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.