Trityum izotopunun fizikokimyasal özellikleri. Kontrollü termonükleer reaksiyon

Yüzde 100 eriyik suyu hazırlayan tesisatları biliyor musunuz? döteryum ve trityum içeriğini nötralize etmek (veya ona daha yakın)? Muratov'un kurulumu da ilgimi çekti; koordinatları maalesef sitenizde yer almıyor.

Saygılarımla Sergey

Merhaba Sergey!

Suyun döteryum ve trityumdan %100 derinlemesine arıtılmasına yönelik bu tür teknolojiler henüz mevcut değildir. Suyu ağır izotoplardan arındırmak için mevcut teknolojiler, onu% 70-90 oranında döteryum ve trityumdan arındırmayı mümkün kılmaktadır. Sıradan içme suyunun kendisi yalnızca %99,7 oranında hafif sudan oluşur ve molekülleri hafif hidrojen ve oksijen atomlarından oluşur. Ağır su, saf haliyle tüm canlılar için zehir olan herhangi bir doğal suda bir yabancı madde olarak da mevcuttur.

Ağır su(döteryum oksit) - aynı özelliklere sahiptir kimyasal formül sıradan su gibi, ancak hidrojen atomları yerine iki ağır hidrojen izotopu - döteryum atomları içerir. Ağır hidrojen suyunun formülü genellikle şu şekilde yazılır: D 2 O veya 2 H 2 O. Dışarıdan, ağır su sıradan suya benzer - tadı veya kokusu olmayan renksiz bir sıvı, ancak kendi tarzında fiziksel ve kimyasal özellikler Ve olumsuz etki Ağır suyun vücut üzerindeki etkisi hafif sudan çok farklıdır.

Hafif su– bu, ağır sudan arındırılmış sudur. Çekirdekte "ekstra" bir nötronun varlığıyla ayırt edilen bir hidrojen izotopu olan döteryum, oksijenli bir su molekülü oluşturabilir. Molekülünde hidrojen atomunun döteryum atomu ile değiştirildiği bu tür suya ağır denir. Farklı doğal sulardaki döteryum içeriği çok dengesizdir. % 0,03 (toplam hidrojen atomu sayısına göre) arasında değişebilir - bu Antarktika buzundan gelen sudur - en hafif doğal su - 1,5 kat daha az döteryum içerir deniz suyu. Dağlardaki ve dünyanın diğer bazı bölgelerindeki erimiş kar ve buzul suları da genellikle içtiğimizden daha az ağır su içerir.

Bir ton olarak nehir suyu 15 g %0,015 oranında ağır su içerir. 70 yıldan fazla bir süredir günde 3 litre içme suyu tüketen, 10-12 kg döteryum ve bununla ilişkili önemli miktarda hidrojen izotopu - trityum 3 H ve oksijen 18 O - içeren yaklaşık 80 ton su insan vücudundan geçecektir. .

Trityum– 12,26 yıllık yarı ömre sahip bir beta radyoaktif element. Reaktörlerde sert radyo ve nötron radyasyonunun etkisi altında oluşur. İÇİNDE karasal koşullar trityum, doğal nükleer reaksiyonların meydana geldiği atmosferin yüksek katmanlarından kaynaklanır. Nitrojen atomlarının kozmik radyasyondan gelen nötronlar tarafından bombardımanının ürünlerinden biridir. Her dakika için her dakika Santimetrekare Dünya yüzeyine 8-9 trityum atomu düşüyor.

Küçük miktarlarda süper ağır (trityum) su, yağışların bir parçası olarak Dünya'ya ulaşır. Hidrosferin tamamında bir seferde yalnızca 20 kg kadar T 2 0 bulunur.

Trityum suyu dengesiz dağılmış: kıtasal su kütlelerinde okyanuslardan daha fazlası vardır; Kutup okyanus sularında ekvatordakilere göre daha fazlası var. Süper ağır su, özellikleri açısından sıradan sudan çok daha belirgin bir şekilde farklıdır: 104°C'de kaynar, 4...9°C'de donar ve 1,33 g/cm3 yoğunluğa sahiptir.

Hidrojen izotoplarının listesi trityumla bitmiyor. Daha ağır izotoplar olan 4H ve 5H de yapay olarak üretilmiştir ve aynı zamanda radyoaktiftir.

N 2 6 AÇIK 2 17 AÇIK 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 Ö.

Böylece beş hidrojen izotopundan herhangi birini herhangi bir kombinasyonda içeren su moleküllerinin var olması mümkündür.

Bu, suyun izotopik bileşiminin karmaşıklığını tüketmez. Oksijenin izotopları da vardır. İÇİNDE periyodik tablo kimyasal elementler D.I. Mendeleev'in adı iyi bilinen oksijen 16 O'dur. Oksijenin iki doğal izotopu daha vardır - 17 O ve 18 O. Doğal sularda, ortalama olarak, 16 O izotopunun her 10 bin atomu için 17'nin 4 atomu vardır. O izotopu ve 18 O izotopunun 20 atomu.

Fiziksel özelliklerine göre ağır oksijenli su 1 H 2 18 O, normalden ağır hidrojenden daha az farklıdır. Sıradan içme suyunda ağır sudan çok daha yüksek bir konsantrasyonda bulunur - yaklaşık %0,1. Esas olarak doğal suyun damıtılmasıyla elde edilir ve metabolizmanın izotop araştırmalarında kullanılır.

Doğal olanlara ek olarak, oksijenin yapay olarak oluşturulmuş altı izotopu da vardır. Hidrojenin yapay izotopları gibi kısa ömürlü ve radyoaktiftirler. Bunlardan: 13 O, 14 O ve 15 O hafif, 19 O ve 20 O ağırdır ve süper ağır izotop 24 O 1970 yılında elde edilmiştir.

Beş hidrojen ve dokuz oksijen izotopunun varlığı, suyun 135 izotop çeşidinin olabileceğini düşündürmektedir. Doğada en yaygın olarak bulunan 9 kararlı su çeşidi vardır. Doğal suyun büyük bir kısmı (%99'un üzerinde) protiyum suyu– 1 H 2 16 O. Çok daha az ağır oksijenli su vardır: 1 H 2 18 O – yüzde onda biri. 1 H 2 17 O – toplam doğal su miktarının yüzde biri. Yalnızca yüzde milyonda biri ağır su D 2 O'yu oluşturur, ancak 1 HDO formunda ağır su zaten doğal sularda gözle görülür miktarda bulunur.

D 2 O'dan daha az yaygın olan dokuz radyoaktiftir doğal türler trityum içeren su.

Klasik su dikkate alınmalı protiyum suyu 1 H 2 16 O saf haliyle, yani diğer 134 izotop çeşidinin en ufak bir karışımı olmadan. Ve doğadaki protium suyunun içeriği, diğer tüm türlerin toplam içeriğini önemli ölçüde aşsa da, doğal koşullarda saf 1 H 2 16 O mevcut değildir. Bu tür su dünya çapında yalnızca birkaç özel laboratuvarda bulunabilmektedir. Çok karmaşık bir şekilde elde ediliyor ve en büyük önlemlerle saklanıyor. Saf 1H216O elde etmek için, doğal suların çok ince, çok aşamalı saflaştırılması gerçekleştirilir veya ilk önce izotopik safsızlıklardan iyice saflaştırılan başlangıç ​​​​elementleri 1H2 ve 16O'dan su sentezlenir. Bu su, kimyasal reaktiflerin olağanüstü saflığını gerektiren deneylerde ve işlemlerde kullanılır.

Bilim adamları, Dünya'nın çekim alanının 1 N'yi tutacak kadar güçlü olmadığına ve gezegenimizin gezegenler arası uzaya ayrışması sonucu yavaş yavaş protium kaybettiğine inanıyor. Protium ağır döteryumdan daha hızlı buharlaşır. Bazı çalışmalara göre döteryumun jeolojik zaman içerisinde atmosferde ve yüzey sularında birikmesi gerekiyor.

Gezegenimizde protium suyunun elde edilmesi ve bulutlarının zenginleştirilmesi yönünde devasa bir buharlaşma-yoğunlaşma süreci yaşanıyor. Dağlarda, bazı yamaçlarda ağırlıklı olarak döteryumlu su akıyor, diğerlerinde ise protium ile zenginleştirilmiş su akıyor. Hayvanların vücudundaki suyun izotopik bileşimi, habitatlarındaki yağmur suyunun bileşimine yakındır. İnsanlar için, diğer iklim ve coğrafi koşullarda yetiştirilen sebze ve meyveler bu bağımlılığa önemli ayarlamalar yapmaktadır. Bu nedenle, ekvatorun yakınında yetişen tropik meyveler daha düşük 2 H ve 18 O değerlerine sahiptir. Sıradan sudaki tüm döteryum, D 2 O değil, HDO formundadır. Etil alkol aynı zamanda iyi bir döteryum akümülatörüdür.

Artık suyu ağır izotoplardan ve her şeyden önce döteryum, trityum ve 18 O'dan arındırmanın neden bu kadar önemli olduğu açık. etkili temizlik Trityum ve diğer ağır izotoplarla kirlenmiş ağır atık su yakın zamana kadar mevcut değildi. Bu nedenle, nükleer endüstride atık ağır suyun bertarafı, yeni ve daha verimli nükleer reaktör türlerinin piyasaya sürülmesini engelleyen ciddi bir çevre sorunu teşkil ediyordu.

Web sitemizde daha önce vakumlu dondurma-buharlaştırma ve elektroliz yöntemleri kullanılarak döteryum içeriği azaltılmış suyun endüstriyel üretimine yönelik yöntemler hakkında zaten bilgi vermiştik.....

Yaşamın matrisi olan suyun bileşiminde, insan ergenliğinin başlangıcından itibaren bu kadar önemli miktarda hidrojen ve oksijenin ağır ve radyoaktif izotopları, genlerine zarar verir ve neden olur. çeşitli hastalıklar Kanser, vücudun yaşlanmasını başlatır.

Sudaki radyoaktif ve ağır hidrojen ve oksijen izotoplarının gen havuzuna vereceği büyük hasar, bitki, hayvan ve insan türlerinin yok olmasına yol açabilir. Pek çok bilim adamına göre insan, radyoaktif ve ağır izotoplar 18 O ve 2 H'den yoksun hafif su içmeye geçmezse nesli tükenme tehlikesiyle karşı karşıyadır. Bu nedenle 21. yüzyılın başında bilim adamları arasında sesler duyuldu. döteryum 2 H ve oksijen 18 O'nun ağır izotoplarının tüketilen içme suyundan tamamen hariç tutulması hakkında.

Ağır döteryum ve oksijen izotoplarını sıradan içme suyundan çıkarmak kolay bir iş değildir. Çeşitli fizikokimyasal yöntemlerle elde edilir - izotop değişimi, elektroliz, vakumla dondurma, ardından çözme, düzeltme, santrifüjleme. Bu yöntemler web sitemizde birkaç kez tartışılmıştır.

% 30-35 oranında azaltılmış döteryum ve trityum içeriğine sahip hafif su üretimi için ilk endüstriyel tesis, Ukraynalı bilim adamları G.D. Berdyshev ve I.N. Varnavsky, Deneysel Patoloji, Onkoloji ve Radyobiyoloji Enstitüsü ile birlikte adını aldı. Ukrayna'dan R. Kavetsky RAS. Bu eşsiz tesis, kaynak suyundan çıkarılan soğuk buharın dondurulması ve ardından bu buzun kızılötesi ışında eritilmesi yoluyla kaynak suyundan buz üretilmesini sağlar. morötesi radyasyon eriyik suyunun özel gazlar ve minerallerle mikro doygunluğu.

Araştırmacılar, 0-1,8°C aralığındaki sıcaklıklarda, döteryum ve trityum içeren su moleküllerinin, protiumlu suyun aksine, yarı kararlı-katı inaktif durumda olduğunu bulmuşlardır. Bu özellik, bu sıcaklıkta su yüzeyinin üzerinde bir hava vakumu yaratarak hafif ve ağır suyun fraksiyonel olarak ayrılmasının temelini oluşturur. Protium suyu hızla buharlaşır ve ardından dondurucu cihaz tarafından yakalanarak kar ve buza dönüşür. Aktif olmayan katı halde bulunan ve önemli ölçüde daha düşük kısmi basınca sahip olan ağır su, suda çözünmüş ağır metal tuzları, petrol ürünleri, deterjanlar ve diğer zararlı ve toksik maddelerle birlikte kaynak suyunun buharlaştırma tankında kalır.

Suyun açık yüzeyi (ayna) üzerindeki buhar basıncının normal basınçtaki sıcaklığa bağımlılığı bilinmektedir. Böylece 0°C'de buhar basıncı 4,6 mm Hg'dir. Su sıcaklığının +10 ° C'ye yükselmesiyle buhar basıncı 9,2 mm Hg'ye yani iki katına çıkar ve 100 ° C'de 760 mm Hg'ye karşılık gelir. Hesaplamalar, sıcaklığın 0°C'den 40°C'ye artmasıyla su yüzeyi üzerindeki buhar basıncının 10 kat, 100°C'de ise 160 kat arttığını göstermektedir. Hafif ve ağır suyun buharlaşma yoğunluğu, sıcaklığa ve su yüzeyi üzerindeki seyrekleşmeye bağlı olarak ilişkilidir. Laboratuvar koşullarında elde edilen veriler, suyun buharlaşmadan önceki sıcaklığının, donmuş soğuk buhardan elde edilen eriyik sudaki döteryum içeriği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir.

Azaltılmış döteryum içeriğine sahip kar veya buzdan elde edilen suyun, bitkiler, hayvanlar ve insanlar gibi tüm canlılar üzerinde faydalı bir etkiye sahip biyolojik olarak aktif özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. Erimiş suyun biyolojik aktivitesi, üzerindeki belirli etkilerin (örneğin akış) birleştirilmesiyle önemli ölçüde artırılabilir. ultraviyole ışınlar. Önerilen çözüm, buzun erimesi sırasında ultraviyole ve kızılötesi ışınlanmasını içerir. Bu, örneğin dağ tepelerindeki buzun güneş ışınına maruz kalması sırasında, eriyik suya benzer özelliklere sahip erimiş su elde edilmesini mümkün kılar.

Aşağıdaki şekil, azaltılmış döteryum ve trityum içeriğine sahip şifalı eriyik içme suyu üretmek için VIN-4 "Nadiya" kurulumunun bir görüntüsünü göstermektedir. Muhafaza 1, bir ısıtma cihazı 3 ile kaynak suyu için bir buharlaştırma tankı 2 ve buna bağlı bir soğutma suyu cihazı 4 içerir. Ayrıca, buharlaştırıcıya su sağlamak için bir vana 5 ve ağır olarak zenginleştirilmiş atık kalıntısını boşaltmak için bir vana b bulunmaktadır. hidrojen izotopları.

VIN-4 “Nadiya” kurulumunun iki projeksiyonda şematik gösterimi: Şekil 1 boyunca ve Şekil 2 boyunca.

Muhafaza (1), soğutucu akışkanın içlerinden pompalanması için bir pompaya bağlanan bir dizi ince duvarlı boru şeklinde eleman formunda soğuk buharın yoğunlaştırılması ve dondurulması için bir cihaz (7) içerir. Cihaz (7), ultraviyole (8) ve kızılötesi (9) radyasyon kaynaklarıyla birlikte, erimiş suyun toplanması için kabın (10) üzerine yerleştirilir. Muhafazanın (1) iç boşluğu bir boru (11) aracılığıyla bir hava vakum kaynağına, örneğin VN-1MG tipi bir ön vakum pompasına bağlanır. Ek olarak mahfaza (1), iç boşluğuna arıtılmış hava veya özel gaz karışımı sağlamak için bir cihaz (12) ile donatılmıştır.

VIN-4 kurulumu, ilk arıtılmış suyun buharlaştırma işleminin ayarlanan sıcaklığını kontrol etmek için buharlaştırma tankının (2) boşluğunda bir termal kontrol sistemi ile donatılmıştır. Muhafaza 1, buharlaşma, soğuk buharın dondurulması ve buzun -13 ve 14 eritilmesi işlemlerini izlemek için deliklere sahiptir. Tank (10), eriyik suyunu boşaltmak için vanalar (15) ve yapıyı oluşturmak için bloğa bağlantı için bir boru (16) ile donatılmıştır ve eriyik suyunun (17) özellikleri. Blok (17), mineralleri içeren bir dahili konik kap (18) içerir. Tankın (19) çıkışında bir filtre (20) ve bir tahliye vanası (21) bulunmaktadır.

