Nước nặng trong lò phản ứng hạt nhân là gì, nó có thể uống được không?

Nước nặng là gì? Nói một cách đơn giản, nước nặng là loại nước mà hydro trong phân tử nước bình thường được thay thế bằng deuterium. Nguyên tử hydro có ba loại trong tự nhiên, đó là hydro-1, hydro-2 và hydro-3. Để thuận tiện cho việc ghi nhớ, chúng thường được gọi lần lượt là proti, deuterium và triti.

Sự khác biệt chính giữa ba loại hydro này nằm ở số lượng neutron trong hạt nhân. Protium là loại hydro mặc định trong môi trường sống tự nhiên của chúng ta, chúng bao gồm một proton và một electron, trong khi deuterium lại có thêm một neutron khi so sánh với proti và tritium thì có thêm hai neutron khi so sánh với proti.

Hầu hết hydro trong tự nhiên tồn tại ở dạng proti, với mức độ phong phú tương đối là 99,9844%, trong khi mức độ phong phú của deuterium tương đối thấp, khoảng 0,0156%. Đối với triti, vì mức độ phong phú nhỏ hơn 0,001% nên nó thường được ghi nhận là một lượng vết.

Trong sự cố nước thải hạt nhân gần đây ở Fukushima, Nhật Bản, hàm lượng tritium là một vấn đề chính được thảo luận.

Triti là chất phóng xạ và trải qua quá trình phân rã beta với chu kỳ bán rã 12,43 năm. Người ta thường cho rằng nó được tạo ra bởi sự tương tác của bức xạ vũ trụ và hydro trong tầng khí quyển. Kể từ khi công nghệ hạt nhân ra đời, con người đã sản xuất ra nhiều hơn 5 lần kho tritium tự nhiên (trong tự nhiên chỉ có khoảng 7,3 kg).

Mặc dù proti (H2O), deuterium (D2O) và tritium (T2O) khác nhau về thành phần nguyên tử, nhưng sự khác biệt về tính chất hóa học của chúng là rất nhỏ (D2O và T2O thường được biết đến là nước nặng và nước siêu nặng).

Cũng chính vì nhiều tính chất của 3 chất này giống nhau nên tritium cũng là một chất khó tách và loại bỏ nhất trong nước thải hạt nhân. Tuy nhiên, nước nặng không có phóng xạ thú vị hơn nhiều so với nước siêu nặng.

Vì khối lượng riêng của nước nặng lớn hơn khối lượng riêng của nước 10% nên nước đá nặng có thể chìm xuống đáy trong nước.

Năm 1931, nhà khoa học người Mỹ Harold Clayton Urey đã phát hiện ra đồng vị của hydro, đơteri và ông cũng đã nhận được giải Nobel Hóa học năm 1934.

Năm 1933, người cố vấn của Urey là Gilbert Newton Lewis đã sản xuất ra 0,5 ml nước nặng bằng cách điện phân nước, với độ tinh khiết là 65,7%.

Harold Clayton Urey

Tuy nhiên, deuterium trong nước tự nhiên không phải lúc nào cũng tồn tại ở dạng D2O, và nó có nhiều khả năng tồn tại ở dạng HDO (một nửa nước nặng). Trong quá trình sản xuất nước nặng bằng phương pháp điện phân, khi các phân tử HDO đạt đến một tỷ lệ nhất định sẽ xảy ra hiện tượng trao đổi ion hydro giữa các phân tử nước, và tỷ lệ D2O cũng theo đó mà tăng cao.

Khi phương pháp sản xuất nước nặng bằng phương pháp điện phân xuất hiện, nó nhanh chóng được ứng dụng vào thực tế. Năm sau khi Lewis sản xuất nước nặng có độ tinh khiết cao, Na Uy đã xây dựng nhà máy thủy điện Venmork vào năm 1934, nhà máy này sử dụng nguồn nước dồi dào của tự nhiên để điện phân nước, tạo ra hydro sản xuất phân nitrat.

