NATURALEZA APLICACIONES Y OBTENCIN DEL AGUA PESADA DEUTERIO

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, D 2 O, 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 2 Me. V a 0, 025 e. V (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 H 2. 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 k. Pa 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 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.