tungtvann

Kort etter at deuteriumisotopen ble oppdaget i 1932, ble Norsk Hydro klar over at elektrolysecellene de brukte til å fremstille hydrogen- og klorgass på Rjukan var anriket på deuterium. De startet arbeidet med å fremstille tungtvann som et eget produkt, selv om det var uklart den gang om det var et marked for det, bortsett fra til vitenskapelige formål. Tungtvannproduksjonen fortsatte under andre verdenskrig, men i tungtvannsaksjonen ble destillasjonsanlegget ødelagt.

Resten av tungtvannet ble forsøkt sendt til Tyskland i tønner, men fergen ble sprengt på Tinnsjøen 20. februar 1944, og tønnene med tungtvannet sank til bunns. En av tønnene ble tatt opp igjen. Innholdet består av vann som inneholder 1,7 prosent D₂O og ni prosent kalilut. I ordinært vann er det 0,0156 prosent deuterium, så tønnene inneholder omtrent hundre ganger så mye. Konsentrasjonen av D₂O i tønnene er fortsatt bare 1,7 prosent, og dette er nok grunnen til at ikke alle tønnene er tatt opp fra bunnen av Tinnsjøen.

Fremstillingen av deuterium ved elektrolyse beror på at den normale hydrogenisotopen, protium, utlades lettere ved elektrodene enn deuterium. Hydrogenet som unnviker ved elektrolysen, er derfor anriket på protium, mens deuterium blir anriket i elektrolyttluten. Etter lengre tids bruk kan anrikningen i tekniske elektrolyttluter bli fem ganger det opprinnelige innholdet.

Hele prosessen er energikrevende og kan bare utføres når store mengder hydrogen samtidig kan brukes for andre formål, for eksempel til fremstilling av ammoniakk.

Fremstillingen ved substitusjonsreaksjoner beror på utbytning av deuterium mellom vann, H₂O, og hydrogensulfid, H₂S, eller mellom hydrogengass og vann eller ammoniakk. Den første av disse reaksjonene er viktigst for fremstilling av større mengder tungtvann.

Reaksjonen utføres ved så lav anrikningsgrad at deuterium hovedsakelig finnes som HDS i hydrogensulfidet og som HDO i vannet. Fordelingen av deuterium mellom hydrogensulfid og vann bestemmes av utbytningslikevekten:

HDS(g) + H₂O(l) ⇆ H₂S(g) + HDO(l)

Ved lav temperatur (25 °C) er likevekten forskjøvet mot høyre, og det vil derfor skje en utbytning av D mellom HDS og H₂O, slik at D blir anriket i vannet.

Prosessen utføres mest økonomisk ved å benytte seg av at likevekten ved høyere temperatur er mindre forskjøvet mot høyre. Utføres prosessen derfor vekselvis ved lav og høy temperatur (130 °C), ved å la hydrogensulfidgass og vann sirkulere mellom et varmt og et kaldt kolonnetårn, vil hver overgang til ny fase innebære en anrikning av deuterium; ved lav temperatur i vannfasen, og ved høy temperatur i hydrogensulfidgassen.

Anrikningen drives i alminnelighet til cirka 15 molprosent D₂O-innhold i vannfasen. Videre anrikning til 90 prosent D₂O skjer ved destillasjon ved lavt trykk, og til 99,75 prosent D₂O ved elektrolyse. Tungtvann blir i dag fremstilt etter denne metoden i USA og Canada.

Ammoniakk/hydrogenutbytningsreaksjonen:

NH₃(l) + HD(g)⇆ NH₂D(l) + H₂(g)

Denne reaksjonen er gunstigere enn hydrogensulfid/vannreaksjonen for anrikning av deuterium, men den krever en katalysator for å oppnå et brukbart utbytte. En fabrikk med kaliumamid, KNH₂, som katalysator ble startet i Frankrike i 1968.

Fraksjonert destillasjon av flytende hydrogen beror på at deuterium er mindre flyktig enn det lettere protium, som derfor fortrinnsvis unnviker i gassform ved destillasjonen, mens deuterium anrikes i væsken. Til slutt blir fraskilt deuterium brent til tungtvann i oksygen. Denne metoden lar seg også bare utføre i forbindelse med annen anvendelse av hydrogenet.

Fraksjonert destillasjon av vann beror på at vanlig vann ved alle temperaturer har et høyere damptrykk enn deuteriumoksid. Den relative damptrykkforskjellen er størst ved lave temperaturer. Destillasjonen utføres derfor ved lav temperatur, 30–50 °C, og ved forminsket trykk, 6,5–16,5 kilopascal (kPa). Anrikningen drives til omkring 90 molprosent D₂O. Sluttanrikning til 99,8 prosent deuterium skjer elektrolytisk.