מים כבדים – הבדלי גרסאות

תוכן שנמחק תוכן שנוסף

בשורה

גרסה מ־02:10, 2 בינואר 2014

מים כבדים הם תרכובת שנוסחתה הכימית ²H₂O או D₂O^[1] - 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 מימן כבד יותר – הדאוטריום, ועל כן מסת המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הרגילים.

מים כבדים משמשים הן כחומר מקרר והן כחומר מאט בכורים גרעינײם ומכאן חשיבותם ופרסומם. טרם העידן הגרעיני לא היה כל שימוש בהם, ודבר קיומם לא היה ידוע.

תכונות

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

למים כבדים (בניגוד לרגילים) ישנו חתך בליעת נייטרונים נמוך להפליא. בכורים גרעינײם רבים קײמת חשיבות רבה לתכונה זו. אי־הבלעותם של הניטרונים במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים רדיואקטיבײם הנמצאים בכור (גרעיני אורניום, לדוגמה). בהתנגשות זו קײם סיכוי לביקוע גרעין האטום, כלומר ביקוע גרעיני.
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 וײצור

מים כבדים אין מײצרים 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 יש לשאוב כמויות מים אדירות ולבצע הפרדה (זיקוק) בין המים הכבדים לקלים. לאחר ההפרדה מאוחסנים המים הכבדים במכלים ומשװקים ללקוחות (כורים גרעינײם) ואילו המים הקלים (מי השתיה) מוחזרים למאגר ממנו נשאבו. ישנם מספר תהליכי הפרדה שונים, המתבססים על עקרונות כימײם שונים. הפרדת המים הקלים מן הכבדים היא תהליך זיקוק דומה לתהליכי זיקוק תעשײתײם אחרים (כגון: זיקוק דלקים, יצור אמוניה, זיקוק אלכוהול).

בחלק מהתהליכים נעשה שימוש בהבדל הקטן בטמפרטורות הרתיחה של מים כבדים וקלים. הפקת מים כבדים בשיטות אלקטרוליזה או 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: מחירן הרב. הפקת מים כבדים יקרה ביותר וזאת בשל כמות המים הגדולה המעורבת בתהליך, ולעתים כמויות האנרגיה הגדולות שמושקעות בו.

מים כבדים – עבר והװה

מים כבדים בודדו לראשונה על־ידי גילברט ניוטון לואיס בשנת 1933. הם הופקו לראשונה באופן מסחרי ב-1934 במפעל הנורבגי 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro). הקמת המפעל החלה בשנת 1906 והסתײמה כעבור חמש שנים. המפעל שימש בתחילה כתחנת כוח ומפעל דשנים ורק בשנת 1934 החל בהפקת מים כבדים, בהספק יצור של 12 טון בשנה. המפעל הותקף מספר פעמים על־ידי בעלות הברית במלחמת העולם השנייה, על־מנת למנוע מן המים הכבדים להגיע לגרמניה הנאצית במסגרת פרויקט הגרעין שלה. לאחר מספר תקיפות אויריות וחבלות קרקעיות פסק ב־1943 יצור המים הכבדים במפעל.

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)^[2]. 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 מײצאת את חלקה.

ניתן להניח, כי כל מעצמות הגרעין המוכרות מסוגלות להפיק מים כבדים בעצמן, אך אינן עושות זאת מסיבותיהן (כלכליות בדרך־כלל). מפעל הפקת המים הכבדים הגדול בעולם היה עד לשנת 1997, מפעל ברוס (Bruce Plant) הקנדי שבאונטריו. נכון ל־1979, היה מסוגל להפיק מעל 700 טונות מים כבדים בשנה. לצורך הפקת ליטר אחד של מים כבדים השתמש המפעל בכ־340,000 ליטרים מים. בקנדה יש מספר רב של כורים גרעינײם, ובכולם המים הכבדים מהוים רכיב קריטי. עם זאת, מאחר שלא נזקקה להפקת מים כבדים בכמות כזו, הוחלט ב־1997 לסגור את המפעל, אך גם כיום ממשיכה קנדה להיות יצואנית המים הכבדים המובילה בעולם.

לקריאה נוספת

יגאל רונן, הכור הגרעיני, משרד הבטחון - הוצאה לאור.

