Quan parlem d'energia nuclear, un dels termes que sol aparèixer és aigua pesada . Tot i que el seu nom sona exòtic, es tracta simplement d'una variant de l'aigua comuna, amb una diferència fonamental en la composició atòmica que la fa clau en certes aplicacions científiques i industrials.
¿ Què és laigua pesada?
L'aigua pesada, coneguda en anglès com heavy water i la fórmula química de la qual és D₂O, és similar a l'aigua que fem servir diàriament (H₂O), però amb una diferència: en lloc de contenir àtoms d'hidrogen "lleuger" (protons), conté deuteri , un isòtop de l'hidrogen que té un nucli.
Aquest canvi petit però significatiu fa que l'aigua pesada sigui aproximadament un 10% més densa que l'aigua comuna i que tingui propietats físiques lleugerament diferents. Tot i que és visualment indistingible, el seu comportament en certes reaccions nuclears la converteix en una eina essencial en l'àmbit de l'energia nuclear.
Usos de l'aigua pesada
Gràcies a les seves propietats úniques, l'aigua pesada té diverses aplicacions, especialment al camp de l'energia nuclear i la investigació científica.
1. Moderador de neutrons en reactors nuclears
El seu ús més conegut és com a moderador de neutrons en alguns tipus de reactors nuclears, especialment en els reactors tipus CANDU (Canada Deuterium Uranium). En una reacció de fissió, els neutrons alliberats tenen molta energia (són “ràpids”), i perquè puguin provocar noves fissions amb més eficàcia, han de ser alentits.
L'aigua feixuga alenteix aquests neutrons sense absorbir-los significativament —cosa que l'aigua comuna sí que fa en major mesura—. Això permet que els reactors CANDU funcionin amb urani natural, sense necessitat d'enriquiment, cosa que suposa un avantatge estratègic i econòmic.
A més del seu paper com a moderador, l'aigua pesada també pot funcionar com a refrigerant, extraient la calor generada al reactor i permetent la seva conversió en electricitat mitjançant turbines de vapor.
2. Producció de triti
En alguns reactors, l'aigua pesada pot servir com a base per a la producció de triti (³H), un isòtop radioactiu de l'hidrogen amb aplicacions en armament, investigació científica i certs dispositius d'il·luminació. Aquest procés no és trivial i implica reaccions nuclears específiques dins del reactor, no simplement la radiació de laigua.
3. Investigació científica i medicina
A l'àmbit de la ciència, l'aigua pesada s'utilitza com a traçador isotòpic en estudis biològics i químics.
També es fa servir com a dissolvent en tècniques com la ressonància magnètica nuclear (RMN), on la seva presència evita interferències en la detecció de l'hidrogen normal.
Com es produeix laigua pesada?
El deuteri, encara que és natural, és molt escàs: només representa al voltant del 0,015% de l'hidrogen que trobem a l'aigua. Per això, l‟obtenció d‟aigua pesada requereix processos de separació isotòpica altament especialitzats. Els mètodes principals són:
Destil·lació fraccionada
Aprofita la diferència al punt d'ebullició entre H₂O i D₂O. Mitjançant múltiples cicles de destil·lació, és possible concentrar progressivament el deuteri.
Intercanvi químic isotòpic
En aquest mètode s'afavoreixen reaccions químiques que intercanvien deuteri entre diferents compostos. El procés Girdler sulfide, que utilitza sulfur d'hidrogen, ha estat àmpliament utilitzat a nivell industrial.
Electròlisi
Aplicant corrent elèctric a l'aigua, l'hidrogen lleuger s'allibera amb més facilitat que el deuteri. Després d'etapes successives, s'obté una solució enriquida en D₂O.
Avantatges i desavantatges en reactors nuclears
Avantatges:
- Ús d'urani natural : No cal enriquir el combustible, cosa que simplifica el cicle de l'urani.
- Alta eficiència de moderació : Permet una major taxa de fissió amb menor absorció de neutrons.
- Flexibilitat de combustibles : Pot utilitzar no només urani, sinó també tori o altres variants.
- Menor producció de residus : La millor eficiència es pot traduir en menys residus radioactius per unitat d'energia generada.
Desavantatges:
- Alt cost : L'aigua pesada és cara de produir i mantenir a causa de la complexitat del procés i els requisits de puresa.
- Risc de proliferació : Pot facilitar la producció de plutoni si no es controla adequadament.
- Maneig delicat Encara que no és radioactiva en si mateixa, pot activar-se en estar en contacte amb la radiació en el reactor, per la qual cosa requereix un maneig acurat.