Kurulumun çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Su kaynağından buharlaştırıcı tankı (2) suyla doldurulur ve soğutucu cihaz (4) aracılığıyla pompalanır. +10°C'yi aşmayacak şekilde ayarlanan sıcaklığa ulaşıldığında su soğutma işlemi durdurulur. Muhafaza 1 kapatılır ve montaj muhafazasının iç hacminde bir vakum oluşturmak için P borusundan hava dışarı pompalanmaya başlar. Bir vakumun yaratılmasına, önce kaynak suyun tüm hacminden içinde çözünen gazların yoğun bir şekilde salınması ve bunların uzaklaştırılması ve daha sonra lumbozlardan (13) gözlemlenen suyun kaynamasına kadar yoğun buhar oluşumu eşlik eder. ve 14. Ortaya çıkan soğuk buhar, dondurucunun (7) şekilli elemanlarının yüzeyinde yoğunlaşır ve donar. Buz kalınlığı ulaştığında verilen değer buharlaşma süreci durdurulur. Ön vakum pompası kapatılır, ultraviyole 8 ve kızılötesi 9 radyasyon kaynakları açılır ve cihaz 12 aracılığıyla arıtılmış hava veya özel olarak hazırlanmış aktif gaz bileşimi, mahfazanın 1 boşluğuna verilir; mahfaza 1'deki basıncı atmosferik seviyeye veya üstüne getirin. Ağır izotoplar bakımından zenginleştirilmiş kap 2'deki suyun geri kalanı, valf 6 aracılığıyla ayrı kaplara dökülür veya boşaltılır. Buz ışınlanıp eridikçe, eriyik suyu konteynere (10) girer, ardından eriyik suyun yapısını ve özelliklerini oluşturmak için blok (17) içine girer. İç 18 ve dış 19 konik kapların minerallerinden ve ardından filtre 20'den geçen eriyik su, özel hayat verici ve iyileştirici özellikler kazanarak yolculuğunu tamamlar.

Döteryum içeriği azaltılmış biyolojik olarak içilebilir aktif su üretmek için benzer bir cihaz, 2000 yılında Rus bilim adamları Yu.E. Gaidadymov V.B. ve Grigoriev A.I. Tıbbi ve Biyolojik Sorunlar Enstitüsü'nden. Atmosferdeki nem yoğunlaşması veya damıtma ürünü, katı iyon değiştirme elektroliti içeren bir elektrolizörde ayrıştırılır. Ortaya çıkan elektroliz gazları suyu dönüştürür ve yoğunlaşır. Elektroliz 60-80 o C sıcaklıkta gerçekleştirilir. Elektroliz hidrojeni, %4-10 floroplastik ve %2-4 paladyum veya platin içeren aktif karbon taşıyıcı üzerindeki bir katalizör üzerinde hidrojen içindeki su buharı ile izotop değişimine tabi tutulur. Elde edilen elektrolizden su buharı, hidrojen ve oksijen iyon değişim membranlarından geçirilerek uzaklaştırılır, döteryumdan saflaştırılan elektroliz gazları suya dönüştürülür, ikincisi daha da saflaştırılır ve ardından kalsiyum-magnezyum içeren karbonat malzemeleriyle temas ettirilerek mineralize edilir, esas olarak dolomit.

D2/H2O izotop değişim reaktöründe, elektroliz sıcaklığında %2-4 paladyum ve %4-10 floroplastik ile desteklenmiş aktif karbon PAH-SV kullanılır. Elektroliz hidrojeni katalizörden geçirilir, elektroliz sıcaklığında (60-80 o C) oluşan hidrojende bulunan su buharı ile izotop değişimi D2 /H2O meydana gelir. Bu, izotop değişim sıcaklığının azalmasıyla artan ve su buharlaşması için ek enerji maliyetlerini ortadan kaldıran D2 /H2O izotop değişim derecesini artırmanıza olanak tanır.

Cihaz, gözenekli bir anot ve bir katot arasına sıkıştırılmış katı iyon değiştirme elektroliti olan bir elektrolizör, elektroliz gazlarını suya dönüştüren bir dönüştürücü, ikincisinin bir kapasitörü ve bir döteryum içermeyen su toplayıcı içerir. Ayrıca cihaz ayrıca bir oksijen kurutucusu, bir D2/H2O izotop değişim reaktörü ve bir su düzenleyiciyle donatılmıştır. Reaktörün ve kurutucunun dış duvarları iyon değişim membranlarından oluşur, ayrıca oksijen kurutucusu bir iyon değişim katyon değişim reçinesi içerir ve su düzenleyici, sıkıştırılmış karışık iyon değişim malzemeleri katmanlarına sahip bir filtreden oluşur, granüler kalsiyum-magnezyum karbonat malzemeleri içeren bir adsorban ve bir mineralleştirici. Bu, döteryumu derinden tüketen ve büyük biyolojik aktiviteye sahip içme suyu üretir.

Rus bilim adamlarının tasarladığı bu tesis şu şekilde çalışıyor. Saflaştırılmış atmosferik nem yoğunlaşması veya damıtılmış madde, elektroliz işleminin anot odasına katı iyon değiştirme elektroliti ile girer, burada elektroliz işlemi 60-80 o C sıcaklıkta gerçekleştirilir. Döteryumdan tükenmiş oksijen ve hidrojen, su buharı olarak oluşur. Elektrolizin bir sonucu olarak, bir oksijen kurutucuya ve dış yan duvarları iyon değişim membranlarından oluşturulan bir izotop değişim reaktörüne beslenir. Hidrojen iyonlarının hidrasyon suyu, katı katyon değişim elektroliti yoluyla aktarıldı ve basınç altında katolit toplayıcıya girdi. Ağırlıkça %4-10 floroplastik ve %2-4 paladyum veya platin içeren aktif karbonla doldurulmuş katalitik bir izotop değişim reaktöründe D2/H2O izotop değişim reaksiyonu gerçekleşir.

İzotop değişiminden sonra hidrojen, dış yan duvarlarında bulunan reaktör iyon değiştiricileri aracılığıyla emilen ve uzaklaştırılan su buharından kurutulur. Kurutulmuş gazlar, katalitik yakıcı olan elektroliz gazı dönüştürücüsüne girer. Torç alevi bir yoğunlaştırıcıya yönlendirilir, musluk suyu akışıyla soğutulur, burada su buharı yoğunlaşır ve bir sorpsiyon filtresi üzerinde son işlem için klimaya girer. Su daha sonra döteryumu tükenmiş su koleksiyonuna akar. Cihazın soğutulması ve iyon değişim membranlarının su buharından elektroliz gazlarını kurutmak için çalıştırılması bir fan tarafından gerçekleştirilir.

Döteryum içeriği azaltılmış yoğunlaştırılmış biyolojik olarak aktif su, karışık bir iyon değişim malzemeleri (iyon değiştiriciler) ve bir adsorban - aktif karbon tabakası içeren bir filtre üzerinde sorpsiyon sonrası saflaştırmaya tabi tutuldu. Kullanılan iyon değiştiriciler KU-13 Pch katyon değiştirici ve AV-17-1 anyon değiştiricidir. Suyun sonradan saflaştırılması sırasında hacimsel filtrasyon hızı, saatte 1 hacim sorpsiyon filtresine eşit olacak şekilde sabit tutuldu. Sorpsiyon saflaştırmasından sonra su dolomit üzerinde mineralleştirildi. Temizleme sonucu tablo 1 ve 2'dedir.

Azaltılmış döteryum konsantrasyonlarına sahip su için tesisin verimliliği saatte 50 ml'dir. Bir uzay aracında sıfır yerçekimi koşullarında, elektroliz gazlarının bir yakıt hücresinde suya dönüştürülmesi tavsiye edilir; bu, gaz-sıvı ayırma işlemlerini ortadan kaldırır ve yakıt hücresinde üretilen enerjinin geminin güç kaynağı sistemine geri gönderilmesine olanak tanır. .

Bir sonraki sayfada devam ediyor

Aşağıdaki şekil, atmosferik nem yoğunlaşmasından veya damıtıldığından azaltılmış döteryum içeriğine sahip biyolojik olarak aktif içme suyu üretmek için bir cihazı şematik olarak göstermektedir. Cihaz, bir iyon değiştirme elektroliti ile bir elektrolizörün anot odasına (2) bağlanan, atmosferik nem yoğunlaşması veya damıtığı içeren bir kap (1) içerir. Elektrolizör, platin kaplı titanyumdan yapılmış gözenekli elektrotlar (anot 2 ve katot 3) içerir. Gözenekli elektrotlar aracılığıyla su buharı ile elektroliz sonucu oluşan oksijen ve hidrojen, oksijen kurutucusuna (4) ve izotop değişim reaktörüne (5) girer. Oksijen kurutucusu (4), iyon değiştirici katyon değiştirici ile doldurulur. Kurutucunun (4) dış duvarları iyon değişim membranlarından (6) oluşur. Gelen oksijen, iyon değişim dolgusu (katyon değiştirici) tarafından emilme ve su buharının iyon değişim membranları (6) yoluyla buharlaşması nedeniyle kurutulur. Kurutulmuş gazlar gaz yakıcısına (9) girin. Daha sonra, su buharı yoğunlaştırıcıya (10) girer ve daha sonra ek arıtma ve mineralizasyon için klimaya (11) girer, ardından su döteryumu tükenmiş su toplayıcıya (12) girer. Cihazın soğutulması ve elektroliz gazının çalıştırılması Sudan kurutucular fan 7 tarafından gerçekleştirildi.

Döteryum içermeyen suyun yüksek bitkiler ve hayvanlar üzerindeki biyolojik aktivitesi üzerine yapılan çalışmalar, döteryum içermeyen suyun tek aşamalı işleme şemasına göre pozitif biyolojik aktiviteye sahip olduğunu göstermiştir:

Arabidopsis ve Brassica'nın, değişen izotopik bileşime sahip incelenen su numuneleri kullanılarak tam oluşum döngüsü boyunca yetiştirilmesi sırasında biyokütle ve tohum miktarında bir artış kaydedildi. Tohum üretimi 2-6 kat arttı;

Bıldırcınların 6 günlük yaştan cinsel olgunluğa kadar döteryum içermeyen su üzerinde tutulması, üreme organlarının (boyut ve ağırlık olarak) daha hızlı gelişmesine ve spermatogenez sürecinde ilerlemeye yol açtığı tespit edildi.

Bilim adamları bu suyu üç yıl boyunca incelediler. İlk deneyler Lewis akciğer karsinomu ile aşılanmış doğrusal fareler üzerinde gerçekleştirildi. Kalıntı su, kanser sürecinin gelişimini geciktirdi ve hayvanların direncini artırdı. Deneyler, test edilen suyun türüne göre her biri 15 hayvandan oluşan beş gruba ayrılan, 3-3,5 aylık 75 fare üzerinde gerçekleştirildi.

İki gösterge özel ilgiyi hak ediyor: metastazda gecikme ve deney sırasında hayvanların kilo kaybı. Kalıntı suyun hayvanların bağışıklık sistemi üzerindeki güçlü uyarıcı etkisi, metastaz gelişiminde kontrol grubuna kıyasla %40 (!) gecikmeye neden oldu ve kalıntı su içen hayvanlarda kilo kaybı, sonunda yarı yarıya azaldı. deneyin.

Daha sonra araştırmacılar, kalıntı suyun hayvan vücudu üzerindeki etki mekanizmalarını (fare karaciğer mitokondrisinin solunumu ve oksidatif fosforilasyonu ve ayrıca periferik kanın bileşimindeki değişiklikler) açıkladılar. Deneyin başlamasından dört hafta sonra, kalıntı su içen farelerin bir mililitre kanındaki kırmızı kan hücrelerinin sayısındaki artış 657.000 hücreye ulaştı ve hemoglobin içeriği %1,54 g arttı. Ayrıca açık bir durumun olduğu da belirtildi. olumlu etki karaciğer dokusunun oksijen doygunluğunun göstergelerinde su: pO2'deki artış% 15, solunum potansiyeli 1,3 kat arttı. Kalıntı suyun farelerin sağlığı üzerindeki yararlı etkisi, kontrole kıyasla farelerin artan direnci ve kilo alımıyla kanıtlandı. Kalıntı suyun tüm canlılar üzerindeki yararlı etkisine ikna olmak için, aynı zamanda bitkilerin büyümesi ve gelişmesi üzerindeki etkisini de test etmek gerekiyordu. BAE Mısır Enstitüsü'nde yapılan araştırma sonucunda kalıntı suyun buğday, keten ve mısır fideleri üzerindeki uyarıcı etkisinin fumar ve fumaran gibi bitki büyüme uyarıcılarının etkisiyle karşılaştırılabilir olduğu, kalıntı suyun ise daha fazla etki gösterdiği tespit edildi. ayçiçeği fideleri üzerinde daha belirgin bir uyarıcı etki.

VIN-7 Nadiya tesisinde elde edilen farklı döteryum içeriğine sahip kalıntı suyun sperm aktivitesi üzerindeki biyolojik aktivitesine ilişkin çalışmalar 1998 yılında kendi adını taşıyan Ekolojik Hijyen ve Toksikoloji Enstitüsü'nde gerçekleştirildi. Ukrayna Sağlık Bakanlığı'ndan L.Medved. VNN-7 Nadiya tesisinden alınan kalıntı su örneklerinde spermatozoa fonksiyonel aktivitesini daha uzun süre koruyor ve sudaki döteryum içeriği azaldıkça bu aktivite artıyor. Yaşamın üremesinin üreme hücrelerinin hayati aktivite potansiyeli ile ilişkili olduğu bilinen gerçeğini dikkate alırsak, kalıntı suyun gelecek nesiller için önemi daha da netleşecektir.

Kalıntı suyun tıbbi ve biyolojik özellikleri 1995 yılında Kiev Üniversitesi Genel ve Moleküler Genetik Bölümü'nde incelenmiştir. Ulusal Üniversite onlara. T. Şevçenko. Drosophila, dünya biliminde çeşitli biyolojik ve tıbbi deneyler için genel olarak tanınan canlı bir model nesnedir. Üç tür suyun, Oregon hattındaki Drosophila melanogaster'ın tüm doğum ve gelişim döngüsü üzerindeki etkisini incelemek amaçlandı - yumurtlama, yumurtalardan larvaların ortaya çıkışı, larvalardan pupalar ve pupalardan yetişkinler (imagolar).

İlk kez, gelişimi sırasında Drosophila üzerinde %5 oranında azaltılmış döteryum içeriğine sahip kalıntı suya maruz kalmanın geroprotektif (gençleştirici), radyoprotektif ve antimutajenik etkileri keşfedildi.

Drosophila üzerinde yapılan deneylerden olumlu sonuçlar alan bilim insanları, sıcakkanlı hayvanlar üzerinde araştırmalarına devam etti. Bu aynı zamanda uzmanların kozmonotlara (Moskova Tıbbi ve Biyolojik Sorunlar Enstitüsü) yaşam desteği konusundaki ilgisiyle de kolaylaştırıldı. karşılaştırmalı araştırma azaltılmış (%60) döteryum içeriğine sahip su örnekleri.

1998 yılında Tıbbi ve Biyolojik Sorunlar Enstitüsü'nde elektroliz teknolojisi kullanılarak elde edilen döteryum içeriği azaltılmış su ile VIN-7 Nadiya tesisinde vakum teknolojisi kullanılarak elde edilen suyun bağışıklık sistemi üzerindeki etkisi üzerine bir çalışma yapıldı. kobaylar.

Hangi suyun, bağışıklık sistemi üzerinde faydalı bir etkiye sahip olan daha yüksek bir biyolojik aktiviteye sahip olduğunu belirlemesi gerekiyordu - döteryumdan% 60 oranında arıtılmış elektroliz suyu mu yoksa döteryum konsantrasyonu yalnızca% 9 oranında azaltılmış Nadiya'dan kalan su mu?

Elektroliz işlemi sırasında döteryum içeriği %60 oranında azaltılmış su, damıtılmış suyun olumsuz özelliklerini korur (mineralizasyon eksikliği, çözünmüş gazların artan içeriği, suyun moleküler yapısının bozulması). Astronotlara içme suyu elde etmek için sadece başlangıç ​​malzemesidir.

Elektroliz işleminin avantajı, döteryumun (%90'a kadar) uzaklaştırılma potansiyelidir, bu nedenle hayvanlar ve bitkiler üzerinde yapılan deneylerde kullanılır.

Döteryum içeriği azaltılmış su üretimi için vakum teknolojisi kullanılarak, içinde çözünmüş gaz içeriği azaltılmış ve düzenli buz benzeri bir yapıya sahip mikromineralize içme suyu elde edilir.

Deney için bilim insanları 12 olgun kobay aldı. Kontrol grubu 1'in lenfosit kültürüne özellikleri bakımından fizyolojik çözeltiye benzeyen su eklendi. Grup 2'deki lenfositlere elektroliz suyu eklendi. Üçüncü grupta ise VIN-7 “Nadiya” tesisatından kalan kalıntı su kullanıldı. Dördüncü grup, döteryum içeriği %40 artırılmış ağır sudan oluşuyordu.

