מים כבדים

המחשה של מולקולת מים כבדים

מים כבדים הם תרכובת שנוסחתה הכימית ²H₂O או D₂O ‏ - מולקולה של מים כבדים מורכבת מאטום חמצן הקשור לשני אטומי דאוטריום. זהו איזוטופולוג של מים.

המים הכבדים דומים בתכונותיהם הכימיות למים רגילים, אך אטומי המימן הרגילים הוחלפו באיזוטופ כבד יותר של מימן – הדאוטריום, ועל כן מסת המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הרגילים.

מים כבדים משמשים הן כחומר מקרר והן כחומר מאט בכורים גרעיניים ומכאן חשיבותם ופרסומם. לפני תחילת העידן הגרעיני, לא היה כל שימוש במים הכבדים, ודבר קיומם לא היה ידוע.

תכונות המים הכבדים

על אף הדמיון בתכונות הכימיות והפיזיקליות בין מים רגילים וכבדים, ניתן לזהות שני הבדלים מהותיים:

• למים כבדים (בניגוד למים רגילים) ישנו חתך בליעת נייטרונים נמוך להפליא. בכורים גרעיניים רבים קיימת חשיבות רבה לתכונה זו. אי-היבלעותם של הנייטרונים במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים רדיואקטיביים הנמצאים בכור (גרעיני אורניום, לדוגמה). בהתנגשות זו קיים סיכוי לביקוע גרעין האטום, היינו ביקוע גרעיני.
• ההבדל השני הוא שכיחות. מים כבדים נדירים בטבע ונמצאים בשכיחות של 1 ל־20 מיליון מולקולות מים.

להלן טבלת תכונות השוואתית של מים כבדים ורגילים:

תכונה	D2O (מים כבדים)	H2O (מים רגילים)
נקודת קיפאון (°C)	3.82	0.0
נקודת רתיחה (°C)	101.72	100.0
צפיפות (ב-20 מע', גרם/מיליליטר)	1.1056	0.9982
טמפ' צפיפות מקסימלית (°C)	11.6	4.0
צמיגות (ב-20 מע', סנטיפויז)	1.25	1.005
מתח פנים (ב-25 מע' דין/ס"מ)	71.93	71.97
חום היתוך (קל'/מול)	1,515	1,436
חום אידוי (קל'/מול)	10,864	10,515

הפקה וייצור של מים כבדים

מים כבדים אין מייצרים אלא מפיקים אותם מן הטבע. ההפקה מסובכת כי שכיחות המים הכבדים נמוכה מאוד ביחס למים הקלים. על מנת להפיק מי שתייה ממאגר מים מתוקים, כל שיש לעשות הוא לשאוב אותם ולבצע בהם תהליך פשוט וזול של טיהור וסינון. כשמדובר במים כבדים אין הדבר כך: בשל נדירותם של המים הכבדים יש לשאוב כמויות מים אדירות ולבצע הפרדה (זיקוק) בין המים הכבדים למים הקלים. לאחר ההפרדה מאוחסנים המים הכבדים במכלים ומשווקים ללקוחות (כורים גרעיניים) ואילו המים הקלים (מי השתייה) מוחזרים למאגר (אגם, לדוגמה) שנשאבו ממנו. ישנם מספר תהליכי הפרדה שונים, המתבססים על עקרונות כימיים שונים. הפרדת המים הקלים מן הכבדים היא תהליך זיקוק דומה לתהליכי זיקוק תעשייתיים אחרים (כגון: זיקוק דלקים, ייצור אמוניה, זיקוק אלכוהול).

בחלק מהתהליכים נעשה שימוש בהבדל הקטן בטמפרטורות הרתיחה של מים כבדים וקלים. הפקת מים כבדים בשיטות של אלקטרוליזה או של זיקוק למקוטעין (כמו בדלק) צורכת אנרגיה רבה ועל כן יקרה מאוד. בשל כך יש עדיפות להפקה בשיטות כימיות אחרות.

על אף ההבדלים בשיטות הזיקוק (הפקה) השונות, דבר אחד משותף לכולן: מחיר גבוה. הפקת מים כבדים יקרה ביותר וזאת בשל כמות המים הגדולה המעורבת בתהליך, ולעתים כמויות האנרגיה הגדולות שמושקעות בו.

מים כבדים – עבר והווה

אמפולה המכילה מים כבדים מתוצרת 'נורסק הידרו'

מים כבדים בודדו לראשונה על ידי גילברט ניוטון לואיס בשנת 1933. מים כבדים הופקו לראשונה באופן מסחרי במפעל הנורבגי 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro), בשנת 1934. הקמת המפעל החלה בשנת 1906 ונסתיימה כעבור חמש שנים.

המפעל שימש כתחנת כוח ומפעל דשנים ורק בשנת 1934 החל בהפקת מים כבדים. למפעל היה הספק ייצור של 12 טון בשנה. מפעל זה הותקף מספר פעמים על ידי בעלות הברית במלחמת העולם השנייה, על מנת למנוע מן המים הכבדים שהופקו במפעל זה מלהגיע לגרמניה הנאצית במסגרת פרויקט הגרעין שלה. לאחר מספר תקיפות מן האוויר וחבלות קרקעיות הפסיק יצור המים הכבדים במפעל בשנת 1943.

כיום מופקים מים כבדים בארבע מדינות בעולם: ארגנטינה, הודו, נורבגיה וקנדה, כאשר האחרונה היא יצרנית המים הכבדים הגדולה בעולם, לפי טכנולוגיה שפיתחה החברה לאנרגיה אטומית של קנדה(AECL). בשנות ה־50 וה־60 הפיקה גם צרפת מים כבדים, אך כיום אינה עושה כן. רומניה מפיקה כמות קטנה של מים כבדים על אדמתה ולעתים מייצאת חלק מן הכמות.

ניתן להניח, כי כל מעצמות הגרעין המוכרות מסוגלות להפיק מים כבדים בעצמן, אך אינן עושות זאת מסיבותיהן (כלכליות בדרך כלל). עד לשנת 1997, מפעל הפקת המים הכבדים הגדול בעולם הוא מפעל ברוס (Bruce Plant) הקנדי שבאונטריו. נכון ל־1979, היה מסוגל המפעל להפיק מעל 700 טונות מים כבדים בשנה, יותר מפי 50 ממפעל הנורסק הידרו הישן יותר. לצורך הפקת ליטר אחד של מים כבדים השתמש המפעל בכ־340,000 ליטרים של מים. בקנדה מספר רב של כורים גרעיניים, בכולם, המים הכבדים הם רכיב קריטי. עם זאת מאגרי המים הכבדים של קנדה עולים על כל צורך סביר. מאחר שלא נזקקה עוד להפקת מים כבדים הוחלט בקנדה לסגור את מפעל ברוס ב־1997. כיום ממשיכה קנדה להיות יצואנית המים הכבדים המובילה בעולם.

לקריאה נוספת

• יגאל רונן, הכור הגרעיני, משרד הביטחון - הוצאה לאור.

ראו גם

• קנדו (כור גרעיני)

קישורים חיצוניים

• יורם שורק, מהם מים כבדים?, במדור "דברים שיורמים יודעים", באתר ארכיון האינטרנט (במקור, מאתר "nana10‏")