CC BY
23УДК 53.06
Физико-математические науки
Фролов Никита Евгеньевич, студент 2 курс, факультет «Горно-нефтяной», Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ. ЗНАЧЕНИЕ И РОЛЬ
Аннотация: Статья посвящена «тяжелой воде», ее свойства, значение для каждой сферы жизни человека. В статье рассматривается свойства, значения, а также основное внимание было уделено именно добыче этого материала, а также предложена одна из возможных вариаций по уменьшению затрат, с целью обеспечить более доступную цену для конечного потребителя. Стоит отметить и второстепенную функцию, которая может облегчить деятельность человека на производстве, а именно автономность системы путем написания программы. В ходе изучения было выявлено, что данное сырье имеет огромнейшее значение при лечении злокачественных опухолей, что послужило одним из мотивов для формирования нового способа, использования системы. Статья дает обобщенные знания о изотопах водорода и их роли в жизни человека.
Ключевые слова: Дейтериевая вода, изотоп водорода, атомная энергетика, лечение злокачественных опухолей, автоматизация.
Annotation: The article studies the concept of "heavy water", its properties, meaning for each sphere of human life. The main attention was paid to the extraction of this material, and one of the possible variations to reduce costs was proposed in order to provide a more affordable price for the end user. It is worth noting a secondary function that can facilitate human activity in production, namely the autonomy of the system by writing a program. During the study, it was revealed that this raw material is of great importance in the treatment of malignant tumors, which served as one of the motives for the formation of a new method, the use of the
system. The article provides generalized knowledge about hydrogen isotopes and their role in human life.
Keywords: Deuterium water, hydrogen isotope, nuclear power, Treatment of malignant tumors, automation.
Что означает термин «тяжелая вода»? Чем она отличается от обычной воды? Именно на эти вопросы нужно ответить для дальнейшего понимания темы статьи. Начнем с базиса объекта, а именно строения. Тяжелая вода имеет ту же самую формулу, что и обычная вода Н20,но отличие в одном. В обычной воде водород представлен в виде обычного изотопа протия, который в составе имеет один электрон и один протон. А в тяжелой воде представлен именно дейтерий, второй изотоп водорода, имеющий в составе одно различие, а именно добавляется один нейтрон. Этот нейтрон меняет физические свойства вещества (таблица 1).
Таблица 1. Физические свойства
Физические свойства D2O Н2О
Молекулярная масса 20 18
Плотность при 20°С (г/см3) 1,1050 0,9982
^ кристаллизации (°С) 3,8 0
^ кипения (°С) 101,4 100
Различие имеется в: температуре кипения, температуре плавления, плотности, молярной массе. Тяжелая вода, именуемая иногда «мертвой водой», очень редка в природе, а именно в процентном соотношении 0,0156% относительно всех изотопов водорода, а 99,9844% это протий. Имеется также изотоп Трития, но он не встречается в природе, и может быть лишь синтезирован искусственно, ибо имеет очень малый период полураспада. Лишь один дополнительный нейтрон фокусирует внимание ученых на этом веществе. Но чем же оно так важно для нас? Тяжелая вода очень тесно закрепилась в
промышленной сфере. Из примеров применения выделяются такие способы применения как:
Замедлитель нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах.
Это одна из важнейших ролей добычи электроэнергии на атомных электростанциях. Дело в том, что после распада ядерного топлива по типу 2Щи, его нейтроны имеют колоссальную скорость, которую нужно скорректировать. Они должны быть захвачены другими ядрами урана, чтоб произошла цепная реакция (основополагающая реакция в реакторе). В случае если не использовать замедлители, то цепная реакция не произойдет, и придется использовать новое топливо. Именно замедляющие элементы по типу тяжелой воды или графита искусственно снижают скорость нейтронов, что увеличивает шансы на цепную реакцию. Если быть кратким, замедлитель позволяет использовать меньше топлива для выработки энергии, ведь замедлитель увеличивает цепную реакцию, а она дает необходимый продукт. Также она служит в качестве теплоносителя.