Hayvanların bağışıklık durumu, dünya immünolojisinde kabul edilen dört test kullanılarak değerlendirildi: E-ROK - yabancı hücreleri bağlama yeteneğini ortaya çıkarır; FG-NG - nötrofil granülositlerinin (NG) fagositoza (PG) yeteneğini karakterize eder; FG - MF - makrofajların (MF) fagositoz yeteneğini belirler; Dördüncü test, T lenfositlerin öldürücü aktivitesini, yani mutasyon sonucu değişen vücudun tüm hücrelerini öldürme yeteneğini temsil ediyor.

VIN-7 Nadiya kurulumundan (No. 3) kalan suyun önemli bir bağışıklık uyarıcı etkisi olduğu kaydedildi. %9'luk döteryum azalmasına rağmen, kobayların bağışıklık sistemi üzerinde en büyük uyarıcı etkiyi gösterdi ve %60 oranında azaltılmış döteryum içeriğiyle elektroliz suyunu (No. 2) her açıdan geride bıraktı. Ağır suyun hayvanların bağışıklığı üzerinde güçlü bir baskılayıcı etkisi vardı.

Azaltılmış döteryum içeriğine sahip su hayvanları nasıl etkiler? Bu sorunun cevabını Ukrayna Akademisyeni V.I. Badin. Döteryum içeriği azaltılmış suyla beslenen 4 aylık buzağıların vücudundaki döteryum içeriğindeki azalmanın dinamiklerini ölçtü.

Deneme için 4 aylık 3 sağlıklı buzağı seçildi. Her biri ayrı bir bölmeye yerleştirildi. Deneye başlamadan önce idrar, kan ve saç. Ağırlığın belirlenmesi için hayvanlar ölçüldü. Deneme süresince buzağılara saman (1,5-2 kg/gün) ve karma yem (2 kg/gün) verildi. Ve protium/döteryum izotop kayması bilinen ağır su ilavesiyle saf suyla beslendiler.

Daha sonra deneyin ikinci, beşinci ve yedinci günlerinde hayvanlardan idrar ve kan alınarak döteryum içeriğinin yanı sıra makro ve mikro elementlerin içeriği belirlendi. Her gün buzağıların nabzı, solunum sayısı ve vücut ısısı ölçüldü. Tüm deney boyunca buzağılar bir veteriner ve hayvancılık uzmanı tarafından izlendi.

Deneyden önce hayvanların idrarındaki döteryum konsantrasyonunun, Moskova bölgesinin suyundaki döteryum konsantrasyonuna yaklaşık olarak eşit olduğu bulundu.

Bilim insanları şu sonuçlara vardı:

Döteryumu tükenmiş suyun hayvanlar tarafından tüketilmesi, idrar suyunun izotopik bileşiminde değişikliklere yol açar.

Hayvanlar tarafından arıtılmış su tüketimi, idrardaki kalsiyum konsantrasyonunun azalmasına neden oldu.

Saçtaki kalsiyum, magnezyum ve kadmiyum içeriğinde azalma kaydedildi.

Kan/idrar konsantrasyonu oranı korunurken idrarda ve kan serumunda kreatin konsantrasyonunda bir artış oldu.

Döteryumu tükenen suyu içen buzağılar, çeviklikleri ve yüksek hareketlilikleri açısından sıradan buzağılardan farklıydı.

Döteryumun izotop etkisi vücuttaki biyokimyasal süreçleri etkinleştirebilir veya engelleyebilir. Ancak döteryum toksikolojisi alanında birincil bilgiler toplanana kadar bunun insanlar üzerindeki etkisini incelemek çok tehlikelidir. Döteryumdan arındırılmış suyun pratik kullanımında ilk adım, ağır su üretiminde personelin diyetinde profilaktik ajan olarak hafifletilmiş suyun kullanılması olabilir.

Rusya'da, kalıntı suyun analogları da üretiliyor - düşük döteryum içerikli su, hafif su "Langvey" ve hafif su "Protius", bir zamanlar akademik kurumlarda çalışan bilim adamlarının ve meraklıların toplandığı, para ve çaba harcamaya karar veren meraklılar. geleceğin suyu. Kendilerine, mevcut Batılı benzerlerinden daha verimli, hafif su üretimi yaratma hedefi koydular.

Hafif su, nükleer endüstride nötron moderatörü olarak kullanılan ağır su üretiminin bir yan ürünüdür. İÇİNDE son yıllar Hafif suyun insan vücudu için, özellikle kanserin önlenmesi ve tedavisi için son derece yararlı olduğunu kanıtlayan araştırmalarla bağlantılı olarak (örneğin, www.langvey.ru), iç piyasada içme amaçlı hafif su ortaya çıktı. Kalitesini ve maliyetini belirleyen döteryum içeriği, 20-30 ppm'lik adımlarla 25 ppm (milyonda parça) arasında değişmektedir. Üretimdeki yüksek emek yoğunluğu nedeniyle, piyasada bir litre hafif suyun maliyeti onlarca ABD doları ve daha fazladır.

İlk şirket, santrifüj-vorteks su arıtma yönteminin orijinal teknolojisini kullanıyor, ikinci şirket ise kolon damıtma yöntemini kullanarak suyun döteryum ve trityumdan derin saflaştırılması teknolojisini kullanıyor. Su arıtma, temas elemanlarına (paketler veya plakalar) sahip ters akışlı kolon cihazlarında gerçekleştirilen karmaşık bir kütle transfer işlemidir. Suyun arıtılması işlemi sırasında, sıvı molekülleri ile birbirine göre hareket eden buhar fazları arasında sürekli bir değişim meydana gelir.

burada sıvı faz daha yüksek kaynama noktalı bir bileşen ve buhar fazı - daha düşük kaynama noktalı - ağır su ve trityum 3 H ve oksijen 18 O'nun diğer ağır izotopları ile zenginleştirilmiştir. Çoğu durumda, düzeltme, çeşitli temas elemanlarına sahip ters akışlı kolon aparatlarında gerçekleştirilir. - nozullar veya plakalar. Kütle aktarımı işlemi, aşağı doğru akan geri akış ile yukarıya doğru yükselen buhar arasında kolonun tüm yüksekliği boyunca meydana gelir. Kütle transfer sürecini yoğunlaştırmak için, kütle transfer yüzeyinin arttırılmasına izin veren kontak elemanları - nozullar ve plakalar kullanılır. Bir nozul kullanıldığında, sıvı yüzeyi üzerinde ince bir film halinde akar; plakalar kullanıldığında buhar, plakaların yüzeyindeki bir sıvı tabakasından geçer.

Pirinç. sol - Damıtma sütun diyagramı

Pirinç. sağda - Hidrojen İzotoplarının Ayrılması için St. Petersburg Laboratuvarı'nda geliştirilen, sıradan suyun proteinden arındırılması için deneysel bir damıtma ünitesi. Siteden fotoğrafnrd.pnpi.spb.ru/lriv/home_rus.htm

Damıtma kolonu su kaynama diyagramı kullanılarak hesaplanır. belirtilen parametreler düzeltme - kaynak suyunun bileşimi, tabanlar, damıtma ürünü, üretkenlik ve kolondaki çalışma basıncı. Daha sonra tepsi tipi seçilerek tepsilerin buhar hızı, kolon çapı, kütle transfer katsayıları, kolon yüksekliği ve hidrolik direnci belirlenir. Bundan sonra operasyonel özellikler ve damıtma kolonunun kullanımının ekonomik göstergeleri hesaplanır. Uygulamada, suyun izotoplardan daha derinlemesine arıtılması için, tek bir damıtma sütunu değil, bir dizi - 20 ayrı sütundan oluşan bir sütun bataryası kullanılır.

Pirinç . Genel form su moleküllerini “hafif” ve “ağır” olarak ayırmak için damıtma kolonu pilleri. Siteden fotoğrafwww.langvey.ru

Hafif içme suyu "Langvey", değişen artık döteryum içeriğiyle (125 ila 50 ppm arasında) üretilir. 0,55 l ve 1,5 l kapasiteli PET şişelerde paketlenir ve içme ve pişirme amaçlıdır. Rusya Bilimsel Rehabilitasyon Tıbbı ve Ürtoloji Merkezi ve Güzellik Enstitüsü'nde yürütülen klinik çalışmalara dayanarak, karbonhidrat ve lipit metabolizmasını normalleştirmek, kan basıncını, kiloyu düzeltmek, vücudun işleyişini iyileştirmek için Langvey hafif içme suyunun günlük içecek olarak tavsiye edilmesi önerilir. Gastrointestinal sistem, su değişimi oranını arttırır ve atık ve toksinlerin vücuttan atılmasını sağlar.

Masa. Karşılaştırmalı özellikler hafif içme suyu "Langvey" ve ünlü markaların maden suları

Bu teknoloji, doğal suyun döteryumdan 1-2 ppm düzeyindeki rekor değerlere kadar arıtılmasını mümkün kılar. Bu, belirli bir izotopik bileşime sahip, gerçekten kimyasal açıdan saf hafif sudur. Ek olarak, bu yöntemle su arıtmanın verimliliği diğer yöntemlerden çok daha yüksektir ve bu da buna göre maliyetini düşürür. Hafif suyun büyük ölçekli üretimiyle gelecekte herkesin kullanımına sunulacak.

Şu anda dünyanın tüm ülkelerinde su kalitesinin iyileştirilmesine yönelik çalışmalar yürütülmektedir. Ancak mevcut arıtma tesisleri ve su arıtma teknolojileri görevlerini yerine getirememektedir. Bu yüzden ortaya çıktılar çeşitli yollar ve içme suyunun döteryumdan izotop saflaştırılmasına yönelik cihazlar. Genel anlamda, tüm bu cihazlar, arıtma ne kadar mükemmel olursa olsun, suyun üzerindeki etkinin izini tutma yeteneğinde kendini gösteren suyun genetik hafızasına hiçbir şey yapamaz. moleküler yapı izotoplar dahil tüm safsızlık bileşikleri.

Değil Basit görev. Bununla birlikte, uzun yıllar süren çalışmalar, çok sayıda deney ve teknolojik gelişme, bilim adamlarını şu hedefe yönlendirdi: döteryumdan derin saflaştırma ile kristal saflığında hafif su elde etmek, optimum mineral bileşimi ve doğal yapı derin düzeltme sonucu elde edilmiştir.

Gelecek deneylerde, gezegenler arası uçuşlarda astronotların uzayda "hafif su" içmeleri planlanıyor - hidrojen ve oksijenin ağır izotoplarının uzaklaştırıldığı ve özellikle vücudu radyasyondan koruyan olumlu biyolojik etkileri olan su.

Moskova'da yaşam destek sistemlerinin geliştirilmesine adanmış bir konferansta bildirildiği gibi uzay uçuşları Tıbbi ve Biyolojik Sorunlar Enstitüsü Profesörü Yuri Sinyak, çalışmalar şunu gösterdi: " hafif su", döteryum ve ağır oksijenin bulunmadığı veya içeriklerinin önemli ölçüde azaldığı durumlarda, aksine, bir takım yararlı biyolojik özelliklere sahiptirler.

Tıbbi ve Biyolojik Sorunlar Enstitüsü'ndeki deneylerde hafif suyun radyasyona karşı koruduğu gösterildi: Önemli dozda radyasyon alan fareler, hafif su içtikleri takdirde daha uzun bir ömre sahipti.

Ek olarak, hafif suyun antitümör özellikleri keşfedildi; deneyler, bunun belirli tümör türlerinin büyümesini yavaşlattığını gösterdi.

Hafif su, yapısı ve bileşimi bakımından karmaşık olan ve insan vücudu üzerinde polifizyolojik etkiye sahip bir üründür. Bu bağlamda, suyun diğer tüm bileşenlerini hijyenik standartlar tarafından düzenlenen seviyelerde tutarken, içme suyunun ağır moleküllerden arındırılmasının vücut üzerinde nasıl bir etki yaratacağının değerlendirilmesi önemlidir. Suyun vücuttaki rolü ve ağır suyun bilinen izotop etkileri ve hafif su için elde edilen sonuçlar dikkate alındığında, bu tür bir arıtmanın biyolojik membranların özellikleri üzerinde en büyük etkiye sahip olabilmesi beklenebilir. düzenleyici sistemler ve canlı bir hücrenin enerji aygıtı. Örneğin, ağır suyun etkisi altında, pankreas dokusundan ve Langerhans adacıklarından glikozun başlattığı insülin salınımının engellendiği ve hücre mitokondrisi tarafından oksijen emilim hızının azaldığı iyi bilinmektedir.

Hafif su, kısmen veya tamamen ağır sudan arındırılmış ve bu arıtma sayesinde benzersiz özellikler kazanan doğal sudur.

Hafif içme suyunun insan vücudu üzerindeki ana etkisi, izotop değişim reaksiyonları nedeniyle vücut sıvılarındaki döteryum içeriğinin kademeli olarak azalmasıdır. Elde edilen sonuçların analizi, hafif içme suyu kullanılarak vücut suyunun ağır sulardan arındırılmasının vücudun en önemli sistemlerinin işleyişini iyileştirebileceğini düşündürmektedir.

Günlük hafif içme suyu tüketimi, izotop değişim reaksiyonları nedeniyle insan vücudundaki ağır su içeriğini doğal olarak azaltmanıza olanak tanır. Bu eşsiz temizlik, hücre zarlarının işleyişini normalleştirir, genel refahı artırır, performansı artırır, vücudun enerji kaynaklarını artırır ve ağır fiziksel efordan sonra vücudun hızlı bir şekilde iyileşmesini sağlar.

Hafif içme suyunun benzersiz özellikleri araştırma ve klinik deneylerle doğrulanmıştır.

Hafif içme suyu:

metabolizmayı ve kan basıncını normalleştirir;

tip II diyabetli hastalarda kan şekerini azaltır;

vücudu toksinlerden ve atıklardan etkili bir şekilde temizler;

yaralanmalardan sonra kemik ve kas dokusunun hızlı iyileşmesini ve restorasyonunu teşvik eder;

anti-inflamatuar etkiye sahiptir;

etkiyi artırır ilaçlar;

kilo düzeltmesini teşvik eder;

-hücreleri radyasyondan korur;

alkol sonrası yoksunluk belirtilerini hızla ortadan kaldırır;

Hafif suyun temel özellikleri

Hafif suyun viskozitesi doğal suya göre daha düşüktür. Bu, hücre zarlarına daha kolay nüfuz etmesini ve vücuttaki su değişim hızını artırmasını sağlar.

Maddelerin hafif sudaki çözünürlüğü doğal sudan daha yüksektir, bu da ona ağır metal tuzlarından, toksinlerden ve diğer zararlı maddelerden arındırırken metabolik ürünleri vücuttan daha eksiksiz ve hızlı bir şekilde çıkarma yeteneği verir.

Hafif sudaki enzimatik (katalitik) reaksiyonların oranı normal suya göre daha yüksektir. Bu, metabolik süreçleri yoğunlaştırmanıza olanak tanır ve ağır yüklerden sonra vücudun daha hızlı iyileşmesine yardımcı olur.

Hafif su, herhangi bir ilaç kullanmadan doğal olarak vücudun enerji kaynaklarını önemli ölçüde artırmanıza olanak tanır. Rusya Tıp Bilimleri Akademisi Çocuk Sağlığı Bilimsel Merkezi'nin membranoloji laboratuvarı tarafından yapılan çalışmaların gösterdiği gibi, hafif suda hücrelerdeki ATP seviyesi önemli ölçüde (% 30 oranında) artmaktadır. Aynı zamanda hücreler çeşitli zehirlerin üzerlerindeki etkilerine daha aktif bir şekilde direnir. Böylece, bir hücre, hücre solunumunu baskılayan kimyasallara maruz kaldığında, hücrelerin hafif suda bir saat sonra hayatta kalma oranı, çift damıtılmış suya göre 2 kat daha yüksektir.

Hayvanlar LD50 dozunda γ ışınlamasına maruz bırakıldığında, ışınlamadan önce 15 gün boyunca hafif su tüketen hayvanların hayatta kalma oranının kontrol grubuna göre 2,5 kat daha yüksek olduğu bulundu; bu, ışığın güçlü radyo-koruyucu özelliklerine işaret ediyor su. Bu, artan arka plan radyasyonu koşullarında büyük şehir sakinleri için "hafif" su içmenin kesinlikle faydalı olduğu anlamına gelir.