ראו גם

קנדו (כור גרעיני)

קישורים חיצונײם

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

הערות שולײם

^ מונחון IUPAC, המקובל בקרב הכימאים, מכיר גם ב-"D" כסימול לדאוטריום, אך הסימון ²H מועדף
^ אתר AECL, דף מים כבדים

[1] מונחון IUPAC, המקובל בקרב הכימאים, מכיר גם ב-"D" כסימול לדאוטריום, אך הסימון ²H מועדף

[2] אתר AECL, דף מים כבדים

[1]

[2]

@@ שורה 1: / שורה 1: @@
 [[קובץ:Water molecule 3D.svg|ממוזער|250px|המחשה של מולקולת מים כבדים]]
-'''מים כבדים''' הם [[תרכובת]] ש[[נוסחה כימית|נוסחתה הכימית]] '''<sup>2</sup>H<sub>2</sub>O''' או '''D<sub>2</sub>O''' {{כ}}
+'''מים כבדים''' הם [[תרכובת]] ש[[נוסחה כימית|נוסחתה הכימית]] '''<sup>2</sup>H<sub>2</sub>O''' או '''D<sub>2</sub>O'''{{הערה|[[מונחון IUPAC]], המקובל בקרב ה[[כימאי|כימאים]], מכיר גם ב-"D" כסימול ל[[דאוטריום]], אך הסימון <sup>2</sup>H מועדף}} - [[מולקולה]] של [[מים]] כבדים מורכבת מ[[אטום]] [[חמצן]] הקשור לשני אטומי [[דאוטריום]]. זהו [[איזוטופולוג]] של מים.
-<ref>[[מונחון IUPAC]], המקובל בקרב ה[[כימאי|כימאים]], מכיר גם ב-"D" כסימול ל[[דאוטריום]], אך הסימון <sup>2</sup>H הוא מועדף.</ref> - [[מולקולה]] של [[מים]] כבדים מורכבת מ[[אטום]] [[חמצן]] הקשור לשני אטומי [[דאוטריום]].  זהו [[איזוטופולוג]] של מים.
-המים הכבדים דומים בתכונותיהם הכימיות ל[[מים|מים רגילים]], אך אטומי ה[[מימן]] הרגילים הוחלפו ב[[איזוטופ]] כבד יותר של מימן – הדאוטריום, ועל כן [[מסה|מסת]] המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הרגילים.
+המים הכבדים דומים בתכונותיהם הכימיות ל[[מים]] רגילים, אך אטומי ה[[מימן]] הרגילים הוחלפו ב[[איזוטופ]] מימן כבד יותר – הדאוטריום, ועל כן [[מסה|מסת]] המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הרגילים.
-מים כבדים משמשים הן כחומר מקרר והן כחומר מאט ב[[כור גרעיני|כורים גרעיניים]] ומכאן חשיבותם ופרסומם. לפני תחילת [[העידן הגרעיני]], לא היה כל שימוש במים הכבדים, ודבר קיומם לא היה ידוע.
+מים כבדים משמשים הן כחומר מקרר והן כחומר מאט ב[[כור גרעיני|כורים גרעינײם]] ומכאן חשיבותם ופרסומם. טרם [[העידן הגרעיני]] לא היה כל שימוש בהם, ודבר קיומם לא היה ידוע.
-==תכונות המים הכבדים==
+==תכונות==
-על אף הדמיון בתכונות הכימיות וה[[פיזיקה|פיזיקליות]] בין מים רגילים וכבדים, ניתן לזהות שני הבדלים מהותיים:
+על אף הדמיון בתכונות הכימיות וה[[פיזיקה|פיזיקליות]] בין מים רגילים וכבדים, ניתן לזהות שני הבדלים מהותײם:
-*למים כבדים (בניגוד למים רגילים) ישנו [[חתך בליעת נייטרונים]] נמוך להפליא. בכורים גרעיניים רבים קיימת חשיבות רבה לתכונה זו. אי-היבלעותם של ה[[נייטרון|נייטרונים]] במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים [[רדיואקטיביות|רדיואקטיביים]] הנמצאים בכור (גרעיני [[אורניום]], לדוגמה). בהתנגשות זו קיים סיכוי לביקוע גרעין האטום, היינו [[ביקוע גרעיני]].
+*למים כבדים (בניגוד לרגילים) ישנו [[חתך בליעת נייטרונים]] נמוך להפליא. בכורים גרעינײם רבים קײמת חשיבות רבה לתכונה זו. אי־הבלעותם של ה[[נייטרון|ניטרונים]] במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים [[רדיואקטיביות|רדיואקטיבײם]] הנמצאים בכור (גרעיני [[אורניום]], לדוגמה). בהתנגשות זו קײם סיכוי לביקוע גרעין האטום, כלומר [[ביקוע גרעיני]].