Военная промышленность. Многим людям известно про водородную бомбу, в основе которой лежит изотоп водорода дейтерий, а именно этот изотоп в тяжелой воде, в частности. Для ее действия было необходимо: контейнер из 2|2^, соединение дейтерия со щелочным металлом, ядерный заряд. Принцип работы заключался в следующем: во время взрыва ядерного заряда контейнер сжимаясь и нагреваясь, создавал необходимые условия для термоядерного синтеза, что приводит к образованию тритию, который вызывает термоядерный взрыв (о термоядерном синтезе поговорим чуть ниже).
Медицина. К сожалению, в нашем мире известны такие ужасные патологии как карцинома, саркома, лейкемия, лифом, меланома - болезни, которые относят к смертельным, а именно к злокачественным опухолям Злокачественная опухоль образуются из здоровых клеток в результате трансформации, а те в свою очередь начинают бесконтрольно размножаться, которые начинают вызывать проблемы со здоровьем. Этот страшнейший диагноз пробуют лечить химиотерапией, одним из способов которого является
введение тяжелой воды в организм. Оксид дейтерия на живой организм влияет пагубно, а именно он замедляет все живые процессы.
Таким образом, Б20 является ядом для живого, но в то же время можно использовать как лекарство в борьбе с раковыми образованиями. Ведь она замедляет все живые организмы, в том числе и формирование опухолей.
Тем самым есть шанс вылечить человека. Побочные реакции: выпадение волос, потеря рассудка, проблемы с пищеварением. Это является закономерным следствием воздействия тяжелой воды на организм. Также нужно отметить, что внимание человечества сейчас приковано к новому способу добычи электроэнергии, а именно термоядерный синтез. Пример термоядерного синтеза можно увидеть на Солнце, где легкие атомы водорода на огромных скоростях сталкиваются, образуя другие элементы. Если объяснить доступным языком при помощи цифр, то допустим два элемента имеющие массу по 1 у.е. (условной единице). При столкновении образуется другой элемент с массой не 2 у.е., а допустим 1,5 у.е. Естественно возникает вопрос, куда девается остальная часть. 0,5 у.е. переходит в энергию, которую мы можем ощутить с вами в виде тепла. Как раз это явление планируется использовать на Земле. А при этом процессе нам снова необходим второй изотоп водорода - Дейтерий. Эти примеры иллюстрируют, что значимость дейтерия растет с каждым днем.
Далее перейдем к производству и рассмотрим основные методы.
Производство.
Для начала хотелось бы выделить, что существует три наиболее известных вида добычи тяжелой воды.
Изотопный обмен. Это процесс при котором химические элементы спонтанно перераспределяются между собой. Процесс происходит спонтанно, но для этого все же необходима энергия активации для прямой и обратной реакции. При этом процессе энергия не выделяется, ибо она направлена на перераспределение и не более, но это лишь теоретическая сторона, ведь на практике мы имеем немного другую сторону. В честь того, что процесс статистический и реакция происходит лишь при взаимодействии
радиоактивных и стабильных изотопов, то в природе встречается редко и незаметно для наших глаз. Допустим мы имеем Б2 (молекула дейтерия) и Н20 (где водород представлен в виде протия). По итогу мы можем иметь такую формулу реакции
Б2 + Н20 -> Б20 +Н2. По итогу мы имеем тяжелую воду, но в силу спонтанности, редкости, энергии активации применяется в производстве нечасто. Перейдем к другому способу
Ректификация. Достаточно интересный способ искомого объекта, ведь процесс может быть автоматизирован технически, что означает минимальную роль человека в процессе деятельности системы. На чем же основан принцип? На выпаривании. Температура кипения тяжелой воды составляет 374,4 кельвина, полутяжелой воды (состоящей из одного атома дейтерия и одного атома протия) 373,7 кельвина, а обычной воды 373 кельвина. Именно эта разница позволяет выделять и отделять все виды воды. Принцип очень универсален и имеет большой потенциал, но человечество использует все же немного другой способ.
Электролиз. Это совокупность процессов происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока.
Также стоит отметить, что тяжелую воду получают на заводах при синтезе аммиака. В результате переработки водорода остается дейтериевая вода.