Bu nedenle hafif suyun etki spektrumu çok geniştir. Gerçek şu ki, düzenli hafif su tüketimiyle tüm vücut yavaş yavaş ağır sudan arındırılır. Buna hücrelerin, organların ve hücrelerin fonksiyonel aktivitesinde bir artış eşlik eder. çeşitli sistemler vücut. Metabolik süreçler normalleşir, vücudun savunması ve zararlı etkilere karşı direnci artar. Vücudun ağır suyu temizleme hızı kişinin vücut ağırlığına ve tüketilen hafif su miktarına bağlıdır.

Samimi olarak,

Doktora O.V. Mosin

Döteryumun keşfinden hemen sonra ( santimetre. DÖTERYUM VE AĞIR SU) doğada hidrojenin üçüncü süper ağır izotopu olan ve çekirdeğinde bir protona ek olarak iki nötron bulunan trityum arayışına başladı. Sıradan hidrojende trityum mevcut olsaydı döteryumla birlikte yoğunlaşacağı fizikçiler için açıktı. Bu nedenle, ağır su üretimini kuran veya ona erişimi olan birkaç araştırmacı grubu, farklı arama yöntemleri kullanarak yeni bir izotop arayışına başladı. Daha sonra hemen hemen tüm yöntemlerin gerekli hassasiyete sahip olmadıkları için temelde olumlu sonuç veremeyeceği keşfedildi.

Zaten G. Urey'in döteryumun keşfedildiği ilk çalışmasında, teorinin önceden tahmin ettiği konuma göre, tamamen aynı şekilde trityumu tespit etmeye çalışıldı. spektral çizgiler. Ancak spektrogramlarda bu çizgilerin bir ipucu bile yoktu ve bu genel olarak araştırmacıları şaşırtmadı. Sıradan hidrojende yalnızca yüzde yüz döteryum varsa, o zaman çok daha az trityum olması muhtemeldir. Sonuç açıktı: Hem analizin hassasiyetini hem de hidrojenin ağır izotoplarıyla zenginleşme derecesini arttırmak gerekiyor.

1933'ün başında, teorinin yazarı olan ünlü Amerikalı fizik kimyageri elektron çiftleri Gilbert Lewis, kimyager Frank Spedding ile birlikte Urey'in deneyini tekrarladı. Bu sefer araştırmacıların elinde %67 döteryum içeren oldukça zenginleştirilmiş bir örnek vardı. Böyle bir numune, spektrografta 2 dakikalık bir pozlamadan sonra bile fotoğraf plakasında net döteryum çizgileri verdi. Ancak 40 saatlik maruziyetten sonra bile, teoriye göre plaka üzerinde trityum çizgilerinin görünmesi gereken yer tamamen temiz kaldı. Bu, sıradan hidrojendeki trityum içeriğinin en az 1:6·106'dan az olduğu anlamına geliyordu; 6 milyon 1 H atomu başına bir atomdan daha az 3 H. Dolayısıyla aşağıdaki sonuca varıldı: daha da konsantre numuneler almak gerekir, yani D2O biriktirmek için sıradan su değil, ağır su elektrolize tabi tutulmalıdır. T 2 O (veya en azından DTO) biriktirmek için. Pratikte bu, ağır su elde etmek için daha önce kullanılan sıradan su kadar başlangıçta ağır su alınması gerektiği anlamına geliyordu!

Spektroskopistlerin başarısızlığının ardından araştırmaya kütle spektrometresi uzmanları katıldı. Bu son derece hassas yöntem, iyon formundaki bir maddenin çok küçük miktarlarının analizine olanak tanır. Deneyler için su 225 bin kez konsantre edildi. Araştırmacılar örnekte kütlesi 5 olan (DT)+ iyonlarını bulmayı umuyorlardı ancak bu kütleye sahip iyonlar tespit edildi ancak bunların herhangi bir trityum katılımı olmadan triatomik parçacıklara (HDD)+ ait oldukları ortaya çıktı. Trityumun, eğer doğada mevcutsa, daha önce düşünülenden çok daha az olduğu açık hale geldi: 1:5·10 8'den fazla değil, yani zaten 500 milyon H atomu başına 1 T atomu!

Trityum sentezi.

Spektroskopistler ve kütle spektrometristleri trityum hakkında birbiri ardına yayınlar yaparken, bunların hepsinin yalan olduğu ortaya çıktı, trityum yapay olarak üretildi. Bu patriğin laboratuvarında oldu nükleer Fizik Ernst Rutherford. Mart 1934'te, M.L. Oliphant, P. Harteck ve Rutherford tarafından imzalanan küçük bir not, İngilizce "Nature" dergisinde yayınlandı (Lord Rutherford'un soyadı, yayınlanırken baş harflere gerek duymuyordu!). Notun mütevazı başlığına rağmen: Ağır hidrojen ile elde edilen dönüşüm etkisi, dünyaya önemli bir başarı hakkında bilgi verdi: hidrojenin üçüncü izotopunun üretimi. Çalışmanın ortak yazarları genç Avustralyalı Mark Lawrence Oliphant ve Avusturyalı Paul Harteck'ti. Ve eğer Oliphant daha sonra akademisyen ve yönetmen olursa Fiziksel Enstitü Canberra Üniversitesi'ndeki Harteck'in kaderi farklıydı. Görevini tuhaf bir şekilde anlamak Alman bilimi 1934'te Almanya'ya dönüp Nazi rejimi için çalışmaya karar verdi. 1939'da Almanya'daki en yüksek askeri makamlara yaratma olasılığı hakkında bir mektup yazdı. atom silahları ve sonra bir uranyum kazanı inşa etmeye çalıştı - neyse ki başarılı olamadı.

1933'te Cambridge'deki laboratuvar Berkeley'den G. Lewis tarafından ziyaret edildi ve Rutherford'a neredeyse saf ağır su içeren üç küçük cam ampul hediye etti. Toplam hacimleri sadece 0,5 ml idi. Oliphant bu sudan bir miktar saf döteryum elde etti ve bu da deşarj tüpünde yüksek enerjilere hızlandırılan D+ iyonu ışınlarının üretilmesine hizmet etti. Ve Harteck, hidrojen atomlarının kısmen döteryum atomlarıyla değiştirildiği bileşikleri sentezledi. Böylece, NH4Cl + D20 NH3DCl + HDO, NH3DCl + D20 NH2D2Cl + HDO, vb. değişim reaksiyonları ile önemsiz miktarlarda "ağırlıklı" amonyum klorür elde edildi. Döteryumlanmış amonyum klorür hızlandırılmış D+ iyonlarıyla bombardıman edildiğinde, çok yoğun bir yeni parçacık akışı gözlemlendi. Anlaşıldığı üzere, bunlar yeni bir hidrojen izotopu olan trityumun çekirdekleriydi (bunlara triton deniyordu). Ayrıca tarihte ilk kez nükleer füzyonun gözlemlenmesinin mümkün olduğu da açık hale geldi: iki döteryum atomu bir araya gelerek kararsız bir helyum-4 çekirdeği oluşturdu ve bu çekirdek daha sonra trityum ve bir proton oluşturmak üzere bozundu: 4 He ® 3 H + 1 H.

Aynı yıl, Rutherford derslerinde zaten yeni nükleer dönüşümleri gösteriyordu: bir amplifikatör aracılığıyla bir hoparlöre bir parçacık sayacı bağlandı, böylece izleyicilerden yüksek sesli tıklamalar duyuldu ve bu, deşarj tüpündeki voltaj arttıkça daha sık hale geldi. . Aynı zamanda, hedefi vuran her milyon döteryum "kabuğu" için bir trityum atomu elde edildi - bu çok fazla nükleer reaksiyonlar böyle bir türden.

Böylece ilk trityum, nükleer reaksiyonların bir sonucu olarak yapay olarak elde edildi. Doğadaki varlığı sorusu açık kaldı. Cambridge'deki trityumun yapay sentezi, doğal bir kaynakta trityum bulma umuduyla araştırmacıları ağır suyu giderek daha büyük ölçeklerde yoğunlaştırmaya teşvik etti. Böylece fizikçiler ve kimyagerler Princeton Üniversitesi 1935'te güçlerini birleştirerek 75 ton suyu elektrolize tabi tuttu - neredeyse iki demiryolu tankı! Titanik çabaların bir sonucu olarak, yalnızca 0,5 ml hacimli, zenginleştirilmiş su kalıntısı içeren küçük bir ampul elde edildi. Bu rekor bir konsantrasyondu; 150 milyon kez! Bu kalıntının kütle spektral analizi yeni bir şey vermedi - spektrum hala (DT) + iyonlarına atfedilen kütle 5'e karşılık gelen bir tepe noktası ve büyük konsantrasyon dikkate alınarak doğadaki trityum içeriğinin bir değerlendirmesini içeriyordu, T:H ~ 7: 1010 oranını verdi, yani 70 milyar H atomu başına birden fazla T atomu yoktu.

Bu nedenle trityumun tespit edilmesi için su konsantrasyonunun derecesinin daha da arttırılması gerekliydi. Ancak bu çok büyük maliyetler gerektiriyordu. Sorunun çözümünde Rutherford'un kendisi de yer aldı. Muazzam yetkisini kullanarak, Norveçlilerden benzeri görülmemiş ölçekte bir deney yapmalarını kişisel olarak talep etti: Sıradan suyu bir milyar kez konsantre ederek ağır su elde edeceklerdi! İlk olarak 13.000 ton sıradan su elektrolize edildi ve bundan %99,2 D2O içeriğine sahip 43,4 kg ağır su elde edildi. Daha sonra bu miktar neredeyse 10 ay süren elektrolizle 11 ml'ye düşürüldü. Varsayılan trityumun konsantrasyonunu arttırmak için elektroliz koşulları seçildi. Böylece 13 bin ton sudan (ki bu her biri 50 tanklı 5 tren demektir!) yalnızca bir test tüpü zenginleştirilmiş su elde edildi. Dünya hiç bu kadar görkemli deneyleri görmemişti!

Bu değerli örnekle en iyi nasıl başa çıkılacağı konusunda sorun ortaya çıktı. Muhtemelen, bir kütle spektrometresinde kütle bakımından çok yakın iyonları (DT) + ve onlar gibi "maskelenen" iyonları (DDH) + doğrudan ayırt edebilen tek kişi, Nobel ödüllü F.W. Aston'du. kütle spektrometrik analizi. Numunenin analiz için kendisine verilmesine karar verildi. Sonuç cesaret kırıcıydı: DT + iyonlarının varlığına dair hiçbir iz yoktu! Buna göre T:H oranı tahmini 1:10 12'ye düşürüldü. Trityumun doğal kaynaklarda mevcut olması durumunda, o kadar önemsiz miktarlarda olduğu ve onlardan izole edilmesinin, aşılabilir olmasa da inanılmaz zorluklarla ilişkili olduğu açık hale geldi.

Doğal trityumun tespiti.

Trityum radyoaktif olabilir mi? Zaten Rutherford, görkemli deneyinin başarısızlığından sonra böyle bir olasılığı dışlamamıştı. Hesaplamalar aynı zamanda trityum çekirdeğinin kararsız olması ve dolayısıyla radyoaktif olması gerektiğini de öne sürüyordu. Doğadaki önemsiz miktarlarını açıklayabilen şey, nispeten kısa ömürlü trityumun radyoaktivitesiydi. Aslında trityumdaki radyoaktivite kısa sürede deneysel olarak keşfedildi. Tabii ki yapay olarak üretilen trityumdu. 5 ay boyunca radyoaktivitede gözle görülür bir azalma olmadı. Bundan, deneylerin doğruluğu dikkate alındığında, trityumun yarı ömrünün 10 yıldan az olmadığı anlaşıldı. Modern ölçümler trityumun yarı ömrünü 12.262 yıl olarak vermektedir.

Trityum bozunduğunda beta parçacıkları yayarak helyum-3'e dönüşür. Trityum radyasyonunun enerjisi o kadar düşüktür ki Geiger sayacının ince duvarından bile geçemez. Bu nedenle trityum varlığı açısından analiz edilen gazın tezgahın içerisinde çalıştırılması gerekir. Öte yandan, düşük radyasyon enerjisinin avantajları da vardır - trityum bileşikleriyle çalışmak tehlikeli değildir (eğer uçucu değillerse): onun yaydığı beta ışınları havada yalnızca birkaç milimetre yol alır.

Trityumu analiz etmek için yöntemler geliştirmek için önemli miktarlarda gerekliydi. Bu nedenle sentezi için yeni yöntemler ortaya çıkmaya başladı, örneğin 9 Be + 2 H ® 8 Be + 3 H, 6 Li + 1 n ® 4 He + 3 H ve diğerleri. Ve analizin doğruluğu büyük ölçüde arttı. Örneğin, saniyede yalnızca bir trityum atomunun bozunmasının meydana geldiği numuneleri analiz etmek mümkün hale geldi - böyle bir trityum numunesi 10-15 mol'den az içerir! Artık fizikçilerin elinde son derece hassas bir analiz yöntemi vardı. savaş öncesi yıllar kütle spektrometresinden yaklaşık bir milyon kat daha hassastı. Doğal kaynaklarda trityum arayışına dönmenin zamanı geldi.

Doğada trityum.

1946 yılında nükleer fizik alanında tanınmış otoritelerden Nobel Ödülü sahibi W. F. Libby, atmosferde meydana gelen nükleer reaksiyonlar sonucunda trityumun sürekli olarak oluştuğunu öne sürdü. Radyoaktivitenin ilk ölçümleri doğal hidrojen Her ne kadar başarısız olsalar da H:T oranının önceden düşünülenden 5 kat daha az olduğunu ve 1:10'dan fazla olmadığını gösterdi17. En yüksek zenginleştirmelerde bile kütle spektrometresi ile trityumun tespit edilmesinin imkansız olduğu ortaya çıktı: 50'li yılların başında kütle spektrometreleri, safsızlıkların konsantrasyonunu en az% 10-4 içerikte belirlemeyi mümkün kıldı.

1951 grubunda Amerikalı fizikçiler Chicago Üniversitesi'nden W. Libby'nin katılımıyla, Aston'un bir zamanlar kütle spektrometresi ile trityumu tespit etmeye çalıştığı 11 ml süper zenginleştirilmiş ağır su içeren depolanmış bir "Rutherford" ampulü çıkarıldı. Bu örneğin doğal sudan ayrıştırılmasının üzerinden on beş yıl geçmiş olmasına ve içerdiği trityumun yarısından azı kalmış olmasına rağmen, sonucun gelmesi çok uzun sürmedi: ağır su radyoaktifti! Numunenin alınmasından sonraki zenginleşme dikkate alınarak ölçülen aktivite, 1:10 18'lik doğal trityum içeriğine karşılık geldi.

Olası bir hataya karşı önlem almak için, bu belirleyici deneyin her adımını dikkatle izleyerek her şeyi en başından tekrarlamaya karar verdik. Yazarlar Norveçli şirketten birkaç tane daha zenginleştirilmiş su örneği hazırlamasını istedi. Ocak 1948'de Norveç'in kuzeyindeki bir dağ gölünden su alındı. Elektrolitik konsantrasyonla buradan 15 ml ağır su elde edildi. Damıtıldı ve kalsiyum oksitle reaksiyona sokuldu: CaO + D2O® Ca(OD)2. Döteryum, kalsiyum döteroksitten kırmızı ısı sıcaklığında çinko ile indirgeme yoluyla elde edildi: Ca(OD)2 + Zn® CaZnO2 + D2. Kütle spektrometrik analizi, radyoaktivitesini ölçmek için bir Geiger sayacına konulan en saf döteryumun elde edildiğini gösterdi. Gazın radyoaktif olduğu ortaya çıktı, bu da döteryumun izole edildiği suyun trityum içerdiği anlamına geliyordu. Doğal hidrojende gerçekte ne kadar trityum bulunduğunu açıklığa kavuşturmak için aynı şekilde birkaç örnek daha hazırlandı ve analiz edildi.

Çalışmanın olağanüstü titizliği, elde edilen sonuçlar hakkında hiçbir şüpheye yer bırakmadı. Ancak bu çalışmanın tamamlanmasından bir yıl önce, Hamburg Üniversitesi Fiziko-Kimya Enstitüsü'nden F. Faltings ve aynı P. Harteck tarafından atmosferik hidrojende trityumun keşfedildiğini bildiren bir makale yayınlandı. Böylece Harteck, trityumun keşfine iki kez katıldı: ilki yapay ve 16 yıl sonra doğal.