Nhà máy thủy điện Venmork của Na Uy.

Tuy nhiên, sản xuất phân bón hóa học cần hydro từ nước điện phân, và không sử dụng đến nước nặng còn lại trong tế bào điện phân. Bởi vậy sau một thời gian hoạt động, nhà máy đã phân tích dư lượng của quá trình điện phân và phát hiện ra rằng tỷ lệ deuterium so với hydro (protium) là 1:48, cao hơn nhiều so với tỷ lệ tự nhiên 1: 6400, mặc dù hầu hết chúng tồn tại ở dạng bán HDO.

Vì vậy, Công ty Thủy điện Na Uy đã chấp nhận đề nghị của người phụ trách nhà máy hydro là sản xuất nước nặng từ các sản phẩm phụ của quá trình điện phân. Bởi vậy có thể nói Thủy điện Na Uy đã trở thành nhà cung cấp nước nặng sớm nhất trong cộng đồng khoa học.

Tuy nhiên, câu chuyện về nước nặng chỉ mới bắt đầu. Cuối năm 1938, người Đức đã phát hiện ra rằng sự bắn phá của nơtron vào uranium có thể gây ra sự phân hạch hạt nhân. Cuối năm 1939, Liên Xô kết luận rằng nước nặng và than chì là những chất điều tiết khả thi duy nhất cho các lò phản ứng uranium, và mỗi lò phản ứng này cần khoảng 15 tấn nước nặng để hoạt động.

Bởi vậy sau đó nước nặng đã trở thành một chất chiến lược vì nó có thể làm chậm các neutron sinh ra từ các phản ứng hạt nhân dây chuyền, và tất cả các quốc gia đều coi trọng nó. Từ năm 1940 đến Thế chiến thứ hai, nhà máy nước nặng Na Uy nằm dưới sự kiểm soát của Đức Quốc xã và đã mua gần như toàn bộ lượng nước nặng với số lượng lớn.

Lực lượng đồng minh vượt qua cao nguyên núi để phá hủy nhà máy sản xuất nước hạng nặng dưới sự kiểm soát của Đức Quốc xã.

Tóm lại, nước nặng khi vừa mới xuất hiện đã gắn liền với các phản ứng hạt nhân, nên ấn tượng đầu tiên của nhiều người về nó là cực kỳ nguy hiểm, nhưng thực tế không phải vậy.

Ngay khi mới khám phá ra nước nặng, các nhà khoa học đã cảm thấy rất tò mò với nó, bởi vậy đã có người uống thử nước nặng ngay sau khi phát hiện ra deuterium.

GeorgeCharles de Hevesy và Harold Clayton Urey, người phát hiện ra deuterium, là bạn tốt của nhau. Năm 1934, Hevesy đã ngỏ lời với Urey để lấy vài lít nước nặng với độ tinh khiết không cao, chỉ 0,6%.

Hevesy sau đó đã uống nước lượng nặng này để sử dụng deuterium làm chất đánh dấu, nghiên cứu quá trình chuyển hóa nước của cơ thể con người, và cuối cùng kết luận rằng thời gian cư trú trung bình của các phân tử nước trong cơ thể người là 13 ± 1,5 ngày.

Nhưng nếu hấp thụ lượng nước nặng có độ tinh khiết cao hơn thì nó sẽ có ảnh hưởng không hề nhỏ đối với cơ thể của động và thực vật. Thực vật sẽ chết trong môi trường nước nặng có nồng độ cao. Động vật như chuột và chó sẽ trở nên vô sinh nếu D2O đạt hơn 25% trong cơ thể, và cá sẽ chết nhanh chóng trong môi trường nước nặng hơn 90%. Động vật có vú sẽ chết khoảng một tuần sau khi được cho uống lượng nước nặng đạt khoảng 50%.

Còn trên thực tế, con người và động vật hầu như không thể tiếp xúc với lượng nước nặng có độ tinh khiết cao như vậy, trừ những loài động vật được nuôi để phục vụ mục đích nghiên cứu.