuro de Drobeta Girdler, ahora fuera de servicio, para fines domésticos y de exportación.

Francia operó una pequeña planta durante las décadas de 1950 y 1960.

Existe una concentración elevada de agua pesada en el hipolimnio del lago Tanganyika en África oriental. Es probable que existan concentraciones elevadas similares en lagos con una limnología similar, pero esto es solo un 4 % de enriquecimiento (24 frente a 28) y las aguas superficiales suelen estar enriquecidas en D
₂O por evaporación en mayor medida por H
₂O evaporación.

Aplicaciones

Resonancia magnética nuclear

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 solventes de agua ligera (¹H₂O) interfiere con la señal de la molécula de interés disuelta en ella. El deuterio tiene un momento magnético diferente y, por lo tanto, no contribuye a la señal de 1H-RMN 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 de una molécula. Con la adición de D₂O, a veces denominado D₂O batido, los hidrógenos lábiles se intercambian y se sustituyen por deuterio (²H) átomos. Estas posiciones en la molécula entonces no aparecen en el espectro ¹H-NMR.

Química orgánica

El óxido de deuterio se usa a menudo como fuente de deuterio para preparar isotopólogos de compuestos orgánicos específicamente etiquetados. Por ejemplo, los enlaces C-H adyacentes a los grupos carbonilo cetónicos pueden reemplazarse por enlaces C-D, usando catálisis ácida o básica. El yoduro de trimetilsulfoxonio, elaborado a partir de sulfóxido de dimetilo y yoduro de metilo, puede recristalizarse en óxido de deuterio y luego disociarse para regenerar yoduro de metilo y sulfóxido de dimetilo, ambos marcados con deuterio. En los casos en que se contemple el doble marcaje específico por deuterio y tritio, el investigador debe ser consciente de que el óxido de deuterio, dependiendo de la edad y el origen, puede contener algo de tritio.

Espectroscopia infrarroja

El óxido de deuterio se usa a menudo en lugar de agua cuando se recolectan espectros FTIR de proteínas en solución. H₂O crea una fuerte banda que se superpone con la región amida I de las proteínas. La banda de D₂O se desplaza lejos de la región de amida I.

Moderadora de neutrones

El agua pesada se usa en ciertos tipos de reactores nucleares, donde actúa como un moderador de neutrones para ralentizarlos de modo que sea más probable que reaccionen con el uranio-235 fisionable que con el uranio-238, que captura neutrones sin fisionarse.. El reactor CANDU utiliza este diseño. El agua ligera también actúa como moderador, pero debido a que el agua ligera absorbe más neutrones que el agua pesada, los reactores que usan agua ligera como moderador del reactor deben usar 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 provocaron el desastre de Chernobyl) ha llevado a la interrupción del grafito en los diseños de reactores estándar.

Debido a que no requieren el enriquecimiento de uranio, los reactores de agua pesada son más preocupantes en lo que respecta a la proliferación nuclear. La reproducción y extracción de plutonio puede ser una ruta relativamente rápida y económica 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 pasados, Israel, India y Corea del Norte usaron por primera vez plutonio de reactores moderados de agua pesada que quemaban uranio natural, mientras que China, Sudáfrica y Pakistán primero construyeron armas usando uranio altamente enriquecido.

El programa nuclear nazi, operando con medios más modestos que el Proyecto Manhattan contemporáneo y obstaculizado por el exilio de muchos científicos destacados (muchos de ellos terminaron trabajando para el Proyecto Manhattan), así como las continuas luchas internas, erróneamente descartadas grafito como moderador debido a que no reconoce 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 moderador potencial. Otros problemas fueron la aversión ideológica con respecto a lo que la propaganda descartó como "física judía" y la desconfianza entre quienes habían sido nazis entusiastas incluso antes de 1933 y quienes 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 a 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 los EE. UU., sin embargo, el primer reactor atómico experimental (1942), así como los reactores de producción del Proyecto Hanford de Manhattan que produjeron el plutonio para la prueba Trinity y las bombas Fat Man, utilizaron moderadores de neutrones de carbono puro (grafito) combinados. con tuberías normales de refrigeración por agua. Funcionaban sin uranio enriquecido ni agua pesada. La producción de plutonio rusa y británica también utilizó reactores moderados con grafito.

No hay evidencia de que los reactores civiles de energía de agua pesada, como los diseños CANDU o Atucha, se hayan utilizado para producir materiales fisionables militares. En las naciones que aún no poseen armas nucleares, el material nuclear en estas instalaciones está bajo las salvaguardias de la OIEA para desalentar cualquier desviación.

