15/11/1934 - "Người anh em của Hydro" đưa Harold Clayton Urey đến với giải Nobel hóa học

Deuteri, hay còn gọi là hydro nặng, là một đồng vị bền của hydro có mặt phổ biến trong các đại dương của Trái Đất với tỉ lệ khoảng 1 nguyên tử trong 6.400 nguyên tử hydro (khoảng 156,25 ppm). Deuteri chiếm khoảng 0,0156% (tương đương về khối lượng: 0,0312%) trong tổng số hydro tự nhiên trong các đại dương của Trái Đất; mức độ phong phú thay đổi nhỏ theo từng loại hình nước tồn tại trong tự nhiên. Hạt nhân của deuteri chứa 1 proton và 1 nơtron, trong khi các hạt nhân của hydro thông thường không có nơtron. Tên đồng vị này có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp deuteros nghĩa là "2", ám chỉ có 2 hạt cấu tạo nên hạt nhân.

Ba đồng vị của Hydro: Hydro, Deuteri, Triti.

Harold Clayton Urey (1893-1981) là nhà hóa học người Mỹ. Ông đoạt giải Nobel Hóa học năm 1934 nhờ việc phát hiện ra Deuteri bằng cách chưng cất một mẫu nước nhiều lần. Lúc đó, Urey là phó giáo sư hóa học 39 tuổi tại trường Đại học Columbia vào năm 1932. Ông đã có một khởi đầu êm xuôi vào năm ấy khi vào thời điểm năm mới, tạp chí Physical Review công bố “Một đồng vị hydrogen có khối lượng 2”, một lá thư Urey gửi cho hai biên tập viên của tạp chí này là Ferdinand Brickwedde và George Murphy báo cáo đã khám phá ra deuterium. Đó là khám phá đầu tiên trong bốn khám phá trọng yếu của năm 1932. Các khám phá neutron, positron, và sự phân hủy hạt nhân bởi máy gia tốc hạt nhanh chóng tiếp gót sau đó. Những khám phá này nhanh chóng làm chuyển biến kiến thức về cấu trúc hạt nhân và chứng minh tính thực tại của phản vật chất

Việc phát hiện ra deuteri đã dẫn tới sự ra đời của một hợp chất mới có vai trò rất quan trọng trong ngành công nghệ năng lượng hạt nhân - nước nặng. Định nghĩa về nước nặng là nước chứa một tỷ lệ đồng vị deuteri cao hơn thông thường, hoặc là deuteri oxit, hoặc là deuteri proti oxit. Các tính chất vật lý và hóa học của nó là gần như tương tự như của nước (H2O). Nước nặng có thể chứa nhiều tới 100% D2O, và thông thường thì thuật ngữ này nói tới nước trong đó có tỷ lệ cao deuteri. Sự thay thế đồng vị bằng deuteri biến đổi năng lượng liên kết của liên kết hydro-oxy trong nước, dẫn tới biến đổi các tính chất vật lý, hóa học và đặc biệt là sinh học của nước chứa thuần túy hay làm giàu cao bằng deuteri ở mức độ lớn hơn so với được tìm thấy trong phần lớn các hợp chất hóa học được thay thế bằng đồng vị.

Harold Clayton Urey được coi là người mở ra hướng đi mới cho công nghệ năng lượng hạt nhân.

Nước nặng được sử dụng trong một số kiểu lò phản ứng hạt nhân nhất định trong đó nó đóng vai trò như là tác nhân điều tiết nơtron để làm chậm nơtron sao cho chúng có thể phản ứng với urani trong lò phản ứng. Các lò phản ứng CANDU sử dụng kiểu thiết kế này. Nước nhẹ cũng có thể đóng vai trò như là tác nhân điều tiết nhưng do nó hấp thụ nhiều nơtron hơn so với nước nặng, nên các lò phản ứng sử dụng nước nhẹ phải dùng urani giàu chứ không phải urani tự nhiên, nếu khác đi thì điểm tới hạn là không thể. Việc sử dụng nước nặng làm tăng thực chất tính hiệu quả của phản ứng hạt nhân.

Do điều này, các lò phản ứng nước nặng sẽ là hiệu quả hơn trong việc sinh ra plutoni (từ urani-238) hay urani-233 (từ thori-232) so với các lò phản ứng nước nhẹ cùng kích thước, dẫn tới việc e ngại nhiều hơn về chúng khi đề cập tới phổ biến hạt nhân. Việc sản xuất ra và tách chiết plutoni có thể là hành trình tương đối nhanh và rẻ để chế tạo vũ khí hạt nhân, do việc tách hóa học của plutoni từ nhiên liệu là dễ hơn so với tách đồng vị của U-235 từ urani tự nhiên. Nước nặng điều tiết các lò phản ứng nghiên cứu hay các lò phản ứng sinh plutoni được xây dựng chuyên biệt đã được sử dụng cho mục đích này bởi phần lớn, nếu không là tất cả, các quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân, mặc dù về mặt lịch sử thì các vũ khí hạt nhân đầu tiên đã được sản xuất mà không có nó (nước nặng).

Nước nặng là thứ không thể thiếu trong các lò phản ứng hạt nhân.