Электролиз простыми словами - это совокупность процессов происходящих на двух пластинках (катоде и аноде). Катодом является -отрицательная пластинка (электрод) к которой движутся положительно заряженные катионы (Мп2+, Ре2+), а анод напротив положительно заряжен, а к нему движутся отрицательно заряженные ионы. Теперь разберем, зачем электролизер при добыче тяжелой воды. Принцип действия в следующем. При длительном и многократном воздействии электрического тока часть воды начинает испаряться, а остаток (что остается на дне) является тяжелой водой. Многоступенчатость процесса необходима, ибо содержание атомов дейтерия в
воде просто минимальна. Если переработать 1 тонну воды, то можно получить до 200 грамм искомого вещества, из-за чего данное сырье достаточно дорогое.
Также стоит отметить, что для работы электролизера необходимо соблюдать температурный режим, который для добычи тяжелой воды не должен превышать 80 градусов по Цельсию Системы электролизеров для добычи тяжелой воды занимают место, нуждаются в наблюдении, охране, огромном количестве электричества, но можно ли как-то снизить деятельность человека и чтоб система не занимала площадь на земле [1, с. 1].
Мое видение решения данной проблемы будет изложено ниже.
Первое электричество. Цена продукта напрямую зависит от использованной электроэнергии, а она необходима бесперебойно и в большом количестве. Сразу же можно ввести в курс, что часть, добываемой энергии, на электростанциях теряется из-за нагрева ЛЭП - можно вспомнить школьный курс физики, а именно закон Джоуля-Ленца. Безусловно, люди пытаются минимизировать потери, но даже минимальный нагрев неизбежен. Отсюда можно предположить, что вблизи электростанции удобно поставить систему или даже сделать отдельную турбину для работы системы, тем самым снизив тепловые и денежные потери и сделать более дешевым продукт.
Второе вода. В принципе вода не сильно играет роль на цену как фильтры для очистки воды, так и ее подогрев. Но все же можно сделать процесс по запуску воды автономным.
Третье контролируемость. Необходимость проверка всех величин для более эффективной работы - работа системы или человека.
После озвучки всех потребностей хотел бы рассказать свою мысль о возможном использовании системы вблизи ГЭС.
Сама система выглядит как электрованны с определенными выходами для продуктов реакций (рисунок 1).
Рисунок 1. Строение простой многоступенчатой электролизной
ванны
И что если поместить ее непосредственно у ГЭС, ведь там оптимальные условия. Есть нюансы в виде необходимой солености воды - для этого необходимо проверять воду возле искомого места, использовать фильтры на входе. Потребность в температурном режиме можно обыграть при помощи давления рУ = уЯТ- Где V=const. R=const, а V стремиться к константе. Насчет заморозков и зон с минимальной температурой - можно вспомнить, что после того как потенциальная энергия воды, вращая турбину - передавая в кинетическую, выделяет энергию на нагрев воды. Это можно заметить зимой возле ГЭС, первые расстояния - вода не замерзает [2, с. 1].
Для автоматизации можно выставить, датчики, считывающие необходимые параметры, и в случае необходимости программа будет регулировать давление для поддержания оптимального значения. При помощи экспериментальной части, можно вычислить через какой промежуток необходимо менять фильтры на входе и электроды в системе.
При помощи создания программы можно автоматизировать процесс. 1) контроля температуры.2)технического состояния. 3) открывания заслонок, что пустят первично обработанную воду в следующую ванну. С каждым разом все понижая количество воды, повышая концентрацию тяжелой воды. После этого продукт системы можно направить на дополнительный изотопно-обменный процесс для более высокой концентрации дейтерия или же при помощи ректификации.
Таким образом хотелось бы показать возможный вариант автономного получения тяжелой воды, который по определению должен снизить стоимость затрат.
Библиографический список:
1. Справочник химика 21.Химия и химическая технология // температурный режим электролиза [электронный ресурс] URL: https://www.chem21.info/info/1718570/ (дата обращения 10.09.2022).
2. Работа Брашковой Анны Александровны ФГБУ «СреднесибирскоеУГМС» «Влияние высоконапорных гидроэлектростанций на гидрологический режим реки Енисей» [электронный ресурс] URL: http://sibnigmi.ru/documents/school/Brashkova.pdf (дата обращения 10.09.2022).