Debido a su uso potencial en programas de armas nucleares, la posesión o importación/exportación de grandes cantidades industriales de agua pesada está sujeta al control gubernamental en varios países. Los proveedores de agua pesada y tecnología de producción de agua pesada suelen aplicar salvaguardias administradas por el OIEA (Agencia Internacional de Energía Atómica) y contabilidad de materiales para el agua pesada. (En Australia, la Ley de No Proliferación Nuclear (Salvaguardas) de 1987.) En los EE. UU. y Canadá, las cantidades no industriales de agua pesada (es decir, en el rango de gramos a kg) están disponibles de forma licencia especial a través de distribuidores de suministros químicos y empresas comerciales, como el antiguo productor principal del mundo, Ontario Hydro.

Detector de neutrinos

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Sudbury, Ontario, utiliza 1000 toneladas de agua pesada prestadas por Atomic Energy of Canada Limited. El detector de neutrinos está a 2100 m (6800 pies) bajo tierra en una mina, para protegerlo de los muones producidos por los rayos cósmicos. SNO se construyó para responder a la pregunta de si los neutrinos de tipo electrónico producidos por 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 Tierra. SNO detecta la radiación de Cherenkov en el agua a partir de 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 de Cherenkov para la detección).

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 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 (deuterio), transfiriendo suficiente energía para romper el deuterón débilmente unido en un neutrón libre y un protón a través de una interacción de corriente neutra (NC).

Este evento se detecta cuando el neutrón libre es absorbido por ³⁵Cl⁻ presente de NaCl disuelto deliberadamente en el agua pesada, provocando la emisión de rayos gamma de captura característicos. Así, en este experimento, el agua pesada no solo proporciona el medio transparente necesario para producir y visualizar la radiación de Cherenkov, sino que también proporciona deuterio para detectar neutrinos exóticos de tipo mu (μ) y tau (τ), así como un moderador no absorbente. medio para preservar los neutrones libres de esta reacción, hasta que puedan ser absorbidos por un isótopo activado por neutrones fácilmente detectable.

Pruebas de tasa metabólica y recambio de agua en fisiología y biología

El agua pesada se emplea como parte de una mezcla con H₂¹⁸O para una prueba común y segura de la tasa metabólica media en humanos y animales que realizan sus actividades normales. La tasa de eliminación de deuterio solo es una medida de la renovación del agua corporal. Esto es muy variable entre los individuos y depende de las condiciones ambientales, así como del tamaño, el sexo, la edad y la actividad física del sujeto.

Producción de tritio

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 iniciadores y armas de fisión potenciadas. El tritio sufre una desintegración beta en helio-3, que es un isótopo de helio estable, pero raro, que en sí mismo es muy buscado. Algo de tritio se crea en reactores moderados por agua pesada cuando el deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una pequeña sección transversal (probabilidad de un solo evento de captura de neutrones) y produce solo pequeñas cantidades de tritio, aunque suficiente para justificar la limpieza 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 una sección transversal de captura de órdenes de magnitud más alta que cualquier componente del agua pesada o tritiada, su acumulación en un moderador de neutrones de agua pesada o en un objetivo para la producción de tritio debe mantenerse al mínimo.

Producir mucho tritio de esta manera requeriría reactores con flujos de neutrones muy altos, o con una proporción muy alta de agua pesada en combustible nuclear y una absorción de neutrones muy baja por parte de otros materiales del reactor. Entonces, el tritio tendría que recuperarse mediante la separación de isótopos de una cantidad mucho mayor de deuterio, a diferencia de la producción a partir de litio-6 (el método actual), donde solo se necesita la separación química.

La sección transversal de absorción de deuterio para neutrones térmicos es de 0,52 milibarns (5,2 × 10⁻³² m²; 1 barn = 10⁻²⁸ m²), mientras que las del oxígeno-16 y oxígeno-17 son de 0,19 y 0,24 milibarns, respectivamente. ¹⁷O constituye el 0,038 % del oxígeno natural, lo que hace que la sección transversal total sea de 0,28 milibarns. Por lo tanto, en D₂O con oxígeno natural, el 21 % de las capturas de neutrones están en oxígeno, aumentando más a medida que se acumula ¹⁷O a partir de la captura de neutrones en ¹⁶O. Además, ¹⁷O puede emitir una partícula alfa en la captura de neutrones, produciendo carbono-14 radiactivo.