Cacbon tinh khiết cũng có thể dùng như là tác nhân điều tiết, thậm chí trong các lò phản ứng hạt nhân dùng urani nghèo. Vì thế, tại Hoa Kỳ, lò phản ứng nguyên tử thực nghiệm đầu tiên (năm 1942), cũng như các lò phản ứng sản xuất Hanford của dự án Manhattan, trong đó sản xuất plutoni cho thử nghiệm Trinity và bom Fat Man, tất cả đều dùng tác nhân điều tiết nơtron là cacbon và hoạt động mà không cần cả urani giàu lẫn nước nặng. Không có chứng cứ nào cho thấy các lò phản ứng nước nặng dân sự để sản xuất điện năng nào, chẳng hạn như các thiết kế của CANDU hay Atucha, đã từng được sử dụng trong sản xuất quân sự để tạo ra vật liệu phân hạch. Tại các quốc gia chưa sở hữu vũ khí hạt nhân, vật liệu hạt nhân tại các cơ sở như vậy nằm dưới sự giám sát của IAEA (Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế) nhằm ngăn cản những ý định như vậy.

Do tiềm năng của nó trước việc sử dụng trong các chương trình vũ khí hạt nhân, việc chiếm hữu hay xuất/nhập khẩu lượng lớn nước nặng ở quy mô công nghiệp nằm dưới sự kiểm soát nhà nước tại một số quốc gia. Các nhà cung cấp nước nặng và công nghệ sản xuất nước nặng thông thường phải đệ đơn lên IAEA để thi hành việc giám sát và các vật liệu liên quan tới nước nặng theo Đạo luật không phổ biến vũ khí hạt nhân 1987. Tại Hoa Kỳ và Canada, các khối lượng nước nặng phi công nghiệp (nghĩa là ở mức gram tới kilogram) là có sẵn thông qua các nhà cung cấp hóa chất, và các công ty thương mại trực tiếp, chẳng hạn như nhà cựu sản xuất chính trên thế giới (Ontario Hydro), mà không cần phải có giấy phép đặc biệt. Vào năm 2006, giá thành của một kilôgam nước nặng độ tinh khiết tại lò phản ứng ở mức 99,98% là khoảng 600 USD tới 700 USD. Các lượng nhỏ hơn với độ tinh khiết hợp lý (99,9%) có thể mua từ các nhà cung cấp hóa chất ở mức giá khoảng 1 USD cho mỗi gam.

Do cần phải có lượng nước nặng rất lớn để thay thế từ 25 tới 50% lượng nước trong cơ thể người bằng nước nặng, nên đầu độc ngẫu nhiên hay có chủ định bằng nước nặng là không thể nên trong thực tế thường là bỏ qua. Để ngộ độc, một lượng lớn nước nặng cần phải uống vào mà không có lượng đáng kể nước thường nào được đưa vào trong nhiều ngày để sinh ra các hiệu ứng ngộ độc đáng kể. Ví dụ, một người cân nặng 70 kg chứa khoảng 50 kg nước và uống 3 lít nước nặng tinh khiết mỗi ngày, thì người này cần phải làm điều này gần 5 ngày để đạt được ngưỡng 25% deuteri hóa, và khoảng 11 ngày để đạt ngưỡng 50% deuteri hóa. Vì thế, phải mất 1 tuần chỉ uống nước nặng để bắt đầu cảm thấy ốm yếu, và 10-15 ngày để ngộ độc trầm trọng và chết. Trong điều kiện thông thường nói chung khó có thể xảy ra là người nào đó đã nhận được một liều gây ngộ độc nước nặng, biện pháp xử lý là sử dụng thay thế nước theo đường ven. Nó có thể thực hiện thông qua dung dịch clorua natri 0,9% với các muối khác khi cần thiết, có thể là cùng với các thuốc lợi tiểu.

Nước nặng chỉ nguy hiểm khi uống thật sự quá nhiều.

Năm 1990, một nhân viên bất mãn là Daniel George Maston tại Nhà máy điện nguyên tử Mũi Lepreau ở Canada đã thu được khoảng nửa cốc nước nặng từ hệ thống vận chuyển nhiệt chính của lò phản ứng, và đổ nó vào hệ thống lọc và làm mát nước uống cho công nhân nhà máy. Tám công nhân đã uống một ít nước nhiễm xạ này. Sự cố được phát hiện khi các công nhân bắt đầu để lại các mẫu nước tiểu kiểm định sinh học với mức triti cao. Lượng nước nặng đã uống là thấp hơn nhiều so với liều có thể gây ngộ độc thật sự đối với nước nặng, nhưng một số công nhân đã nhận được mức phóng xạ nâng cao từ triti và các chất hoạt hóa nơtron trong nước. Đây không phải sự việc về ngộ độc nước nặng, mà là ngộ độc phóng xạ từ các đồng vị khác có trong nước nặng. Một số báo chí đã không cẩn thận để phân biệt rõ ràng các điểm này, và một số công chúng đã có ấn tượng rằng nước nặng thông thường là chất phóng xạ và có độc tính nghiêm trọng hơn so với thực chất nó có. Ngay cả khi nước nặng tinh khiết đã được sử dụng trong hệ thống làm lạnh nước vô hạn định, thì sự việc cũng không phải dễ phát hiện hay dễ gây ra thương tổn, do không có người lao động nào lại có thể uống nhiều tới mức 25% nhu cầu nước hàng ngày của mình từ nguồn như thế.

Tham khảo History, Chemistry, DailyMail