Hava en zengin hidrojen kaynağı değildir; yalnızca %0,00005 (deniz seviyesinde) içerir. Bu nedenle, Alman fizikçilerin talebi üzerine Linde şirketi, sıvılaştırma ve düzeltme yoluyla hidrojenin ayrıldığı yüz bin metreküp havayı işledi ve bakır oksit üzerinde oksidasyonla 80 g su elde edildi. Elektroliz kullanılarak, bu su birkaç kez konsantre edildi, ardından kalsiyum karbür onunla "söndürüldü": CaC2 + 2H20® Ca(OH)2 + C2H2 ve asetilen, kalan hidrojenle etan halinde hidrojenlendi. : C2H2+2H2® C2H6. Başlangıçtaki trityumun tamamının geçtiği sonuçtaki etan, daha sonra radyoaktivite açısından analiz edildi. Hesaplamalar havada son derece az miktarda trityum bulunduğunu (NT molekülleri formunda) gösterdi: 20 metreküp. cm hava bir molekül trityum içerir, yani. tüm atmosferde sadece 1 mol veya 3 g olmalıdır. Ancak havada çok az hidrojen bulunduğunu hesaba katarsak, atmosferik moleküler hidrojenin, trityumdan 10.000 kat daha fazla zengin olduğu ortaya çıkar. yağmur suyundaki hidrojen. Bunu, atmosferdeki serbest ve bağlı hidrojenin farklı kökenlere sahip olduğu takip etti. Hesaplamalar ayrıca Dünya'daki tüm su kütlelerinin yalnızca 100 kg trityum içerdiğini gösterdi.

Sudaki trityum içeriği için Chicago'da elde edilen değer (H:T = 1:10 18) genel kabul görmüştür. Trityum atomlarının bu içeriği özel bir isim bile aldı - “trityum birimi” (TE). Ortalama olarak 1 litre su 3,2·10-10 g trityum içerir; 1 litre hava 1,6·10-14 g (10 mg/l mutlak nemde) içerir. Trityum oluşur üst katmanlar Dünya yüzeyinin 1 m2'si başına saniyede 1200 atom hızında kozmik radyasyonun katılımıyla atmosfer. Böylece binlerce yıl boyunca doğadaki trityum içeriği neredeyse sabitti; atmosferdeki sürekli oluşumu doğal çürümeyle telafi edildi. Ancak 1954'ten bu yana (termonükleer bomba testlerinin başlaması) durum çarpıcı biçimde değişti ve yağmur suyundaki trityum içeriği binlerce kez arttı. Ve bu şaşırtıcı değil: 1 megaton (Mt) kapasiteli bir hidrojen bombasının patlaması, 0,7 ila 2 kg trityumun salınmasına neden oluyor. Hava patlamalarının toplam gücü 1945-1962 içindi. 406 Mt ve kara - 104 Mt. Üstelik testler sonucunda biyosfere salınan toplam trityum miktarı yüzlerce kilogramı buldu! Yer testleri sona erdikten sonra trityum seviyeleri düşmeye başladı. Son yıllarda çevredeki teknojenik trityumun ana kaynağı haline geldi. nükleer enerji santralleri Her yıl onlarca kilogram trityum salan.

Modern radyokimyasal yöntemler, belirli bir kaynaktan alınan nispeten az miktardaki sudaki trityum içeriğini doğru bir şekilde belirlemeyi mümkün kılar. Bu ne için? 10 yılı aşkın bir kullanım ömrüne sahip olan radyoaktif trityumun pek çok değerli bilgi sağlayabileceği ortaya çıktı. W. Libby, radyokarbona benzeterek trityumu “radyohidrojen” olarak adlandırdı. Trityum çeşitli çalışmalar için mükemmel bir izleyici görevi görebilir doğal süreçler. Üzümler toprak sularından trityum emdiğinden ve hasattan sonra üzüm suyundaki trityum içeriği azalmaya başladığından, örneğin şaraplar (30 yıldan fazla değilse) gibi bitkisel ürünlerin yaşını belirlemek için kullanılabilir. bilinen bir oran. Libby'nin kendisi çok harcadı benzer analizler farklı bölgelerden şarap üreticileri tarafından kendisine sağlanan yüzlerce litre çeşitli şarapları işledi. Atmosferdeki trityumun analizi kozmik ışınlar hakkında değerli bilgiler sağlar. Tortul kayaçlardaki trityum da Dünya'daki hava ve nem hareketlerine işaret ediyor olabilir.

En zengin doğal kaynaklar trityum - yağmur ve kar, çünkü atmosferdeki kozmik ışınların etkisi altında oluşan trityumun neredeyse tamamı suya geçer. Yoğunluk kozmik radyasyon enlemlere göre değişir, bu nedenle örneğin Rusya'nın merkezindeki yağışlar tropik yağmurlardan birkaç kat daha fazla trityum taşır. Ve okyanusa düşen yağmurlarda çok az trityum bulunur, çünkü bunların kaynağı çoğunlukla aynı okyanus suyudur ve içinde çok az trityum bulunur. Grönland veya Antarktika'nın derin buzunun hiç trityum içermediği açıktır - orada çoktan tamamen parçalanmıştır. Atmosferdeki trityum oluşum oranını bilerek, nemin yüzeyden buharlaştığı andan yağmur veya kar şeklinde düşene kadar havada ne kadar süre kaldığını hesaplamak mümkündür. Örneğin okyanus üzerindeki havada bu sürenin ortalama 9 gün olduğu ortaya çıktı.

Doğal trityum rezervleri ihmal edilebilir düzeydedir. Bu nedenle çeşitli amaçlarla kullanılan trityumun tamamı, lityumun nötronlarla ışınlanmasıyla yapay olarak elde edilir. Sonuç olarak, önemli miktarlarda saf trityum elde etmek ve onun özelliklerini ve bileşiklerinin özelliklerini incelemek mümkün hale geldi. Dolayısıyla süper ağır su T 2 O'nun yoğunluğu 1,21459 g/cm3'tür. Sentezlenen trityum nispeten ucuzdur ve bilimsel araştırma ve endüstride uygulamaları vardır. Trityum parlak boyalar yaygın olarak kullanılır ve gösterge kadranlarına uygulanır. Radyasyon açısından bakıldığında, bu hafif bileşikler geleneksel radyum bileşiklerinden daha az tehlikelidir. Örneğin çinko sülfür içeren az miktarda trityum bileşikleri (1 g ışık bileşimi başına yaklaşık 0,03 mg), sürekli olarak yayar yeşil ışık. Bu tür kalıcı ışık bileşimleri göstergelerin, alet terazilerinin vb. imalatında kullanılır. Üretimlerinde her yıl yüzlerce gram trityum tüketilmektedir.

Trityum insan vücudunda da bulunmaktadır. Besinlerle, solunan havayla ve deri yoluyla (%12) girer. İlginç bir şekilde, gaz halindeki T 2, süper ağır su T 2 O'dan 500 kat daha az toksiktir. Bu, akciğerlere hava ile giren moleküler trityumun daha sonra hızla (yaklaşık 3 dakika içinde) vücuttan salınmasıyla açıklanır. su bileşimindeki trityum 10 gün boyunca içinde kalır ve bu süre zarfında kendisine önemli miktarda radyasyon aktarmayı başarır. Ortalama olarak insan vücudu 5.10-12 g trityum içerir ve bu da toplam yıllık radyasyon dozuna 0,13 mrem katkıda bulunur (bu, diğer radyasyon kaynaklarından gelen radyasyondan yüzlerce kat daha azdır). İlginçtir ki, ibreleri ve numaraları trityum fosforla kaplı saatler takan kişilerin vücutlarında ortalamanın 5 kat daha yüksek trityum seviyesi bulunur.

Trityum aynı zamanda termonükleer (hidrojen) bombaların patlayıcısının ana bileşenlerinden biridir ve aynı zamanda D + T> 4 He + n şemasına göre kontrollü bir termonükleer reaksiyonun gerçekleştirilmesi için de çok umut vericidir.

Ilya Leenson

Bugün emeklemeyi yeni öğrenen çocukların, ITER'in ilk lansmanlarından itibaren yayınları hayranlıkla izleyecek anlamlı bir yaşa ulaşacaklarını düşünüyorum. Bugün ise termonükleer reaktörler için gerekli olan yakıttan, Rusya'nın fütüristik geleceğinden ve ay programımızdan bahsedeceğiz.

Hangi bağlantı? Hadi çözelim.

Hatırlayalım

Termonükleer bir reaktörde bir füzyon reaksiyonu meydana gelir, yani. Hafif atom çekirdekleri ısınmanın bir sonucu olarak hızlanır ve daha ağır bir atom çekirdeği halinde birleşir. Bağlantı sırasında her şeyin başladığı bir enerji denizi açığa çıkar.

Termonükleer reaktör tasarlama görevinde pek çok zorluk vardır, ancak bunlar çözülmektedir. Fransa'da, Rusya da dahil olmak üzere birçok ülkenin ortak güçleri, söz konusu ITER'in inşasına çoktan başladı. Ama onun hakkında zaten yazdım.

Bir füzyon reaktörünün ticari olarak başlatılmasındaki zorluklardan biri yakıttır. Çeşitli seçeneklerin kullanılması planlanmaktadır.

Döteryum + trityum

Reaksiyonun ilerlemesini sağlamak açısından bu en kolay seçenektir. Döteryum ağır hidrojendir. Onu almak sorun değil. Yalnızca suda on milyarlarca ton var.Su alalım. Ondan ağır su ve ardından döteryum elde ediyoruz. Şu anda yeryüzündeki üretimi yılda onbinlerce tondur. Bunu yapabiliriz.

Trityum ile bu daha zordur. Trityum süper ağır hidrojendir. Kozmik radyasyon parçacıkları atom çekirdeğiyle çarpıştığında atmosferin yüksek katmanlarında oluşur. Anladığınız gibi orada çok fazla bir şey oluşmuyor ve onu yüksekte yakalamak mümkün değil.

Bu nedenle trityum yeryüzünde nükleer reaktörlerde üretilir. Bir düşünün, 1955'ten 1999'a kadar, örneğin ABD'de 225 kg elde edildi.

Reaktörlerimiz de bunu yapabilir. Bu sevincin bir kilogramı neredeyse 2 milyar rubleye mal oluyor.Büyük yatırım mı? Aslında durum böyle değildi.

Buradaki sorun trityumun yarı ömrünün -12 saniye olmasıdır. küçük yaşında. Bu da 12 yıl sonra 1 kg'dan düşülmesi anlamına geliyor. Geriye sadece yarım kilo trityum kalacak. Paranızı saklamanın en iyi yolu değil.Sadece bir ITER lansmanı 3 kg gerektirecektir. Yeni nesil termonükleer reaktör DEMO'yu başlatmak için - 4-10 kg. Ve şimdi dünyada sadece 18 kg var. bu iyilik.

Evet, sizi memnun etmek için acele ediyorum: Gigawatt'larca elektrik üreten bir enerji santraline sahip çalışan bir termonükleer reaktör, her gigawatt*yıl için 56 kg (!) trityum tüketecektir.

Bu kadar çok şeyi nereden alabilirim? Evet, termonükleer enerji ucuz bir çaba değil.

Zarif çözüm

Çoktan termonükleer kurulum DEMO kendi ihtiyaçları için, hatta daha fazlasını diğer reaktörler için trityum üretmek zorunda kalacak. Aslında DEMO'nun amaçlarından biri de bu; reaktörün kendisine trityum sağlayabildiğini ve fazlalık üretebildiğini kanıtlamak. Nasıl yani?

Termonükleer füzyon sırasında döteryum ve trityum, bir helyum çekirdeği ve yüksek enerjili bir nötron üretir. Aynı nötron acele ediyor rüzgardan daha hızlı, elektromanyetik odadan çıkmalı ve bir metre uzunluğundaki lityum kabuğa çarpmalıdır. Bir nötron lityum çekirdeğiyle çarpıştığında trityum ortaya çıkar.

Lityumla hiçbir sorunumuz olmadı. Nasıl çıkarıldığını merak eden herkes bir göz atabilir.

Peki ya olmazsa?

Ya istasyonun ihtiyaç duyduğu miktardan daha fazla miktarda trityum üretilemezse? Çıkış hacmi çok küçükse ne olur?Termonükleer istasyon değil sihirli değnek: yaptılar, işte bu kadar, enerji tüketimi sorunu çözüldü. Gezegenin her yerinde çok sayıda inşa edilmeleri gerekecek.

Ancak tek başına trityumla yetinmiyorsanız onun yerine helyum-3 kullanabilirsiniz.

Döteryum + helyum-3

Mümkün olanın sınırında son derece karmaşık bir reaksiyon. Ve bunların hepsi, ulaşılması gereken hayal edilemeyecek kadar yüksek plazma sıcaklıkları yüzünden. Ama bunun kolay olacağını kim söyledi?

Çıkışta döteryum ve Helyum 3, helyum 4 atomları birleştirildiğinde bir proton ve 18,4 MeV elde edilir.

Döteryum sorununu çözdük. Ancak Helyum ile ilgili 3 sorun var.Doğada mantoda bulunur; dünyanın yaratılışından beri oradadır. Volkanlar ve her türlü fay yoluyla atmosfere giriyor.Henüz mantodan nasıl bir şey çıkaracağımızı bilmiyoruz ve atmosferde o kadar az Helyum 3 var ki bu felaketle sonuçlanacak bir iş.Örneğin trityumun bozunmasından yapay olarak elde edilmesi gerekiyor.

Ve işte trityum?! Hayır, tek seçenek bu olsaydı Helyum 3'ün litresi 65 bin rubleye mal olmazdı.Diğer bir seçenek ise lityumu alfa parçacıklarıyla bombardıman etmektir.

Ancak her halükarda konu oldukça maliyetli ve karmaşık ve endüstriyel üretimin yanı sıra kilogramdan bahsediyoruz.

Helyum-3'ü nereden alabilirim?

Bizimki şu anda ay yüzeyinin haritasını çıkarmak için bir uydu fırlatıyor.

Dünya yörüngesine uçacak bir uzay gemisi inşa ediliyor. Biz de dahil olmak üzere birçok insan bunu yapıyor. Ancak mühendislerimiz, fırlatma testleri açısından geride olsalar da, gemiyi Dünya yörüngesinden daha da uzağa, Ay'a göndermeyi planlıyor! Ay üssü inşa etme planları var.Bu taş parçasından ne istiyoruz?

Önemli olan şu ki ay toprağı 10 milyon ton Helyum-3 - t biriktirildi ne kadar gerekli ve faydalı bir madde.

Aya meraktan mı uçtuğumuzu sandınız? Biz kibirli Amerikalılar değiliz. Ay'a uçuşla ilgili bir PR kampanyası başlattılar, biz de Helyum-3'ü endüstriyel ölçekte başlatacağız. Hatta bir planımız var.

Plan

2025 yılına kadar Dünya'nın uydusuna 4 gezegenlerarası istasyon göndereceğiz. Görevleri su buzuyla kutup regolitini keşfetmek ve Güney Kutbu bölgesinde bir üs için iyi bir yer aramak olacak.

30'lu yılların başına kadar Ay'a yüzeye inmeden insanlı seferler gönderiliyordu. 30-40'lı yıllarda Ay yüzeyine ilk inişler ve ilk ayakların döşenmesi gelecekteki altyapıüsler.

2050 yılına kadarolmak için temel!

Ve orada ay toprağında iz bırakan ilk otomatik makineleri göreceğiz. Robot buldozerler hammaddelerden yeni ay dağları oluşturacak ve zenginleştirme tesisi Helyum-3 üreterek gece gündüz çalışacak. Ve yalnızca gezegenlerarasılığın başlangıcı kargo gemileri bu çalışmaların sessiz rutinini bozacak.

Ve elektriğin termonükleer reaktörden cihazımıza kadar izlediği yolu hiç düşünmeden, yeryüzünde hala yorumlarda hükümeti azarlayacağız.

Genellikle şu veya bu unsurun önemini vurgulamak için şöyle derler: Eğer orada olmasaydı, o zaman şöyle olurdu. Ancak kural olarak bu retorik bir araçtan başka bir şey değildir. Ancak hidrojen bir gün gerçekten yok olabilir, çünkü yıldızların derinliklerinde sürekli yanarak atıl helyuma dönüşüyor. Ve hidrojen rezervleri tükendiğinde, Evren'de yaşam imkansız hale gelecektir; hem güneşler söneceğinden, hem de su olmayacağından...

Hidrojen ve Evren

Bir zamanlar insanlar Güneş'i tanrılaştırdılar. Ancak artık hassas bir araştırmanın konusu haline geldi ve varlığımızın tamamen onun üzerinde meydana gelen süreçlere bağlı olduğu gerçeğini nadiren düşünüyoruz.

Güneş her saniye uzaya yaklaşık 4 milyon ton kütleye eşdeğer enerji yayar. Bu enerji, dört hidrojen çekirdeğinin, protonların, bir helyum çekirdeğine füzyonu ile yaratılır; tepki sürüyor birkaç aşamadan oluşur ve toplam sonucu aşağıdaki denklemle yazılır:

4 1 1 H + → 4 2 He 2+ + 2е + + 26,7 MeV.

