氧化氘

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氧化氘[Deuterium oxide]是 氘和氧的化合物,比一般水重

化学式:D2O

构成:一个氧化氘分子由一个氧分子和两个氘分子构成。

俗称:重水(heavy water)

性状:无色、无臭、无味的液体。

用途:原子能工业中用作减速剂,也是制取氘的原料。

分子量:20.0275,比普通水(H2O)的分子量18.0153高出约11%,因此俗称重水。

在天然水中,重水的含量:约0.015%。

重水的离子积常数:1.6*10-15。

由于氘与氢的性质差别极小,因此重水和普通水也很相似,但由于物理性质不同,人和动物若是喝了重水,会引起死亡!  

发现过程:

       1931年国H.C.尤里和F.G.布里克维德在液氢中发现氘,

1933年国G.N.路易斯和R.T.麦克唐南利用减容电解法得到0.5微升重水,纯度为65.7%,再经电解,得0.1克接近纯的重水。

1934 年,挪威利用廉价的水力发电,建立了世界上第一座重水生产工厂。  

生产方法:

电解法。电解水时,EBAE的电解分离系数可达10左右,可使重水很快浓集。但耗电能太大,已不单独使用。

精馏法。分水、氨、氢等精馏法,以富集其中的氘,操作虽简单,但分离系数小。

化学交换法。利用化学反应使氘和氢交换而得到富集,是最经济的方法。  

氧化氘的主要作用:

氧化氘主要用作核反应堆的慢化剂和冷却剂,用量可达上百吨。氧化氘分解产生的氘是热核燃料。重水还可做示踪物质。

氧化氘在外观上和普通水相似,只是密度略大,为1.lg/cm3,冰点略高,为3.82℃,沸点为101.42℃。参与化学反应的速率比普通水缓慢。

氧化氘主要用于核反应堆中作减速剂,它可以减小中子的速率,使之符合发生裂变过程的需要。氧化氘也是研究化学和生理变化中使用过的材料。浓而纯的重水不能维持动植物的生命,其致死浓度为60%。

国际在线报道:美国表示,伊朗境内的一家重水生产工厂的修建工作已接近完成,届时将能为附近的核反应堆提供其所需的氧化氘。氧化氘究竟是一种什么宝贝,值得人们处心积虑地制造它、破坏它,如此密切地关注它呢?

重水与普通水看起来十分相像,它们的化学性质也一样,不过某些物理性质却不相同。普通水的密度为1克/立方厘米,而重水的密度为1.056克/立方厘米。人和动物若是喝了重水,会引起死亡。重水的特殊价值体现在原子能技术应用中,要制造威力巨大的核武器,就需要重水作为原子核裂变反应中的减速剂。

1942年2月的一天,当纳粹德国满载重水的轮渡船正准备横渡挪威廷斯佐湖时,一声低沉的爆炸声自甲板下传出来。5分钟后,这艘船便沉入了湖底,船上装载的重水也溶入了湖水中。同盟国的特工炸沉了这艘运送重水的渡船,使战争狂人希特勒梦想制造第一枚原子弹的计划彻底破灭。

重水的一个分子是由两个重氢原子和一个氧原子构成,其分子式为D2O,相对分子质量是20,重水在自然界中分布较少,在普通水中约含重水0.015%.由于含量少,制备难,它比黄金还贵重.

重水外观上和普通水相似,是无色、无臭、无味的液体.密度比普通水大,熔点、沸点比普通水高.由于重水分子量大,运动速度慢,所以在高山上的冰雪中,特别是在南极的冰雪中重水含量微乎其微,水的密度最小,是地球上最轻的水.

重水在尖端科技中有十分重要的用途.原子能发电站的心脏是原子反应堆,为了控制原子反应堆中核裂变反应的正常进行,需要用重水做中子的减速剂.电解重水可以得到重氢,重氢是制氢弹的原料,我国已于1967年6月17日成功地爆炸了第一颗氢弹,大长了中国人民的志气.更重要的是重氢进行核聚变反应时,可放出巨大的能量,而且不会污染环境.有人计算推测,如果将海水中的重氢都用于热核反应发电,其总能量相当于全部海洋都变成了石油.

