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| Strukturformel für Schweres Wasser |
Schweres Wasser (Deuteriumoxid) ist chemisch gesehen Wasser mit der Summenformel D2O. Von „normalem“ Wasser mit H2O unterscheidet es sich dadurch, dass die „normalen“ Wasserstoffatome des Protiums (Symbol H) durch schwere Wasserstoffatome des Isotops Deuterium (Symbol D) ersetzt wurden. Wasserstoff H hat nur ein Proton im Atomkern, Deuterium hingegen ein Proton und ein Neutron. Dementsprechend sind Molekülmasse und Dichte schweren Wassers höher als die gewöhnlichen Wassers.
Halbschweres Wasser (Hydrodeuteriumoxid) mit der Summenformel HDO enthält hingegen ein normales und ein schweres Wasserstoffatom. Es kommt in der Natur viel häufiger vor als schweres Wasser. Auf der Erde findet sich etwa ein Deuteriumatom auf etwa 7000 Wasserstoffatome (in Schnee bzw. Regenwasser 1:9000, in Seewasser mit hohem Salzgehalt 1:5500).
Überschweres Wasser (Tritiumoxid) mit der Summenformel T2O enthält Tritium (Symbol T) anstelle von normalem Wasserstoff.
Gewinnung
Schweres Wasser wird durch Anreicherung aus herkömmlichem Wasser gewonnen, in dem es in geringer Menge vorkommt. Wird Wasser elektrolysiert, bleibt das schwere Wasser eher unzersetzt zurück (kinetischer Isotopeneffekt), während leichtes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Eine Anreicherung ist auch der Girdler-Sulfid-Prozess.
Ein anderes Verfahren verläuft über die Destillation von Ammoniak oder Schwefelwasserstoff. Ausgangsmaterial sind bevorzugt Abwässer aus Galvanikbetrieben und der Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, da diese durch die bevorzugte Elektrolyse von leichtem Wasser schon signifikant mit HDO angereichert sind.
Eigenschaften
Schweres Wasser ist weniger reaktionsfähig als normales Wasser und hat eine niedrigere Lösefähigkeit. Die Ursache ist die höhere Kernmasse des Deuteriums. Dadurch haben die Molekülschwingungen eine niedrigere Frequenz, und die Nullpunktenergien dieser Schwingungen liegen niedriger als bei leichtem Wasser. Bei einer Streckschwingung macht der Effekt etwa 125 meV oder 5 kBT bei Raumtemperatur aus. Als Folge davon erfordert die Dissoziation von Wasser, die für viele biochemische Reaktionen Voraussetzung ist, mehr Energie, und kann stark verlangsamt sein. Neben der Dissoziation wird auch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen, wie sie ebenfalls in biochemischen Systemen von essentieller Bedeutung sind, beeinflusst. Auf Grund des „dynamischen Isotopeneffektes“ ist in der Flüssigkeit die translatorische und rotatorische Beweglichkeit der schweren Wassermoleküle etwas geringer als die der leichten Wassermoleküle.Bei 25 °C ist z. B. der Selbstdiffusionskoeffizient des schweren Wassers um 23 % geringer als der von leichtem Wasser.
Durch diese unterschiedlichen Eigenschaften wirkt schweres Wasser auf die meisten Organismen leicht giftig. Experimente mit Mäusen zeigten, dass die Zellteilung (Mitose) unterdrückt wird. Dadurch wird Gewebe, das schnell erneuert werden muss (z. B. Magenwand), bei fortgesetzter Einnahme von schwerem Wasser in Mitleidenschaft gezogen. Diese Effekte wurden sichtbar, als man Mäusen etwa 50 Prozent ihres Körperwassers durch schweres Wasser ersetzt hatte. Aggressive Krebserkrankungen sollten zwar auch gebremst werden; der Nutzen einer Therapie mit schwerem Wasser würde aber die Nebenwirkungen wahrscheinlich nicht aufwiegen.
Die höhere Dichte von Eis aus schwerem Wasser lässt einen Schwerwasser-Eiswürfel in normalem Wasser (flüssig) absinken. In Wasser (H20) von z. B. 2°C schmilzt ein D20-Eiswürfel nicht, kann jedoch durch Diffusion in der flüssigen Phase aufgelöst werden.
