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 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 גרעיניים 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 מהותיים:

• למים כבדים (בניגוד לרגילים) ישנו חתך בליעת נייטרונים נמוך להפליא. בכורים גרעיניים רבים קיימת חשיבות רבה לתכונה זו. אי־הבלעותם של הניטרונים במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים רדיואקטיביים הנמצאים בכור (גרעיני אורניום, לדוגמה). בהתנגשות זו קיים סיכוי לביקוע גרעין האטום, כלומר ביקוע גרעיני.
• שכיחות. מים כבדים מצויים בטבע בשכיחות של 1 ל־3200 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

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 יש לשאוב כמויות מים אדירות ולבצע הפרדה (זיקוק) בין המים הכבדים לקלים. לאחר ההפרדה מאוחסנים המים הכבדים במכלים ומשווקים ללקוחות (כורים גרעיניים) ואילו המים הקלים (מי השתייה) מוחזרים למאגר ממנו נשאבו. 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, 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, ולעיתים 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. הם הופקו לראשונה באופן מסחרי ב-1934 במפעל הנורווגי 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro). הקמת המפעל החלה בשנת 1906 והסתיימה 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 אוויריות וחבלות קרקעיות פסק ב־1943 יצור המים הכבדים במפעל.

כיום מופקים מים כבדים בארבע מדינות בעולם: ארגנטינה, הודו, נורווגיה 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 ולעיתים מייצאת 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 גרעיניים, 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.

ראו גם

• קנדו (כור גרעיני)

לקריאה נוספת

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

קישורים חיצוניים

• יורם שורק, מהם מים כבדים?, במדור "דברים שיורמים יודעים", באתר ארכיון האינטרנט (במקור, מאתר "nana10‏")
• השמדה בכל מחיר של מפעל המים הכבדים בנורווגיה הכבושה 1941-5 איתמר מרום