Производство тяжелой воды
Тяжелая вода — соединение дейтерия с кислородом D2О — применяется в качестве замедлителя нейтронов в атомных реакторах, а также служит сырьем для получения газообразного дейтерия.
В воде отношение протия к дейтерию составляет примерно 6000 : 1. Радиоактивного изотопа водорода — трития — содержится совершенно ничтожные количества. Электрохимические свойства протия и дейтерия имеют различия. Так, перенапряжение выделения на катоде дейтерия больше, чем протия (примерно на 0,1 в в условиях практического электролиза), и стандартный потенциал дейтерия на 0,003 в отрицательнее, чем протия.
Более высокое перенапряжение и более электроотрицательный стандартный потенциал, вместе со много раз меньшей концентрацией дейтерия по сравнению с протием, должны приводить к преимущественному разряду на катоде протия и накапливанию дейтерия в электролите. Однако значительного разделения изотопов водорода при электролизе не происходит. Это происходит потому, что между газовой и жидкой фазами протекает реакция изотопного обмена
Н2Ож + HDг ⇄ НDОж + Н2г
Реакция изотопного обмена предопределяет способ ведения электролиза. Если вести электролиз при постоянном объеме электролита, т. е. убыль воды в результате электролиза пополнять свежей водой обычного изотопного состава, то сколько бы времени ни вели электролиз, обогащение дейтерием не будет превышать 3—8 раз. Но, если вести электролиз на «выработку воды» (сократительный электролиз), то по мере разложения воды электролит будет обогащаться дейтерием все больше и больше, так как обогащение жидкой фазы происходит в большей мере, чем газообразной. Так, в практических условиях при 10-кратном уменьшении первоначального объема электролита, приготовленного на обычной воде, содержащей 0,02% D2O в газ уходит около 37% содержащегося в воде дейтерия, а 63% скапливается в оставшемся объеме электролита. Если же сократить первоначальный объем в 105 раз, то получится почти чистая тяжелая вода, но потери дейтерия с газовой фазой составят примерно 95%.
Для электролиза применяют обычные фильтрпрессные электролизеры. В качестве электролиза берут преимущественно растворы КОН, так как КОН обладает большей электропроводностью. Концентрация КОН в электролите составляет 26%. Температура первых ступеней концентрирования 60—70° С, а последних — около 25° С. Напряжение на ваннах, работающих при повышенной температуре, 2,1 в, а работающих при комнатной температуре — 2,6—3,4 в.
Электролит для получения тяжелой воды с течением времени карбонизируется и его электропроводность падает. Поэтому электролит частично или полностью заменяют. При выводе электролита из цикла во избежание потерь тяжелого водорода по реакции
D2O + KOH ⇄ HDO + KOD
выпарку воды производят не сразу, а после полной карбонизации всей содержащейся в растворе щелочи двуокисью углерода. После полного превращения КОН в К2СО3 раствор выпаривают и пары конденсируют. В конденсате оказывается весь тяжелый водород раствора.
Примерная технологическая схема получения тяжелой воды комбинированным способом электролиза и каталитического изотопного обмена.
В первую ступень электролизных ванн поступает исходная питающая вода. Водород и кислород, выделяющиеся в результате электролиза, поступают в холодильники, в которых уносимые ими пары воды, обогащенные тяжелым водородом, конденсируются. Этим конденсатом питают ванны второй ступени электролиза. Водород из ванн первой ступени без дальнейшей обработки поступает потребителям. Количество питающей воды подбирают таким, чтобы компенсировать убыль из-за уноса паров и разложения током.
Вторая ступень электролиза состоит из меньшего числа ванн. Сухой водород из ванн этой ступени обычно тоже непосредственно поступает потребителю, так как извлечение из него дейтерия оказывается экономически нецелесообразным. Конденсат паров, уносимых газами из второй ступени, поступает на питание ванн третьей ступени.
Число ванн в третьей ступени еще меньше чем во второй. Водород в этом случае после осушки содержит уже значительное количество дейтерия, извлекаемого в обменных колоннах с катализатором. В колонну подают пары питающей (исходной) воды, которые в результате изотопного обмена обогащаются дейтерием и после конденсации поступают на электролиз. Водород же, обедненный дейтерием, поступает потребителю.
Операцию изотопного обмена целесообразно проводить на средних ступенях обогащения. В более близких к концу ступенях обогащения, когда выделяются незначительные количества водорода, производят сжигание водорода и сконденсированные пары подают в ванны предыдущей ступени электролиза. Тепло от сжигания водорода можно использовать для, испарения воды, поступающей в обменные колонны.
Таким образом, в результате многоступенчатого обогащения удается получить практически чистую тяжелую воду (не менее 99,7% D2О) с расходом электроэнергии 60—100 квт•чна1\кг D2O.
При электролизе наряду с дейтерием вода обогащается тритием и тяжелым кислородом О18. Обогащение воды тритием происходит быстрее, чем дейтерием, а обогащение воды изотопом О18 происходит незначительно.
Статья на тему Производство тяжелой воды