Verwendung
Schweres Wasser wird in Schwerwasserreaktoren (zum Beispiel Reaktoren des Typs Candu) als Moderator und Kühlmittel eingesetzt, da es im Vergleich zu gewöhnlichem Wasser (Leichtwasser) bei ähnlicher Moderationswirkung erheblich weniger Neutronen absorbiert. Dadurch kann im Reaktor Natur-Uran verwendet und auf die sonst notwendige Anreicherung verzichtet werden.
Das Deuteron ist zwar NMR-aktiv, taucht aber aufgrund der grob abweichenden Frequenz in H-NMR-Spektren nicht auf. Zugabe von etwas schwerem Wasser lässt daher Linien im Spektrum einer Probe verschwinden, die von H-Atomen stammen, welche innerhalb der Relaxationszeit vielmals mit dem Lösungsmittel ausgetauscht werden.
Entsprechend kann wegen der abweichenden Schwingungsfrequenzen schweres Wasser vorteilhaft in Schwingungsspektroskopie von wasserstoffhaltigen Substanzen in wässriger Lösung benutzt werden.
Weiterhin wird schweres Wasser zur gezielten chemischen Synthese von Verbindungen verwendet, entweder um Deuterium in das Produkt einzubringen, oder um eine Konkurrenzreaktion, in der H bzw. D übertragen wird, abzuschwächen
Da niedere Organismen auch in reinem schwerem Wasser überleben können, gelingt es, aus solchen Organismen hochkomplexe Naturstoffe zu isolieren, bei denen alle Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind.
Kampf um schweres Wasser im Zweiten Weltkrieg
In den Kriegsjahren 1942 bis 1945 wurde das südnorwegische Rjukan in der Provinz Telemark Schauplatz einer brisanten Auseinandersetzung. Dort befand sich seit 1934 im Chemie- und Wasserkraftwerk Vemork die einzige europäische Fabrik (Norsk Hydro), die durch ihren immensen Energieüberschuss schweres Wasser in nennenswerten Mengen herstellen konnte. Durch einen geschickten Schachzug kamen die Franzosen den Deutschen zuvor und sicherten sich zunächst die gesamten Lagerbestände von über 160 kg, die nach dem Einmarsch deutscher Truppen in Frankreich von Hans von Halban auf Umwegen über England in die USA gebracht wurden.
Ende der 1930er Jahre hatten Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner das Prinzip der atomaren Kettenreaktion entdeckt, woraus sich nach dem Ausbruch des Zweiten Weltkriegs ein Wettlauf mit den Alliierten um die Kontrolle über die Fabrik entwickelte. Für das deutsche Uranprojekt war dabei die Verwendung von schwerem Wasser als Moderator eines Versuchsreaktors vorgesehen, mit dem unter anderem waffenfähiges Plutonium hätte hergestellt werden können.
Somit richtete sich das Augenmerk der Alliierten auf die Anlage in Rjukan, deren Ausschaltung die deutsche Atomforschung auf einen Schlag neutralisieren konnte: Nach mehreren Rückschlägen wurde am 27. Februar 1943 von zwölf norwegischen Widerstandskämpfern (unterstützt durch das Special-Operations-Executive), die sich auf der Hochebene von Hardangervidda versteckt gehalten hatten, die Sprengung an der Hochkonzentrieranlage für schweres Wasser der Norsk Hydro Werke durchgeführt. Bereits wenige Wochen später war der entstandene Schaden jedoch behoben, und die deutschen Besatzer ließen die Produktion verstärkt wieder anlaufen. Der englische Spielfilm Kennwort „Schweres Wasser“ (The Heroes of Telemark, 1965) sowie die norwegisch-französische Koproduktion Der Kampf um das Schwere Wasser (Kampen om tungtvannet, 1948) handeln von diesen Begebenheiten.
