Все химические элементы имеют своих двойников - изотопы, которые отличаются от основного элемента лишь тем, что масса их атомов другая. Изотопы могут быть тяжелее или легче основного элемента.
«Тяжелая вода» - это вода, которая вместо обычного водорода содержит его изотоп – дейтерий (атомная масса – 2). Дейтерий тяжелее водорода и состоит из одного протона и одного нейтрона, тогда, как обычный водород (протий) состоит только из нейтрона (атомная масса 1).
Рис.1. Изотопы водорода и их строение
Органолептические свойства тяжелой и обычной воды ничем не отличаются друг от друга - цвет, вкус и запах у них одинаковы. Зато температуры кипения и замерзания у обычной и тяжелой воды различны: H2O - 100 °С; D2O - 102 °С.
Тяжелая вода не ядовита и не радиоактивна, но в неразбавленной тяжелой воде живые существа жить не могут, поэтому ее называют еще «мертвой водой». Литр тяжёлой воды весит 1104,2 грамма, литр обычной воды 1000г. За счёт более высокой плотности и вязкости химические и физические процессы в тяжёлой воде проходят медленнее: хуже растворяются соли, что для живых организмов неприемлемо.
По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определённые особенности. Так, например, углерод - дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод - протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. А так как физико-химические характеристики протия и дейтерия различны, то при изотопном обмене внутри биомакромолекул то и дело меняются энергии ковалентных и водородных связей. Это может разрушать макромолекулы организма, что оказывает негативное влияние на биосинтез белка и другие жизненно важные процессы в организме.
Теория «долголетия», высказанная П.Л. Капицей, лауреатом нобелевской премии: предполагает, что, если, если в организме человека совсем не будет тяжелых изотопов водорода, а будет только тот, которого в природной воде больше всего, - протий, то, в таком организме все химические и прочие связи водорода станут совершенно одинаковыми, и водородный обмен не будет вызывать расшатывания макромолекул. Такие условия будут более благоприятными для роста и развития человеческого организма.
«Живую», в противовес дейтериевой, «тяжелой» воде, облегченную воду, можно получить из тающего свежевыпавшего снега, где содержание дейтерия уменьшено почти наполовину. Это связано с тем, что дейтерий тяжелее обычной воды и в процессе образования снежинок необходимо больше энергии для его конденсации.
Для чего же тогда человечество наращивает производство токсичного дейтерия?
Главным и ключевым свойством тяжёлой воды оказалось практически полное отсутствие поглощения нейтронов, в связи с этим в качестве охлаждающей воды в контурах АЭС используется дейтерий.
Также это свойство предопределило участие тяжелой воды в ходе создания атомного оружия. Горючим для термоядерной реакции служит дейтерий.
Водородная бомба стала возможной благодаря дейтериду лития-6. Это соединение дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6. Дейтерид лития-6 твёрдое вещество и хранит «сконцентрированный» дейтерий при плюсовых температурах, второй его компонент - литий-6 - это сырье для получения самого дефицитного изотопа водорода -трития. Нейтроны, необходимые для этой ядерной реакции, дают взрыв атомного «капсюля» водородной бомбы, он же создает условия (температуру порядка 50 миллионов градусов) для реакции термоядерного синтеза. Эта неуправляемая реакция начинается при десяти миллионах градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское количество энергии.
В настоящее время перед человечеством стоит задача – использование управляемых термоядерных процессов для решения энергетической проблемы, результатом которых будет выработка электроэнергии. Источником для термоядерных процессов является дейтерий. Тритий рождается при бомбардировке металлов ионами дейтерия из плазмы, образующейся при, так называемом, тлеющем электрическом разряде.
Рис.2. Изображение процесса термоядерного синтеза
Таким образом, сегодня уже человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции слияния ядер дейтерия и трития.
В Мировом океане содержат колоссальные запасы дейтерия - горючего для термоядерной энергетики. Каждый литр морской воды может дать столько термоядерной энергии, сколько обычной, химической энергии дадут, сгорая, триста пятьдесят литров ископаемого топлива - бензина. Таким образом, для многих поколений в будущем отпадет угроза энергетического голода.
Лучшим выходом из создавшегося положения считается получение энергии путем термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития. Известно, что этот процесс осуществляется в водородной бомбе, но для мирного использования он должен быть замедлен до стационарного состояния. Когда это будет сделано, то все указанные трудности, которые возникают при использовании урана, будут отсутствовать, потому что термоядерный процесс не дает в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, не представляет большой опасности при аварии и не может быть использован для бомбы как взрывчатое вещество. Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива. А побочный продукт в виде гелия-4 - это безвредный инертный газ. И наконец, запас дейтерия в природе, в океанах, еще больше, чем запас урана.
В настоящее время создаётся установка, горючим для которой будет служить «тяжелая вода» - дейтерий, которая навсегда может изменить жизнь планеты, - международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (что в переводе с латыни означает «Путь»).
Рис.3. Строительная площадка ИТЭР
Экспериментальный термоядерный реактор строится на юге Франции, неподалёку от исследовательского центра ядерной энергетики «Кадараш». Ближайший крупный город - Марсель (до него 60 км). ITER - это международный проект, в его создании принимают участие Евросоюз, США, Япония, Индия, Южная Корея, Китай и Россия, в общей сложности 35 стран.
Если проект завершится удачно, человечество получит очень дешёвую и чистую энергию.