Temel olay başına -26,7 MeV çok mu yoksa az mı? Çok: 1 g protonun "yanması", 1 g kömürün yanmasından 20 milyon kat daha fazla enerji açığa çıkarır. Dünya'da hiç kimse böyle bir reaksiyon gözlemlemedi: Bu reaksiyon, yalnızca yıldızların derinliklerinde var olan ve henüz insanlar tarafından yönetilmeyen bir sıcaklık ve basınçta meydana geliyor.

Saniyede 4 milyon tonluk kütle kaybına eşdeğer bir gücü hayal etmek imkansızdır: En güçlü termonükleer patlamada bile yalnızca yaklaşık 1 kg madde enerjiye dönüştürülür. Ancak Güneş'in yaydığı tüm enerjiyi toplam kütlesiyle ilişkilendirirsek, o zaman inanılmaz bir şey ortaya çıkacaktır: Güneş'in özgül gücü ihmal edilebilir olacaktır - bir insan gibi "ısı üreten bir cihazın" gücünden çok daha az. kendisi. Ve hesaplamalar Güneş'in en az 30 milyar yıl daha hiç azalmadan parlamaya devam edeceğini gösteriyor.

Söylemeye gerek yok, ömrümüz boyunca yeterli olacak.

Güneşimiz en azından yarı hidrojenden oluşuyor. Güneş'te toplam 69 kimyasal element keşfedildi, ancak hidrojen çoğunlukta. Helyumdan 5,1 kat daha fazladır ve tüm metallerin toplamından 10 bin kat daha fazladır (ağırlıkça değil, atom sayısına göre). Bu hidrojen yalnızca enerji üretimi için harcanmaz. Termonükleer süreçler sırasında ondan yeni kimyasal elementler oluşur ve hızlandırılmış protonlar güneş çevresindeki boşluğa fırlatılır.

"Güneş rüzgarı" adı verilen ikinci olgu, uzayın uzay araştırmaları sırasında nispeten yakın zamanda keşfedildi. yapay uydular. Kromosferik alevlenmeler sırasında bu "rüzgarın" özellikle güçlü rüzgarlarının meydana geldiği ortaya çıktı. Dünya'ya ulaşan manyetik alan tarafından yakalanan protonların akışı, auroralar radyo iletişimini bozuyor ve astronotlar için “güneş rüzgarı” ciddi bir tehlike oluşturuyor.

Peki güneş hidrojen çekirdeği akışının Dünya üzerindeki etkisinin tek sınırı bu mu? Görünüşe göre öyle değil. İlk olarak, protonların akışı ikincil bir olaya yol açar kozmik radyasyon Dünya yüzeyine ulaşmak; ikincisi, manyetik fırtınalar yaşam süreçlerini etkileyebilir; üçüncüsü, Dünya'nın manyetik alanı tarafından yakalanan hidrojen çekirdekleri, onun uzayla kütle aktarımını etkilemekten başka bir şey yapamaz.

Kendiniz karar verin: şimdi yer kabuğunda her 100 atomdan 17'si hidrojen atomudur. Ancak Dünya'da pratik olarak serbest hidrojen yoktur: suyun, minerallerin, kömürün, yağın, canlıların bir parçasıdır. Yalnızca volkanik gazlar bazen difüzyon sonucu atmosferde dağılan az miktarda hidrojen içerir. Ve hidrojen moleküllerinin küçük kütleleri nedeniyle ortalama termal hareket hızı çok yüksek olduğundan - ikinci kozmik hıza yakındır - bu moleküller atmosferin katmanlarından dış uzaya uçarlar.

Peki eğer Dünya hidrojeni kaybediyorsa neden onu aynı Güneş'ten alamıyor? “Güneş rüzgarı” Dünyanın manyetik alanı tarafından yakalanan hidrojen çekirdekleri olduğuna göre neden üzerinde kalmıyorlar?

Sonuçta Dünya'nın atmosferinde oksijen var; Gelen hidrojen çekirdekleriyle reaksiyona girerek onları bağlayacak ve kozmik hidrojen er ya da geç sıradan yağmur şeklinde gezegenin yüzeyine düşecek. Üstelik hesaplama, Dünya'nın tüm okyanuslarının, denizlerinin, göllerinin ve nehirlerinin sularında bulunan hidrojen kütlesinin, Dünya tarihi boyunca "güneş rüzgarı" tarafından taşınan protonların kütlesine tam olarak eşit olduğunu gösteriyor. bu sadece bir tesadüf mü?

Güneşimizin, hidrojen Güneşimizin Evrendeki sıradan bir yıldız olduğunu, Dünya'dan yüzlerce, binlerce ve milyonlarca ışıkyılı uzaklıkta sayısız benzer yıldızın bulunduğunu anlamalıyız. Ve kim bilir - belki de insanlık ilk kez yıldızlararası hidrojenin radyo emisyon aralığında (unutmayın - 21 santimetre!)

Hidrojen ve yaşam

Bir kez daha "Doğada falan olmasaydı şu da olmazdı" demek saçmadır. Gerçek şu ki, şu anda gözlemleme fırsatına sahip olduğumuz dünya resmi, tam da gerçekte var olanın bir sonucu olarak gelişmiştir...

Diyelim ki yazarlar, su yerine hidrojen florür veya amonyak bulunan ve yaşamın temelinin karbon değil silikon olduğu gezegenlerde yaşamayı seviyorlar. Peki, yeterli miktarda silikonun bulunduğu gezegenimizde neden "silikon" yaşamı yok? Bunun nedeni silikonun yaşam için uygun olmayan bir temel olması mı?

Bununla birlikte, gelişmiş insan hayal gücü bazen hem karbonun hem de oksijenin yerini alacak bir şey bulursa, o zaman hiçbir şey hidrojenin yerini alamaz. Gerçek şu ki, tüm elementlerin analogları vardır, ancak hidrojenin yoktur. Bu atomun çekirdeği temel bir parçacıktır ve bu, atomun özelliklerini etkilemekten başka bir şey yapamaz.

Normal koşullar altında hidrojen atomu dışındaki herhangi bir atom tüm elektronlarını kaybedemez: en az bir elektron kabuğu daha kalır ve negatif yükler taşıyan bu kabuk çekirdeği perdeler. Ancak hidrojen iyonu "çıplak", pozitif yüklü bir protondur ve çekirdekten özellikle güçlü bir itme yaşamadan diğer atomların elektron kabuklarına çekilebilir.

Ve olan da budur. Diyelim ki, bir su molekülünde oksijen atomunun her iki değeri de doymuştur ve öyle görünüyor ki, ek iletişim ortaya çıkamaz. Ancak bir su molekülünün hidrojen atomu başka bir molekülün oksijen atomuna yaklaştığında, proton ile oksijenin elektron kabuğu arasında ek bir çekim kuvveti çalışmaya başlar ve özel, sözde hidrojen bağı oluşur:

Bu tür bağlantılar normalden yirmi kat daha zayıf, ancak rolleri hala çok büyük. Örneğin aynı suyu ele alalım: çoğu inanılmaz özellikler alışılmadık şekilde geliştirilen hidrojen bağları tarafından kesin olarak belirlenir. En azından, periyodik tablodaki oksijenin komşuları olan nitrojen ve flor veya analogları olan kükürt ve selenyum ile hidrojen bileşiklerinin sabitlerine dayanarak erime noktasını tahmin etmeye çalışın.

Amonyak -77,7°C'de, hidrojen florür ise -92,3°C'de erir; bu nedenle suyun yaklaşık -85°C'lik bir ara erime noktasına sahip olduğu görülmektedir. Hidrojen selenit -64°C'de, hidrojen sülfit -82,9°C'de erir; bu nedenle, daha düşük moleküler ağırlığa sahip benzer bir türev olan suyun erime noktasının daha da düşük olması gerekir... Ama hayır, gerçek erime noktasının teorik olarak tahmin edilenden neredeyse yüz derece daha yüksek olduğu ortaya çıkıyor ve bunun nedeni zayıf ancak çok sayıda moleküller arası hidrojen bağıdır; elektron kabuğunun spesifik yapısı nedeniyle Oksijen, nitrojen, flor, kükürt veya selenyumdan çok daha büyük ölçüde oluşturma kapasitesine sahiptir.

Hidrojen bağları yaşamın en incelikli olgularının temelini oluşturur. Örneğin enzimler, reaksiyonlarını hızlandırdıkları maddeleri bu bağlar sayesinde özel olarak tanıyabilirler. Gerçek şu ki, her bir enzimin protein zinciri, C = O ve N – H atom grupları arasındaki çok sayıda molekül içi hidrojen bağıyla sabitlenen, kesin olarak tanımlanmış bir uzaysal konfigürasyona sahiptir. Buna karşılık, maddenin molekülü, oluşturabilen gruplara sahiptir. Hidrojen, enzim molekülünün belirli bir kısmıyla (aktif merkez adı verilen) bağlanır. Sonuç olarak, bu maddedeki molekül içi bağlar zayıflar ve enzim, kelimenin tam anlamıyla molekülü "ısırır".

Ancak bu, zayıf hidrojen bağlarının yaşam süreçlerindeki rolünü sınırlamaz. Bu bağlantılar sayesinde DNA molekülünün tam olarak kopyalanması gerçekleşir, tüm genetik bilgiler nesilden nesile aktarılır; hidrojen bağları birçok ilacın etkisinin özgüllüğünü belirler; hem tat alma duyusundan hem de kaslarımızın kasılma yeteneğinden sorumludurlar... Kısacası, canlı doğada hidrojen atomunun yeri gerçekten doldurulamaz.

Hidrojen ve bilim

en çok XVIII'in sonu Ve XIX'in başı V. kimya kuruluş dönemine girmiştir niceliksel modeller: 1803 yılında John Dalton çoklu oranlar yasasını formüle etti (maddeler birbirleriyle, kimyasal eşdeğerlerinin katları olan ağırlık oranlarında reaksiyona girer). Aynı zamanda kimya bilimi tarihinde elementlerin bağıl atom ağırlıklarına ilişkin ilk tabloyu derledi. Bu tabloda hidrojen ilk sırada yer alırken, diğer elementlerin atom ağırlıkları tam sayılara yakın sayılarla ifade edildi.

Hidrojenin en başından beri işgal ettiği özel konum, bilim adamlarının dikkatini çekmeyi başaramadı ve 1811'de kimyagerler, antik Yunan filozoflarının hidrojen hakkındaki fikrini geliştiren William Prout'un hipotezine aşina oldular. dünyanın birliği ve tüm elementlerin çok hafif bir element olan hidrojenden oluştuğunu öne sürdü. Prout'a, atom ağırlıklarını iyileştirme sürecinde olan Jens Jakob Berzelius itiraz etti: Deneylerinden, elementlerin atom ağırlıklarının, hidrojenin atom ağırlığına göre tamsayı oranlarında olmadığı ortaya çıktı. Prout'un destekçileri "Fakat" diye itiraz ettiler, "atom ağırlıkları henüz yeterince kesin olarak belirlenmedi" ve örnek olarak 1840'ta karbonun atom ağırlığını 11,26'dan düzelten Jean Stas'ın deneylerine atıfta bulundular (bu değer belirlendi) Berzelius tarafından) 12, 0'a.

Ancak yine de Prout'un çekici hipotezinin bir süreliğine terk edilmesi gerekti: Çok geçmeden aynı Stas, dikkatli ve sorgulanamaz bir araştırmayla, örneğin klorun atom ağırlığının 35,45 olduğunu tespit etti; hiçbir şekilde hidrojenin atom ağırlığının katı olan bir sayı ile ifade edilemez...

Ancak 1869'da Dmitry Ivanovich Mendeleev, elementlerin en temel özellikleri olan atom ağırlıklarına dayanarak periyodik element sınıflandırmasını oluşturdu. Ve doğal olarak elementler sisteminde hidrojen ilk sırada yer aldı.

Periyodik yasanın keşfiyle birlikte, kimyasal elementlerin yapımı bazı kurallara tabi olan tek bir seri oluşturduğu ortaya çıktı. iç desenler. Ve bu, Prout'un hipotezini - biraz değiştirilmiş bir biçimde de olsa - yeniden hayata geçirmekten başka bir şey yapamadı: 1888'de William Crookes, hidrojen dahil tüm elementlerin, protil adını verdiği bazı birincil maddelerin sıkıştırılmasıyla oluştuğunu öne sürdü. Ve Crookes, protilin görünüşe göre çok küçük bir atom ağırlığına sahip olduğu sonucuna vardığından, kesirli atom ağırlıklarının ortaya çıkışı anlaşılabilir.

Mendeleev bu hipoteze itiraz etti: “...bireyselleştirilmiş bir şey verirseniz, olasılığı anlamak kolaylaşacaktır. görünür çeşitlilik. Aksi halde nasıl çok şey verilebilir?” Yani, periyodik tablonun yaratıcısına göre, tek bir parçacık türü, bu kadar farklı özelliklere sahip bir elementler sistemi oluşturmaya temel teşkil edemez.

Ama ilginç olan şu. Mendeleev'in kendisi de şu soruyla son derece ilgileniyordu: Periyodik tablo neden hidrojenle başlamalı? Atom ağırlığı birden az olan elementlerin varlığını engelleyen nedir? Ve 1905'te Mendeleev böyle bir unsur olarak... "dünya eteri" adını verdi. Üstelik onu helyumun üzerindeki sıfır grubuna yerleştiriyor ve atom ağırlığını hesaplıyor - 0,000001! Atıl gaz Mendeleev'e göre bu kadar küçük bir atom ağırlığına sahip her şey nüfuz edici olmalı ve elastik titreşimleri ışık olayını açıklayabilir...

Ne yazık ki, büyük bilim adamının bu öngörüsü gerçekleşmeye mahkum değildi. Ancak Mendeleev elementlerin aynı parçacıklardan oluşmadığı konusunda haklıydı: Artık onların protonlardan, nötronlardan ve elektronlardan oluştuğunu biliyoruz.

Ama kusura bakmayın, diye bağırıyorsunuz çünkü proton, hidrojen atomunun çekirdeğidir. Yani Prout haklı mıydı?

Evet, gerçekten de kendi açısından haklıydı. Ama tabiri caizse erkenden haklıydı. Çünkü o zamanlar ne tam anlamıyla doğrulanabiliyor ne de tam anlamıyla yalanlanabiliyordu...

Ancak hidrojenin kendisi bilimsel düşüncenin gelişim tarihinde önemli bir rol oynamıştır. 1913'te Niels Bohr, aşağıdaki temellere dayanan ünlü varsayımlarını formüle etti: Kuantum mekaniği atomun yapısının özellikleri ve periyodiklik yasasının iç özü. Ve Bohr'un teorisi, buna dayanarak hesaplanan hidrojen spektrumunun gözlemlenenle tamamen örtüşmesi nedeniyle tanındı.

Ancak 150 yılı aşkın bir süre önce ifade edilen fikrin hikayesi henüz bitmedi. Günümüz biliminin karşı karşıya olduğu en şaşırtıcı görevlerden biri, sözde özelliklerin bir modelini bulmaktır. temel parçacıklar, bunlardan artık düzinelerce var. Bilim adamları bunları bir tür periyodik sistemde birleştirmeye çalışıyorlar, ancak bu, evrende hala tüm temel parçacıkların (atomlar, moleküller, sen ve ben) inşa edildiği bazı "evrenin tuğlalarının" bulunduğunu göstermiyor mu? son?

Fizikçiler bu tür parçacıkların var olduğunu öne sürdüler ve hatta onlara kuark adını verdiler. Tek sorun şu ki, dünyada hiç kimse bu tür parçacıkların bir efsane değil, gerçek olduğunu henüz kanıtlayamadı...

Ama Prout'u ve onun hipotezinin kaderini hatırlayalım. Her şeyin inşa edildiği parçacıklar fikri, iki bin beş yüz yıl önceki kadar çekici olmaya devam ediyor. Ve kuarkların modern bilim adamlarının onlar hakkında düşündüğü gibi olmadığı ortaya çıksa bile, önemli olan dünyanın birliği fikrinin yaşaması ve gelişmesidir. Ve mantıksal sonucunu alacağı zaman da gelecek.

Hidrojen ve pratik

Hemen rezervasyon yaptıralım: Saf fikirlerin alanı olan “bilim”den farklı olarak, hizmet eden her şeye “uygulama” diyeceğiz. pratik aktiviteler insan – deneysel bir bilim adamının faaliyeti olsa bile.

Kimyager, her şeyden önce hidrojeni ideal bir indirgeyici maddenin özelliklerine sahip bir madde olarak ele alır.

Peki hidrojeni nereden alacağız? Elbette en kolay yol balondur. Kırmızı "Hidrojen" yazılı yeşil bir silindirden ve "sol" dişli bir valfe sahip (yanıcı gaz!). Ama elinizde bir silindir yoksa?