-*ההבדל השני הוא [[שכיחות]]. מים כבדים נדירים ב[[טבע]] ונמצאים בשכיחות של 1 ל־20 מיליון מולקולות מים.
+*[[שכיחות]]. מים כבדים נדירים ב[[טבע]] ונמצאים בשכיחות של 1 ל־20 מיליון מולקולות מים.
 להלן טבלת תכונות השוואתית של מים כבדים ורגילים:
@@ שורה 16: / שורה 15: @@
 {| class="wikitable" cellspacing="0"
 |-
-! align="right" | תכונה || D<sub>2</sub>O (מים כבדים)       || H<sub>2</sub>O (מים רגילים)
+! align=right | תכונה || D<sub>2</sub>O (מים כבדים)       || H<sub>2</sub>O (מים רגילים)
 |-
 | נקודת קיפאון (°C) || 3.82 || 0.0
@@ שורה 37: / שורה 36: @@
 |}
-==הפקה וייצור של מים כבדים==
+==הפקה וײצור==
-מים כבדים אין מייצרים אלא מפיקים אותם מן הטבע. ההפקה מסובכת כי שכיחות המים הכבדים נמוכה מאוד ביחס ל[[מים קלים|מים 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:
+מים כבדים אין מײצרים אלא מפיקים אותם מן הטבע. ההפקה מסובכת כי שכיחות המים הכבדים נמוכה מאוד ביחס ל[[מים קלים|מים 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 יש לשאוב כמויות מים אדירות ולבצע הפרדה ([[זיקוק]]) בין המים הכבדים לקלים. לאחר ההפרדה מאוחסנים המים הכבדים במכלים ומשװקים ללקוחות (כורים גרעינײם) ואילו המים הקלים (מי השתיה) מוחזרים למאגר ממנו נשאבו. ישנם מספר תהליכי הפרדה שונים, המתבססים על עקרונות כימײם שונים. הפרדת המים הקלים מן הכבדים היא תהליך זיקוק דומה לתהליכי זיקוק תעשײתײם אחרים (כגון: זיקוק [[דלק]]ים, יצור [[אמוניה]], זיקוק [[כוהל|אלכוהול]]).
-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 [[דלק]]ים, ייצור [[אמוניה]], זיקוק [[כוהל|אלכוהול]]).
-בחלק מהתהליכים נעשה שימוש בהבדל הקטן ב[[נקודת רתיחה|טמפרטורות 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.
+בחלק מהתהליכים נעשה שימוש בהבדל הקטן ב[[נקודת רתיחה|טמפרטורות הרתיחה]] של מים כבדים וקלים. הפקת מים כבדים בשיטות [[אלקטרוליזה]] או 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.
+על אף ההבדלים בשיטות הזיקוק (הפקה) השונות, דבר אחד משותף לכולן: מחירן הרב. הפקת מים כבדים יקרה ביותר וזאת בשל כמות המים הגדולה המעורבת בתהליך, ולעתים כמויות האנרגיה הגדולות שמושקעות בו.
-==מים כבדים – עבר והווה==
+==מים כבדים – עבר והװה==
 [[קובץ:Deuterium oxide Norsk.jpg|ממוזער|250px|שמאל|אמפולה המכילה מים כבדים מתוצרת 'נורסק הידרו']]
-מים כבדים בודדו לראשונה על ידי [[גילברט ניוטון לואיס]] בשנת [[1933]]. הם הופקו לראשונה באופן מסחרי ב-[[1934 במדע|1934]] במפעל ה[[נורבגיה|נורבגי]] 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro). הקמת המפעל החלה בשנת [[1906]] והסתיימה כעבור חמש שנים. המפעל שימש בתחילה כ[[תחנת כוח]] ומפעל [[דשן|דשנים]] ורק בשנת 1934 החל בהפקת מים כבדים, בהספק ייצור של 12 טון בשנה. המפעל הותקף מספר פעמים על ידי [[בעלות הברית]] ב[[מלחמת העולם השנייה]], על מנת למנוע מן המים הכבדים להגיע ל[[גרמניה הנאצית]] במסגרת [[פרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית|פרויקט הגרעין שלה]]. לאחר מספר תקיפות מן האוויר וחבלות קרקעיות פסק ב-1943 ייצור המים הכבדים במפעל.