重水虽然在尖端技术上是宝贵的资源,但对人却是有害的.人是不能饮用重水的,微生物、鱼类在纯重水或含重水较多的水中,只要数小时就会死亡.相反,含重水特别少的轻水,如雪水,却能刺激生物生长

重水和普通水一样,也是由氢和氧化合而成的液体化合物,不过,重水分子和普通水分子的氢原子有所不同。我们知道,氢有3种同位素。一种是氕,它只含有一个质子。它和一个氧原子化合可以生成普通的水分子。另一种是重氢 ——氘。它含有一个质子和一个中子。它和一个氧原子化合后可以生成重水分子。还有一种是超重氢——氚。它含有两个中子和一个质子,它和一个氧原子化合后可以生成氧化氚分子。

重水可以通过多种方法生产。最初的方法是用电解法,因为重水无法电解,这样可以从普通水中把它分离出来。还有一种简单方法是利用重水沸点高于普通水通过反复蒸馏得到。后来又发展了一些其他较佳的方法。

然而只有两种方法已证明具有商业意义:水——硫化氢交换法(GS法)和氨——氢交换法。

GS法是基于在一系列塔内(通过顶部冷和底部热的方式操作)水和硫化氢之间氢与氘交换的一种方法。在此过程中,水向塔底流动,而硫化氢气体从塔底向塔顶循环。使用一系列多孔塔板促进硫化氢气体和水之间的混合。在低温下氘向水中迁移,而在高温下氘向硫化氢中迁移。氘被浓缩了的硫化氢气体或水从第一级塔的热段和冷段的接合处排出,并且在下一级塔中重复这一过程。最后一级的产品(氘浓缩至高达30%的水)送入一个蒸镏单元以制备反应堆级的重水(即99.75%的氧化氘)。

氨——氢交换法可以在催化剂存在下通过同液态氨的接触从合成气中提取氘。合成气被送进交换塔,而后送至氨转换器。在交换塔内气体从塔底向塔顶流动,而液氨从塔顶向塔底流动。氘从合成气的氢中洗涤下来并在液氨中浓集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器,而气体流入塔顶部的氨转换器。在以后的各级中得到进一步浓缩,最后通过蒸馏生产出反应堆级重水。合成气进料可由氨厂提供,而这个氨厂也可以结合氨——氢交换法重水厂一起建造。氨——氢交换法也可以用普通水作为氘的供料源。

利用GS法或氨——氢交换法生产重水的工厂所用的许多关键设备项目是与化学工业和石油工业的若干生产工序所用设备相同的。对于利用GS法的小厂来说尤其如此。然而,这种设备项目很少有“现货”供应。GS法和氨——氢交换法要求在高压下处理大量易燃、有腐蚀性和有毒的流体。因此,在制定使用这些方法的工厂和设备所用的设计和运行标准时,要求认真注意材料的选择和材料的规格,以保证在长期服务中有高度的安全性和可靠性。规模的选择主要取决于经济性和需要。因而,大多数设备项目将按照用户的要求制造。

最后,应该指出,对GS法和氨——氢交换法而言,那些单独地看并非专门设计或制造用于重水生产的设备项目可以组装成专门设计或制造用于生产重水的系统。氨——氢交换法所用的催化剂生产系统和在上述两方法中将重水最终加浓至反应堆级所用的水蒸馏系统就是此类系统的实例。

专门设计或制造用于利用GS法或氨——氢交换法生产重水的设备项目包括如下:

1. 水——硫化氢交换塔

专门设计或制造用于利用GS法生产重水的、用优质碳钢(例如ASTM A516)制造的交换塔。该塔直径6米(20英尺)至9米(30英尺),能够在大于或等于2兆帕(300磅/平方英寸)压力下和6毫米或更大的腐蚀允量下运行。

2. 鼓风机和压缩机

专门为利用GS法生产重水而设计或制造的用于循环硫化氢气体(即含H2S 70%以上的气体)的单级、低压头(即0.2兆帕或30磅/平方英寸)离心式鼓风机或压缩机。这些鼓风机或压缩机的气体通过能力大于或等于56米/秒(120 000 标准立方英尺/分),能在大于或等于1.8兆帕(260磅/平方英寸)的吸入压力下运行,并有对湿H2S介质的密封设计。

3.氨——氢交换塔

专门设计或制造用于利用氨——氢交换法生产重水的氨——氢交换塔。该塔高度大于或等于35米(114.3英尺),直径1.5米(4.9英尺)至2.5米(8.2英尺),能够在大于15兆帕(2225磅/平方英寸)压力下运行。这些塔至少都有一个用法兰联结的轴向孔,其直径与交换塔筒体部分直径相等,通过此孔可装入或拆除塔内构件。

4. 塔内构件和多级泵

专门为利用氨——氢交换法生产重水而设计或制造的塔内构件和多级泵。塔内构件包括专门设计的促进气/液充分接触的多级接触装置。多级泵包括专门设计的用来将一个接触级内的液氨向其他级塔循环的水下泵。

5. 氨裂化器

专门设计或制造的用于利用氨——氢交换法生产重水的氨裂化器。该装置能在大于或等于3兆帕(450磅/平方英寸)的压力下运行。

6. 红外吸收分析器

能在氘浓度等于或高于90%的情况下“在线”分析氢/氘比的红外吸收分析器。

7. 催化燃烧器

专门设计或制造的用于利用氨——氢交换法生产重水时将浓缩氘气转化成重水的催化燃烧器。

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