Hidrojen, metallerin asitlerle reaksiyona sokulmasıyla üretilebilir:

Zn + H2S04 → ZnS04 + H2.

Ancak bu hidrojen tamamen saf olamaz çünkü mükemmel derecede saf bir metal ve asit gereklidir. Lavoisier, mangalda ısıtılan bir silahın namlusundan su buharını geçirerek saf hidrojen elde etti:

4H 2 Ö + 3Fe → Fe 3 Ö 4 + 4H 2.

Ancak bu yöntem pek uygun değildir, ancak modern bir laboratuvarda demir talaşlarıyla doldurulmuş ve elektrikli bir fırında ısıtılan bir kuvars tüple idare edebilirsiniz.

Elektroliz! Elektrik iletkenliğini arttırmak için biraz sülfürik asit ilave edilen damıtılmış su, doğru akımı geçerken ayrışır:

2H 2 Ö → 2H 2 + Ö 2.

Neredeyse mükemmel saflıkta hidrojen hizmetinizdedir; yalnızca onu en küçük su damlacıklarından arındırmanız yeterlidir. (Endüstride metal ekipmanların çökmemesi için suya asit değil alkali eklenir).

Şimdi bu hidrojeni, içinde paladyum klorürün asılı olduğu sudan yavaşça geçireceğiz. İndirgeme neredeyse anında başlayacak ve çökelti siyaha dönecek - paladyum siyahı elde edeceksiniz:

PdCl2 + H2 → Pd + 2HCl.

Paladyum siyahı, çeşitli organik bileşiklerin hidrojenasyonu için mükemmel bir katalizördür. Ve burada bir katalizöre ihtiyaç var çünkü moleküler hidrojen çok inerttir: normal koşullar altında oksijenle bile alışılmadık derecede yavaş reaksiyona girer. Sonuçta, önce bir hidrojen molekülünün atomlara ayrışması gerekir ve bunun için her bir hidrojen molü için 104 kcal harcanması gerekir (yani sadece 2 g!). Ancak katalizörün yüzeyinde bu işlem çok daha az enerjiyle gerçekleşir, hidrojen keskin bir şekilde etkinleştirilir.

Belki de modern kimya teknolojisinde katalizörlerin rolü hakkında fazla konuşmaya gerek yok: süreçlerin büyük çoğunluğu onların varlığında gerçekleştirilir. Ve bunların arasında en önemlisi, hidrojen ve atmosferik nitrojenden amonyak sentezidir:

3H2 + N2 → 2NH3.

Bu durumda hidrojen, dönüşüm reaksiyonu adı verilen reaksiyon kullanılarak su ve metandan üretilir:

CH4 + 2H20 → 4H2 + C02.

veya doğal hidrokarbonları hidrojenasyonun ters reaksiyonuyla bölerek:

CH3 – CH3 – CH2 = CH2 + H2.

Azotlu gübre üretiminde sentetik amonyak vazgeçilmezdir. Ancak hidrojene yalnızca amonyak üretmek için ihtiyaç duyulmuyor. Sıvı bitkisel yağların hayvansal yağ yerine katı ikamelere dönüştürülmesi, düşük kaliteli katı kömürlerin sıvı yakıta dönüştürülmesi ve diğer birçok işlem, elementel hidrojenin katılımıyla gerçekleşir. Hidrojenin insanlar, bitkiler ve makineler için besin olduğu ortaya çıktı...

Ama hadi laboratuvara dönelim. Burada hidrojen yalnızca saf haliyle değil, aynı zamanda metallerle bileşikleri formunda da kullanılır - örneğin lityum alüminyum hidrit LiAlH4, sodyum bor hidrit NaBH4. Bu bileşikler, organik maddelerdeki belirli atom gruplarını kolayca ve spesifik olarak geri yükler:

Hidrojen izotopları - döteryum (2 H veya D) ve trityum (3 H veya T) - kimyasal ve biyokimyasal süreçlerin ince mekanizmalarını incelemeyi mümkün kılar. Bu izotoplar "etiket" olarak kullanılır çünkü döteryum ve trityum atomları olağan hafif izotop olan protium'un tüm kimyasal özelliklerini korur ve organik bileşiklerde onun yerini alabilir. Ancak döteryum kütlesiyle protiumdan ve radyoaktivitesi ile trityumdan ayırt edilebilir. Bu, etiketli molekülün her bir parçasının kaderinin izlenmesini mümkün kılar.

Hidrojen ve gelecek

“Döteryum” ve “trityum” kelimeleri, günümüzde reaksiyon sırasında ortaya çıkan en güçlü enerji kaynağının insanın elinin altında olduğunu hatırlatır:

2 1 N + 3 1 N → 4 2 O + 1 0 N+ 17,6 MeV.

Bu reaksiyon 10 milyon derecede başlar ve bir patlama sırasında saniyenin çok küçük kesirlerinde meydana gelir. termonükleer bomba ve Dünya ölçeklerinde devasa miktarda enerji açığa çıkar.

Hidrojen bombaları bazen Güneş'e benzetilir. Ancak Güneş'te yavaş ve kararlı termonükleer süreçlerin gerçekleştiğini daha önce görmüştük. Güneş bize hayat veriyor ama hidrojen bombası ölüm vaat ediyor...

Ancak bir gün, değerin ölçüsünün altın değil enerji olacağı bir zaman gelecek ve bu sefer çok da uzakta değil. Ve sonra hidrojen izotopları insanlığı yaklaşmakta olan enerji kıtlığından kurtaracak: Kontrollü termonükleer süreçlerde, her litre doğal su, şu anda 300 litre benzinin sağladığıyla aynı miktarda enerji sağlayacak. Ve insanlık, bir zamanlar insanların birbirlerini hayat veren ısı ve ışık kaynağıyla tehdit ettikleri bir dönemi şaşkınlıkla hatırlayacaktır...

Protyum, döteryum, trityum...

Hidrojen dışındaki tüm elementlerin izotoplarının fiziksel ve kimyasal özellikleri pratikte aynıdır: Sonuçta, çekirdeği birkaç proton ve nötrondan oluşan atomlar için, bir nötronun daha az mı yoksa bir daha fazla nötron mu olduğu o kadar önemli değildir. Ancak hidrojen atomunun çekirdeği tek bir protondur ve ona bir nötron eklenirse çekirdeğin kütlesi neredeyse iki katına çıkar, iki nötron varsa üç katına çıkar. Bu nedenle hafif hidrojen (protyum) eksi 252,6°C'de kaynar ve izotoplarının kaynama noktası bu değerden 3,2° (döteryum) ve 4,5° (trityum) farklılık gösterir. İzotoplar için bu çok büyük bir farktır!

Şaşırtıcı izotoplar doğada eşit olmayan bir şekilde dağılmıştır: yaklaşık 7000 atom için bir döteryum atomu ve bir milyar milyar protium atomu için bir beta radyoaktif trityum atomu vardır. Hidrojenin son derece kararsız bir başka izotopu olan 4H, yapay olarak elde edildi.

Hassasiyet önce gelir

Hafif hidrojen izotopunun bağıl kütlesi olağanüstü bir doğrulukla belirlendi: 1,007276470 (12 C karbon izotopunun kütlesini 12,0000000'e eşit alırsak). Örneğin ekvatorun uzunluğu bu kadar hassas ölçülseydi hata 4 cm'yi aşmazdı!

Peki neden bu kadar hassaslığa ihtiyaç var? Sonuçta, her yeni figür deneycilerin giderek daha fazla çabasını gerektiriyor... İşin sırrı basitçe ortaya çıkıyor: protium çekirdekleri, protonlar, birçok nükleer reaksiyonda yer alıyor. Ve eğer reaksiyona giren çekirdeklerin kütleleri ve reaksiyon ürünlerinin kütleleri biliniyorsa, o zaman formülü kullanarak e = mc 2, enerji etkisi hesaplanabilir. Ve nükleer reaksiyonların enerji etkilerine bile kütlede çok küçük bir değişiklik eşlik ettiğinden, bu kütlelerin mümkün olduğu kadar doğru bir şekilde ölçülmesi gerekmektedir.

Birinci mi yedinci mi?

Hidrojen periyodik tabloda hangi yeri işgal etmelidir? Çok saçma bir soru gibi görünebilir: elbette ilki! Evet ama onu hangi gruba koymalıyım? Uzun bir süre hidrojen, tüm tek değerlikli metaller gibi bir değerlik elektronuna sahip olduğundan lityumun üzerinde yer aldı. (Bu arada, hidrojenin bir gaz için termal iletkenliği alışılmadık derecede yüksektir - hidrojen molekülleri diğer gazların moleküllerinden çok daha hızlı hareket eder ve bu nedenle ısıyı daha yoğun bir şekilde aktarır.)

Modern element tablosunda hidrojen yerleştirilmiştir. VII grubu, florin üzerinde. Gerçek şu ki, periyodiklik yasasının mantığı, ilk üç periyodun benzer elemanlarının çekirdeklerinin yükünün sekiz birim farklı olmasını gerektirir; bu nedenle hidrojen (seri numarası 1), lityumun bir analoğu (seri numarası 3) olarak değil, florin bir analoğu (seri numarası 9) olarak düşünülmelidir. Yine de buradaki analojinin tam olmadığını unutmamalıyız: Hidrojen, tıpkı flor gibi, metallerle (hidritler) bileşikler oluşturabilme yeteneğine sahip olmasına rağmen, hidrojen iyonu bir protondur, çıplak bir temel parçacıktır ve diğer iyonlarla karşılaştırılamaz. hiç de.

Alkali mi asit mi?

Çözeltilerdeki hidrojen iyonunu veya protonu uzaklaştıran maddelere asit, bu iyonu ekleyen maddelere ise alkaliler denir. Proton konsantrasyonu ortamın reaksiyonunu karakterize eder: 1 litre nötr sulu çözelti ve 1 litre saf su, 10-7 gram hidrojen iyonu içerir; Proton konsantrasyonu daha yüksekse ortam asidik hale gelir, daha düşükse alkali hale gelir. (Bu konsantrasyonun ters işaretle alınan logaritması “hidrojen indeksi” veya pH'dır.)

Ancak şunu da unutmamak gerekir ki serbest protonlar sulu çözeltilerde öyle değildir ve olamaz: Hidrojen atomunun çekirdeği o kadar küçüktür ki suyun elektron kabuğuna gömülmüş gibi görünür ve özel bir bileşik - oksonyum iyonu oluşturur:

H + + H 2 O → H 3 O + .

Ancak buradaki durum tam tersidir; asitten bir proton ayrıldığı için oluşan oksonyum iyonu değildir, bir oksonyum iyonu oluştuğu için asit ayrışır. Bu nedenle, ayrışma şeması, diyelim ki, hidrojen klorür, şu şekilde yazılmalıdır:

HСl + H 2 O → H 3 O + + Сl – .

Bu, suyun içinde hidrojen klorür çözündüğünde alkali gibi davrandığı (bir proton eklediği) anlamına gelir; örneğin amonyak içinde çözülürse, su asit görevi görür:

NH3 + H2O → NH4++ + OH – .

Kısacası dünyadaki her şey görecelidir...

Tıkanma Mucizeleri

Bu deneyimi hayal edin. Su elektrolizi için bir cihazda katot bir plaka şeklinde yapılır. Akımı açıyorsun ve... plaka kendiliğinden bükülmeye başlıyor! Bu numaranın sırrı plağın paladyumdan yapılmış olması ve bir tarafının vernikle kaplanmış olmasıdır. Elektroliz sırasında plakanın verniksiz tarafında hidrojen açığa çıkar ve metalin içinde hemen çözünür; ve paladyumun hacmi arttığından plakayı büken bir kuvvet ortaya çıkar.

Ama durun, diyorsunuz ki, gazlar metallerde çözünür mü? Genel olarak bakıldığında tıkanıklık adı verilen bu olgu şaşırtıcı değildir. Başka bir şey şaşırtıcı: Bir hacim paladyumda 850 hacme kadar hidrojen çözülür! Bu, bir hacim suda çözünebilen amonyak miktarından biraz daha azdır - ve hangi gaz suda daha iyi çözünür! Hidrojen suda çok zayıf bir şekilde çözünür - su hacmi başına yaklaşık 0,02 hacim.

Statu nascendi'de

Hidrojen saf oksijen içinde yandığında sıcaklık 2800°C'ye ulaşır; böyle bir alev kuvarsı ve metallerin çoğunu kolaylıkla eritir. Ancak hidrojeni bir kaynak olarak değil, enerji taşıyıcısı ve yoğunlaştırıcısı olarak kullanırsanız, hidrojenin yardımıyla daha da yüksek sıcaklıklara ulaşabilirsiniz.

İşte nasıl yapıldığı. Bir hidrojen akımı voltaik ark alevinden geçirilir. Yüksek sıcaklığın etkisi altında molekülleri parçalanır, atomlara ayrışır ve büyük miktarda enerji emer. Ortaya çıkan atomik hidrojen anında moleküller halinde birleşmez: Sonuçta atomların önce depolanan enerjiden vazgeçmesi gerekir. Ve eğer bir atomik hidrojen jeti katı bir yüzeye yönlendirilirse, o zaman atomlar moleküller halinde birleştirilir: ayrışma enerjisi açığa çıkar ve yüzey sıcaklığı 3500...4000°C'ye yükselir. Böyle bir atomik hidrojen meşalesinin yardımıyla en dayanıklı metaller bile işlenebilir.

Atomik hidrojen yalnızca ark alevinde üretilmez: asitlerin metallerle reaksiyonu sırasında bile oluşur. Serbest bırakıldığı anda (Latince - in statu nascendi), hidrojenin aktivitesi arttı ve kimyagerler onu organik maddeleri geri kazanmak için kullanıyor.

Toplamda kaç hidrojen var?

Zaten dört tür hidrojenden - izotoplarından - bahsetmiştik. Ve yine de, yalnızca bu elementin atomlarından değil, aynı zamanda moleküllerinden de bahsedersek, doğada çok daha farklı "hidrojenler" vardır. Gerçek şu ki, normal koşullar altında, moleküler hidrojen, yönelimleri farklı olan orto ve buhar hidrojeni olarak adlandırılan iki olağandışı izomerin bir karışımıdır. manyetik anlar kendilerini oluşturan atomların çekirdekleri. Ortohidrojen için bu momentler aynı yönelime sahipken hidrojen buharı için zıt yönelime sahiptir; Orto- ve paraizomerler ayrıca fiziksel özellikleri bakımından da farklılık gösterir. Ve hem döteryum hem de trityum benzer izomerlere sahip olduğundan ve HD, NT ve DT molekülleri var olabileceğinden ve bunların her biri görünüşe göre orto ve para izomerler formunda da mevcut olabileceğinden, bu, on iki çeşit moleküler molekülün olduğu anlamına gelir. hidrojen.

Ama hepsi bu değil. Çok uzun zaman önce, bilim adamları bir antiproton ve bir pozitrondan oluşan bir atom olan antihidrojeni elde etmeyi başardılar ve bundan sonra yüksek enerjili hızlandırıcılarda antidöteryum ve antitrityum çekirdekleri elde edildi. Ayrıca bir protonun veya elektronun bir veya başka bir mezonla değiştirildiği mezoatomlar da vardır. Ayrıca hidrojenin kendine özgü izotopları olarak da düşünülebilirler...

İlk metalik hidrojen

Hidrojen, bildiğimiz gibi, bugün en az üç umutla ilişkilendirilmektedir: termonükleer enerji için, neredeyse hiç kayıp olmadan enerji transferi için (sıvı helyum değil, sıvı hidrojen sıcaklığındaki süper iletken cihazlarda) ve - çevreye zararsız bir yakıt olarak. Çevre . Ve tüm bu umutlar öncelikle metalik hidrojenle ilişkilidir, yani. yüksek elektrik iletkenliğine ve bir metalin diğer özelliklerine sahip bir katı olan hidrojen. Kompakt metalik hidrojen en uygun hidrojen yakıtı olmalıdır. Ek olarak, süper iletken olarak kalırken metalik hidrojenin normal sıcaklıklarda var olabileceğine dair teorik önermeler vardır.