+מים כבדים בודדו לראשונה על־ידי [[גילברט ניוטון לואיס]] בשנת [[1933]]. הם הופקו לראשונה באופן מסחרי ב-[[1934 במדע|1934]] במפעל ה[[נורבגיה|נורבגי]] 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro). הקמת המפעל החלה בשנת [[1906]] והסתײמה כעבור חמש שנים. המפעל שימש בתחילה כ[[תחנת כוח]] ומפעל [[דשן|דשנים]] ורק בשנת 1934 החל בהפקת מים כבדים, בהספק יצור של 12 טון בשנה. המפעל הותקף מספר פעמים על־ידי [[בעלות הברית]] ב[[מלחמת העולם השנייה]], על־מנת למנוע מן המים הכבדים להגיע ל[[גרמניה הנאצית]] במסגרת [[פרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית|פרויקט הגרעין]] שלה. לאחר מספר תקיפות אויריות וחבלות קרקעיות פסק ב־1943 יצור המים הכבדים במפעל.
-כיום מופקים מים כבדים בארבע מדינות בעולם: [[ארגנטינה]], [[הודו]], [[נורבגיה]] ו[[קנדה]], כאשר האחרונה היא יצרנית המים הכבדים הגדולה בעולם, לפי טכנולוגיה שפיתחה [[החברה לאנרגיה אטומית של קנדה]] (AECL{{כ}})<ref>[http://www.aecl.ca/Science/RD/Hydrogen.htm אתר AECL, דף מים כבדים]</ref>. ב[[שנות ה-50 של המאה ה-20|שנות ה־50]] ו[[שנות ה-60 של המאה ה-20|ה־60]] הפיקה גם [[צרפת]] מים כבדים, אך כיום אינה עושה כן. [[רומניה]] מפיקה כמות קטנה של מים כבדים על אדמתה ולעתים [[ייצוא|מייצאת]] חלק מן הכמות.
+כיום מופקים מים כבדים בארבע מדינות בעולם: [[ארגנטינה]], [[הודו]], [[נורבגיה]] ו[[קנדה]], כאשר האחרונה היא יצרנית המים הכבדים הגדולה בעולם, לפי טכנולוגיה שפיתחה [[החברה לאנרגיה אטומית של קנדה]] (AECL){{הערה|[http://www.aecl.ca/Science/RD/Hydrogen.htm אתר AECL, דף מים כבדים]}}. ב[[שנות ה-50 של המאה ה-20|שנות ה־50]] ו[[שנות ה-60 של המאה ה-20|ה־60]] הפיקה גם [[צרפת]] מים כבדים, אך כיום אינה עושה כן. [[רומניה]] מפיקה כמות קטנה של מים כבדים על אדמתה ולעתים [[ייצוא|מײצאת]] את חלקה.
-ניתן להניח, כי כל מעצמות הגרעין המוכרות מסוגלות להפיק מים כבדים בעצמן, אך אינן עושות זאת מסיבותיהן (כלכליות בדרך כלל). מפעל הפקת המים הכבדים הגדול בעולם היה עד לשנת [[1997]], מפעל ברוס (Bruce Plant) הקנדי שב[[אונטריו]]. נכון ל־[[1979]], הוא היה מסוגל להפיק מעל 700 טונות מים כבדים בשנה. לצורך הפקת ליטר אחד של מים כבדים השתמש המפעל בכ־340,000 ליטרים של מים. בקנדה יש מספר רב של כורים גרעיניים, ובכולם המים הכבדים מהווים רכיב קריטי. עם זאת, מאחר שלא נזקקה להפקת מים כבדים בכמות כזו, הוחלט ב־1997 לסגור את מפעל ברוס, אך גם כיום ממשיכה קנדה להיות יצואנית המים הכבדים המובילה בעולם.
+ניתן להניח, כי כל מעצמות הגרעין המוכרות מסוגלות להפיק מים כבדים בעצמן, אך אינן עושות זאת מסיבותיהן (כלכליות בדרך־כלל). מפעל הפקת המים הכבדים הגדול בעולם היה עד לשנת [[1997]], מפעל ברוס (Bruce Plant) הקנדי שב[[אונטריו]]. נכון ל־[[1979]], היה מסוגל להפיק מעל 700 טונות מים כבדים בשנה. לצורך הפקת ליטר אחד של מים כבדים השתמש המפעל בכ־340,000 ליטרים מים. בקנדה יש מספר רב של כורים גרעינײם, ובכולם המים הכבדים מהוים רכיב קריטי. עם זאת, מאחר שלא נזקקה להפקת מים כבדים בכמות כזו, הוחלט ב־1997 לסגור את המפעל, אך גם כיום ממשיכה קנדה להיות יצואנית המים הכבדים המובילה בעולם.
-== לקריאה נוספת ==
+==לקריאה נוספת==
-*יגאל רונן, '''הכור הגרעיני''', משרד הביטחון - הוצאה לאור.
+*יגאל רונן, '''הכור הגרעיני''', משרד הבטחון - הוצאה לאור.
 ==ראו גם==
 *[[קנדו (כור גרעיני)]]
-==קישורים חיצוניים==
+==קישורים חיצונײם==
 * {{דשי|394978|מהם מים כבדים?}}
-==הערות שוליים==
+==הערות שולײם==
 {{הערות שוליים}}