Es folgen mehrere alliierte Bombenangriffe auf das Kraftwerk und die wiederaufgebaute Anlage, bis sich die deutschen Besatzer entschlossen, die Fabrik aufzugeben und 50 Fässer bereits produzierten schweren Wassers mitzunehmen. Die Konzentration des Deuteriumoxids schwankte zwischen 1 % und 99 %, sie wurde durch eine zweistellige Nummer auf den Fässern gekennzeichnet, die für Außenstehende keinen Rückschluss auf die Konzentration zuließ.
Die Eisenbahnfähre der Rjukanbanen namens Hydro, beladen mit schwerem Wasser, wurde am 20. Februar 1944 durch einen Sprengsatz im Maschinenraum sabotiert. Die Fähre sank binnen weniger Minuten auf dem 460 m tiefen Tinnsjø (deutsch „See bei Tinn“). Fässer mit stark konzentriertem Inhalt, die nur teilweise befüllt waren, trieben nach dem Untergang an der Wasseroberfläche. Sie wurden von den Deutschen geborgen und drei Wochen nach der Versenkung nach Deutschland versandt und später im Forschungsreaktor Haigerloch verwendet. Beim Untergang der Fähre kamen vier deutsche Soldaten und 14 Zivilisten ums Leben.
Der Unterwasserarchäologe Brett Phaneuf erhielt von der norwegischen Regierung mit einem norwegisch-amerikanischen Forscherteam 60 Jahre nach Untergang der Hydro die Genehmigung zu einer Tauchfahrt und Bergung eines der über 50 auf den Grund des Tinnsjøs in 430 Meter Tiefe gesunkenen Fässer; jedoch mit der Auflage, exakt nur ein Fass zu heben, da das Wrack offiziell als Kriegsgrab gilt.
Das sehr gut erhaltene Fass Nr. 26 ließ sich nach der Bergung mühelos öffnen, da der Dichtungsgummiring des Spundlochs nach über 60 Jahren noch intakt war. Bei Untersuchungen an Bord sowie später in London wurde ein Anreicherungsgrad von 1,1 Prozent ±0,2 ermittelt. Laut geheimer Ladeliste von 1944 enthielt dieses Fass ein Destillat von 1,64 % schwerem Wasser.
Produktion
Vereinigte Staaten von Amerika (USA)
Ab 1945 wurde der Girdler-Sulfid-Prozess im großindustriellen Umfang eingesetzt, die ersten Schwerwasserreaktoren gingen 1953 in Betrieb. Die Anreicherungsanlagen wurden zunächst von DuPont betrieben und 1989 von Westinghouse Electric übernommen.
Indien
Einer der weltweit größten Produzenten von schwerem Wasser ist gegenwärtig Indien. Die technische Entwicklung begann bereits in den 1960er Jahren. Das Land betreibt sieben Produktionsanlagen. 22 der insgesamt 27 Atomreaktoren, von denen einige noch im Bau sind, werden mit schwerem Wasser als Moderator betrieben.
Iran
Ab 1996 war eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser in Khonbad nahe Arak im Bau. Die Kapazität war auf 8 Tonnen pro Jahr ausgelegt. 2003 wurde die Produktionsanlage fertiggestellt, zugleich wurde eine zweite Ausbaustufe angekündigt, so dass sich die Produktion auf 16 Tonnen jährlich verdoppeln würde. Das schwere Wasser wird für den Betrieb des 40-MW-Natururan-Reaktors IR-40 benötigt.
Israel
Großbritannien hat 1958 nach Recherchen der BBC 20 Tonnen schweres Wasser für das im Aufbau befindliche Atomprogramm Israels geliefert. Die britische Atomenergiebehörde verkaufte überschüssiges schweres Wasser an die extra dafür gegründete norwegische Firma Noratom. Diese verkaufte es umgehend an die israelische Atomenergiebehörde. Damit umging man die eigentlich erforderlichen Kontrollen. Das schwere Wasser wurde (obwohl an Norwegen adressiert) noch in England in israelische Schiffe umgeladen. Dieses wurde den Angaben zufolge für die Produktion von Plutonium im streng abgeschirmten Kraftwerk Dimona im Atomforschungszentrum Negev in der Negev-Wüste verwendet.
Bilder aus Wikimedia Commons
Strukturformel für Schweres Wasser, Lizenz: Public Domain, Urheber: Benjah-bmm27, derivative work: Kronf
Quellen