Sıradan katı hidrojeni statik veya dinamik yüklere maruz bırakarak metalik hidrojeni farklı şekillerde elde etmeye çalıştılar (ve denemeye devam ediyorlar). Bu önemli ve önemli çözümün olası başarısının ilk raporu karmaşık sorunŞubat 1975'te SSCB Bilimler Akademisi Yüksek Basınç Fiziği Enstitüsü'nden (Akademisyen L.F. Vereshchagin liderliğindeki) bir grup bilim adamı tarafından yayınlandı. 4,2°K'ye soğutulmuş elmas örsler üzerine ince bir hidrojen tabakasının biriktirilmesi ve bunun çok yüksek basınca maruz bırakılmasıyla olağandışı bir olay gözlemlendi. Hidrojenin elektriksel direnci milyonlarca kez azaldı ve metalik bir duruma geçti. Bu, yaklaşık 3 milyon atm'lik statik basınç altında gerçekleşti. Basınç azalmaya başladığında, basınçta yaklaşık üç kat azalmayla (1 milyon atm.), hidrojenin metalik durumdan normal dielektrik duruma ters geçişi meydana geldi. Ancak araştırmacılar bu gerçeği, normal basınçta metalik hidrojenin varlığının imkansızlığı anlamına gelen ölümcül bir başarısızlık olarak algılamadılar. Metalik hidrojenin bir şekilde "sertleştirilebileceğini" ve zamanla çeşitli uzmanlık alanlarındaki bilim insanlarının kullanımına sunulabileceğini umuyorlar. Ve görünüşe göre teknoloji için de.

Bir reaktörde ağır çekirdekler fisyona uğradığında enerji açığa çıkar. Bu enerjinin kaynağı nerede? Çekirdeğin iki parçaya bölündüğü anda neden serbest kalıyor?

Uranyum-235 çekirdeği 92 proton ve 143 nötrondan oluşur. Bu, örneğin demir talaşı ve kükürt tozu karışımı gibi temel parçacıkların basit bir mekanik karışımı değildir. Bir atomun çekirdeğini oluşturan parçacıklar, nükleer kuvvetler adı verilen kuvvetlerle birbirine çok sıkı bir şekilde bağlanır. Çekirdekteki parçacıklar arasındaki bu bağ, herhangi bir kimyasal bileşiğin molekülündeki atomlar arasında bulunan bağdan milyonlarca kat daha güçlüdür. Kükürt ile karıştırılmış aynı demir tozunu kalsine ederseniz, kimyasal bir bileşik elde edersiniz - demir sülfür. Bir gramda bulunan tüm demir sülfit moleküllerini demir ve kükürt atomlarına parçalamak, yaklaşık bir büyük kalori miktarında enerji gerektirir. Ve bir gram ağırlığındaki bir uranyum parçasının içerdiği tüm çekirdekleri temel parçacıklara dönüştürmek için yaklaşık 170 milyon büyük kalorilik enerjiye ihtiyaç duyulacaktır. Yaklaşık 20 ton benzin yakıldığında bu miktarda enerji açığa çıkıyor.

Çeşitli kimyasal elementlerin çekirdeğindeki nötronlar ve protonlar birbirine farklı şekillerde bağlanır: bazılarında daha güçlü, diğerlerinde ise daha zayıftır. Uranyum çekirdeği bölündüğünde, daha önce de belirtildiği gibi, ortadaki atomların çekirdeği olan iki "parça" oluşur. periyodik tablo Mendeleev'in elementleri, örneğin baryum ve kripton atomlarının çekirdekleri. Bu çekirdeklerdeki protonlar ve nötronlar, periyodik tablonun sonundaki uranyum veya diğer ağır elementlerin çekirdeklerine göre daha sıkı bir şekilde birbirine bağlıdır. Bir baryum çekirdeğini ve bir kripton çekirdeğini temel parçacıklara (protonlar ve nötronlar) yok etmek, bir uranyum çekirdeğini yok etmekten yüzde on daha fazla enerji gerektirir.

Bir çekirdeği bireysel temel parçacıklara bölmek için belirli bir enerjiye ihtiyaç duyulursa, o zaman enerjinin korunumu yasasına göre bu parçacıklardan çekirdekler oluştuğunda, aynı enerjinin açığa çıkması gerekir.

Uranyum çekirdeğinin fisyon sürecini zihinsel olarak iki aşamaya ayıralım. İlk aşama, uranyum çekirdeğinin protonlara ve nötronlara yok edilmesidir; bu durumda, saf uranyumun gramı başına 170 milyon büyük kalori miktarında enerji harcanır. İkinci aşama, uranyum çekirdeklerinin yok edilmesi sırasında oluşan temel parçacıklardan baryum ve kripton çekirdeklerinin oluşmasıdır. Bu sürece yaklaşık 190 milyon büyük kalori miktarında enerji salınımı eşlik ediyor. Reaksiyonun her iki aşaması sonucunda 20 milyon büyük kalorilik enerji kazanımı elde edilir. Bu miktardaki enerjiyi elde etmek için yaklaşık iki ton benzin yakmanız gerekiyor. Böylece uranyumun fisyon sırasındaki "kalori değeri", benzin yakıldığından iki milyon kat daha yüksek çıkıyor.

Mantığımızı aşağıdaki örnekle açıklayalım. Diyelim ki bir dağın yamacında duruyorsunuz ve iki metre derinliğindeki bir kuyudan su çekiyorsunuz. Her kilogram suyu kaldırmak için iki kilogram iş harcarsınız. Daha sonra bu suyu bir kanaldan beş metre aşağıda bulunan türbin çarkına döküyorsunuz. Her türlü enerji kaybını ihmal edersek türbin beş kilogram-metreye eşit iş yapacaktır. Sonuç olarak harcadığımızdan üç kilo metre daha fazla iş alıyoruz.

Nükleer fisyon sırasında ağır elementler bireysel temel parçacıklara parçalanmazlar, yalnızca iki parçaya, parçalara ayrılırlar. Ortaya çıkan parçaların içinde, temel parçacıkların anında yeniden düzenlenmesi meydana gelir; daha sıkı bir şekilde "paketlenirler" ve bu sürece enerji salınımı eşlik eder ve ağır çekirdeğin yok edilmesine harcanan enerjiden daha fazla enerji açığa çıkar.

Hesaplamalar, ağır çekirdeklerin bölünmesi sırasında çekirdekte depolanan enerjinin yalnızca bir kısmının açığa çıktığını göstermektedir. Aynı baryum ve kripton çekirdekleri doğrudan protonlardan ve nötronlardan sentezlenirse (oluşturulursa) önemli ölçüde daha fazla enerji elde edilir. O zaman ağır çekirdeklerin yok edilmesi için 170 milyon büyük kalorilik enerji harcamanıza gerek kalmayacak. Su örneğinde bu, kuyudan yukarı çekmeye gerek olmadığı, suyun oluğun üst kenarı hizasında olduğu bir havuz kullanılması gerçeğine karşılık gelecektir.

Ama sentez için atom çekirdeği Nötron ve protonların varlığı için, her şeyden önce bu temel parçacıkların elinizin altında olması gerekir. İÇİNDE bitmiş form doğada mevcut değillerdir. Sadece elde edilebilirler yapay olarak. Ancak serbest halde salınan nötronlar ve protonlar gelecekte kullanılmak üzere saklanamaz. Protonlar tek bir elektronu olmayan protium atomlarıdır; normal koşullar altında uzun süre var olamazlar. Protonlar kayıp elektronları bulacak ve elektriksel olarak nötr protium atomlarına geri dönüşecek.

Nötronlar atomların çekirdeğine kolayca nüfuz eder ve onlar tarafından yakalanır. Ayrıca nötronlar radyoaktiftir. Nötronların serbest durumdaki ömrü birkaç dakikadır. Eğer bir nötron çekirdek tarafından yakalanmaktan kurtulursa, kendiliğinden bir protona ve bir elektrona dönüşür. Bir nötronun radyoaktif dönüşümü sırasında elektron nereden geldi? Gerçek şu ki, hem nötron hem de proton aslında aynı temel parçacıktır, yalnızca farklı enerji durumlarındadırlar. Bu parçacıkların ortak yönünü vurgulamak için, toplu olarak bir tür atom çekirdeği oluşturduklarında, onlara aynı adla, yani nükleonlarla bile anılırlar. Şöyle derler, örneğin klor-35 izotopunun çekirdeği, proton ve nötronlara bölünmeden 35 nükleondan oluşur. Bir nötronun protona geçiş süreci, daha yüksek bir seviyeden kendiliğinden bir geçiştir. enerji seviyesi daha düşük olana; aynı zamanda bir elektron “doğar”. Bir protonun kendiliğinden nötrona geçişi imkansızdır; düşük seviye enerjinin korunumu yasasına aykırı olan daha yüksek bir enerjiye. Yerde duran bir taş asla tek başına, müdahale edilmeden dış güç, yukarı çıkmayacak. Bir protona dışarıdan gerekli miktarda enerji verilirse nötrona dönüşebilir ve bu harekete elektrona benzer ancak pozitif yüklü bir parçacığın görünümü eşlik eder. Zaten bildiğimiz gibi buna pozitron denir. Nötronlarda elektron, protonlarda pozitron olmamasına rağmen karşılıklı dönüşümleri sırasında bu parçacıkların serbest bırakıldığı ortaya çıkıyor.

Dolayısıyla nötronları ve protonları serbest formda elde etmek mümkünse, atom çekirdeğinin sentezi için derhal kullanılmaları gerekir.

Uranyum gibi ağır çekirdeklerin temel parçacıklara (nükleonlar) dönüştürülmesi, büyük miktarda enerji harcanmasını gerektirir. Doğada proton ve nötronların uranyum çekirdeğindeki kadar sıkı bağlanmadığı çekirdekler var mıdır? Eğer böyle çekirdekler mevcutsa, reaksiyonun ilk zihinsel aşaması olan çekirdeğin yok edilmesi daha az enerji gerektirecektir. Kuyu ve oluk örneğine dönersek, mümkünse sığ bir kuyu aramanız gerekir.

Hidrojenin ağır izotoplarıyla ve artık bir değil ikiyle sahneye çıktığı yer burasıdır.

Döteryum nükleer reaktörün işleyişinde nasıl bir rol oynadı? Rolü yardımcıydı; hızlı nötronları termal hızlara yavaşlatmak. Nükleer enerjinin serbest bırakılmasında doğrudan rol almadı. Pek çok reaktörde, bildiğiniz gibi, grafit blok formundaki karbon veya sıradan su, nötron moderatörleri olarak başarıyla kullanılmaktadır. Hiç moderatörü olmayan reaktörler var - bunlar üzerinde çalışan reaktörler hızlı nötronlar. Şimdi tanıyacağımız süreçlerde, hidrojen izotopları nükleer enerjinin salınımında belirleyici öneme sahiptir.

Hidrojenin ağır izotopu olan döteryumun yanı sıra süper ağır bir izotop olan trityum da vardır; T harfi ile gösterilir. Protonun yanı sıra trityum çekirdeği, döteryum gibi bir değil iki nötron içerir (Şekil 13). Döteryumun aksine

(beyaz daireler protonları, siyah daireler çekirdeği oluşturan nötronları gösterir).

Mevcut tüm trityum atomlarının yarısı 12,2 yılda bozunur. Bu süre çok uzun değil ama trityumun her zaman gerekli miktarda stokta bulunması oldukça yeterli.

Trityum, hidrojenin daha karmaşık bir izotopudur. Özellikleri bakımından protiumdan döteryumdan daha farklıdır.

İlk iki izotop gibi trityum da sıvı halinde yoğunlaştırılabilir. Sıvı trityumun kaynama noktası zaten protyumun kaynama noktasından 4,65 derece daha yüksektir. Buharlaşma ısısı döteryumunkinden bile yüksektir. Trityum oksijenle birleştiğinde trityum veya süper ağır su adı verilen su oluşur. Döteryum gibi trityum da eriyik, döteryum ve oksijen izotoplarıyla birleşerek değişen izotop bileşimlerinde su üretir. Döteryumun verdiği dokuz çeşit suya şimdi molekülleri trityum atomları içeren eşit sayıda yenisi ekleniyor. Bu moleküllerin formülleri şu şekilde yazılabilir:

MSW16, LLP17 ve LLP18.

Uranyum çekirdeklerinin fisyonunda olduğu gibi akıl yürüterek (bkz. Sayfa 50), süreci zihinsel olarak iki aşamaya ayırıyoruz: birincisi döteryum ve trityum çekirdeklerinin ayrı nükleonlara yok edilmesi, ikincisi helyumun sentezidir. onlardan gelen çekirdekler. Nötronlar ve protonlar döteryum ve trityum çekirdeklerinde helyum çekirdeklerine göre çok daha az sıkı bir şekilde birbirine bağlanır. Bu nedenle, iki hidrojen izotopunun çekirdeğinin yok edilmesi, sonuçta ortaya çıkan temel parçacıklardan bir helyum çekirdeğinin sentezi sırasında salınan toplam enerjiden daha az enerji gerektirir. Hesaplamalar, döteryum ve trityum çekirdeklerinden sadece bir gram helyum-4 izotop atomunun oluşmasıyla yaklaşık yüz milyon büyük kalorinin açığa çıktığını göstermektedir. Bu, nötronların etkisi altında bir gram uranyum fisyonunda açığa çıkan enerjinin beş katıdır.

Helyum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunu gerçekleştirmek için döteryum ve trityum çekirdeklerinin birbirleriyle çarpışmasını sağlamak gerekir. Helyum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunu gerçekleştirmedeki ana zorluk budur. Sonuçta çarpışan çekirdeklerin her ikisi de pozitif yüklüdür ve elektriksel olarak benzer yüklü cisimler birbirini itmektedir. Elektriksel itici kuvvetlerin üstesinden gelmek için çekirdeğe doğru yaklaşmak gerekir.
yatırmak büyük güçler. Bu nasıl yapılır? Görünüşe göre, aralarında etki eden itici kuvvetlerin üstesinden gelmeye yetecek kadar bir hareket enerjisinin çekirdeklere verilmesi gerekiyor.

Parçacıkların rastgele hareketinin ortalama hızı ve dolayısıyla enerjileri sıcaklıkla belirlenir. Vücudun sıcaklığı ne kadar yüksek olursa parçacıkların ortalama enerjisi de o kadar büyük olur ve o kadar hızlı hareket ederler. Bu, izotoplarımızın çok yüksek bir sıcaklığa, bir milyon dereceye kadar ve hatta daha yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılması gerektiği anlamına gelir. Yalnızca bu sıcaklıklarda parçacık enerjisi, çekirdekler arasındaki elektriksel itici kuvvetlerin üstesinden gelmeye yeterli olacaktır. Güneş'in yüzeyinde bile sıcaklığın sadece 6000 derece olduğunu hatırlarsak, cisimleri bir milyon dereceye kadar ısıtmanın zorluğu ortaya çıkar. Günümüzde bu tür sıcaklıklara ulaşılabilen bilinen tek kaynak, atom bombasının patlaması, yani uranyum veya plütonyum çekirdeklerinin zincirleme fisyon sürecidir. Böyle bir patlama bölgesinde, döteryum ve trityum, elektron kabuklarından yoksun "çıplak" atom çekirdeklerinden oluşan bir ortam olan plazma formunda mevcut olacaktır. Bu koşullar altında, hidrojen izotoplarının çekirdekleri, bir araya geldiklerinde helyum çekirdekleri halinde birleşebilirler. termonükleer reaksiyon. Bu veya buna benzer bir süreç hidrojen bombasının patlaması sırasında meydana gelir.

Termonükleer reaksiyonlar sırasında açığa çıkan enerjinin barışçıl amaçlarla kullanılabilmesi için bu tür reaksiyonların nasıl kontrol edileceğinin öğrenilmesi gerekmektedir. Bunun çözünürlüğü çok zor görev Dünyanın birçok ülkesinden bilim insanları artık meşgul. Bu yönde birçok araştırma burada, Sovyetler Birliği'nde yürütülüyor. Bu sorunun başarılı bir şekilde çözülmesi, insanoğlunu yeni enerji kaynakları arama endişesinden kurtaracak, bilim ve teknolojinin eşi benzeri görülmemiş bir şekilde gelişmesine yol açacaktır.

Ağır suyun keşfinden ve onun küçük bir test tüpünün dibine sığacak miktarlarda elde edildiği zamandan yalnızca yirmi beş yıl uzaktayız. Bunun için Kısa bir zaman Ağır su nükleer enerjide güçlü bir yer edinmiştir. Nükleer reaktörler için en iyi moderatör olduğu ortaya çıktı, iş

Termal nötronlar tarafından desteklenmektedir. Ancak bu en önemli şey değil. Ağır su, termonükleer reaksiyonların uygulanmasında birincil öneme sahiptir. Bu reaksiyonlar için öncelikle yeterli miktarda hammadde yani döteryum ve trityumun bulunması gerekir. Döteryum atomları ağır su moleküllerinin ayrılmaz bir parçasıdır. Trityum atomları, gördüğümüz gibi, döteryum atomlarından elde edilebilmektedir. Sonuç olarak ağır su, helyum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonu için gerekli elementleri sağlayan kaynaktır. Bu nedenle artık dünyanın birçok ülkesinde ağır su üretimi büyük fabrika ölçeğinde gerçekleştirilmektedir.