L'eau lourde est une forme d'eau qui contient une plus grande quantité de deutérium, un isotope de l'hydrogène qui a un neutron supplémentaire dans son noyau. Alors que l'eau ordinaire (H 2 O) contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène, l'eau lourde (D 2 O) contient deux atomes de deutérium et un atome d'oxygène.
L'eau lourde est légèrement plus dense que l'eau ordinaire et possède des propriétés chimiques et physiques différentes.
A quoi sert l'eau lourde ?
L'eau lourde a diverses applications dans l'industrie et la science en raison de ses propriétés physiques et chimiques uniques. Certaines des applications les plus courantes sont :
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Modérateur de neutrons des réacteurs nucléaires : L'eau lourde est utilisée comme modérateur de neutrons dans certains réacteurs nucléaires pour ralentir les neutrons libérés lors de la fission nucléaire et augmenter la probabilité de nouvelles réactions nucléaires.
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Production de tritium : Le tritium est un isotope radioactif de l'hydrogène utilisé dans la production d'armes nucléaires et dans certains dispositifs d'éclairage et médicaux. Ce type d'eau est utilisé dans la production de tritium par un processus appelé radiolyse, dans lequel le tritium est formé à partir de l'exposition de l'eau lourde au rayonnement.
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Recherche scientifique : Dans certaines expériences scientifiques, il est utilisé comme traceur pour étudier la dynamique de l'eau dans différents systèmes biologiques et chimiques.
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Production de polymères : dans ce cas, il est utilisé comme réactif dans la production de certains polymères, tels que le nylon, le polyester et le polyuréthane.
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Analyse chimique : par exemple, pour déterminer la composition isotopique de certains composés.
Comment obtenir de l'eau lourde ?
L'eau lourde (D 2 O) peut être obtenue par divers procédés, mais les méthodes les plus courantes sont la distillation fractionnée de l'eau et l'hydrolyse de l'eau ammoniacale.
La production d'eau lourde nécessite un processus de purification très minutieux, car même de petites impuretés peuvent affecter considérablement ses propriétés physiques et chimiques.
Distillation fractionnée
Le processus de distillation fractionnée consiste à chauffer l'eau jusqu'à ce qu'elle s'évapore, puis à condenser la vapeur pour recueillir l'eau distillée. Étant donné que les isotopes de l'hydrogène ont des points d'ébullition différents, la vapeur d'eau collectée sera enrichie en deutérium.
Cette vapeur passe ensuite à travers des colonnes d'échange d'isotopes, où l'eau lourde est séparée de l'eau normale.
Hydrolyse de l'eau ammoniacale
Une autre méthode d'obtention d'eau lourde consiste à hydrolyser l'eau ammoniacale, où le deutérium de l'ammoniac est échangé avec l'hydrogène de l'eau pour produire de l'eau lourde.
Il est également possible de produire de l'eau lourde à l'aide de réacteurs nucléaires, bien que cette méthode soit plus coûteuse et soit principalement utilisée pour la production à grande échelle.
Quel rôle joue l'eau lourde dans un réacteur nucléaire ?
L'eau lourde a un rôle crucial dans certains réacteurs nucléaires en tant que modérateur de neutrons. Dans les réacteurs nucléaires CANDU (Canada Deuterium Uranium), par exemple, l'eau lourde est utilisée comme modérateur pour ralentir les neutrons libérés lors de la fission nucléaire.
Les neutrons rapides générés lors de la fission sont moins susceptibles de provoquer des réactions nucléaires supplémentaires que les neutrons lents. En ralentissant ces neutrons à l'aide d'eau lourde, la probabilité qu'ils entrent en collision avec des noyaux d'uranium est augmentée et d'autres réactions nucléaires se produisent.
En plus d'être un modérateur de neutrons, les réacteurs CANDU utilisent également de l'eau lourde comme caloporteur. Dans ces réacteurs, il est utilisé pour transférer la chaleur générée par la fission nucléaire du cœur du réacteur vers un échangeur de chaleur, où elle est utilisée pour générer de la vapeur qui entraînera une turbine pour produire de l'électricité.
Avantages et inconvénients de l'eau lourde dans les réacteurs nucléaires
L'utilisation d'eau lourde dans les réacteurs nucléaires présente à la fois des avantages et des inconvénients, qui sont décrits ci-dessous :
avantage
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Efficacité supérieure : L'eau lourde a une plus grande section efficace d'absorption des neutrons que l'eau ordinaire, ce qui signifie qu'elle peut mieux ralentir les neutrons libérés lors de la fission nucléaire. Cela augmente la probabilité que les neutrons provoquent plus de réactions nucléaires et augmente ainsi l'efficacité du réacteur.
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Une plus grande flexibilité dans la sélection des combustibles : en plus de l'uranium naturel, ces réacteurs peuvent utiliser de l'uranium appauvri, du thorium et d'autres combustibles, ce qui leur permet de s'adapter à différentes conditions d'approvisionnement en combustible.
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Moins de production de déchets nucléaires : Les réacteurs qui utilisent de l'eau lourde comme modérateur ont un taux de production de déchets nucléaires inférieur à celui des réacteurs qui utilisent de l'eau ordinaire. En effet, l'efficacité accrue de la modération des neutrons dans l'eau lourde permet une plus grande utilisation du combustible nucléaire et réduit donc la quantité de matières nucléaires inutilisées qui deviennent des déchets.
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Meilleure sécurité : L'eau lourde est moins inflammable que l'eau ordinaire, ce qui peut améliorer la sécurité en cas d'accident de réacteur.
Désavantages
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Coût plus élevé : L'eau lourde est plus chère que l'eau ordinaire en raison du processus de production plus compliqué et du haut degré de pureté requis pour son utilisation dans les réacteurs nucléaires.
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Risque accru de prolifération nucléaire : Ce type d'eau peut être utilisé dans la production de plutonium pour les armes nucléaires, ce qui augmente le risque de prolifération nucléaire.
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Risque accru d'accident : Les réacteurs qui utilisent de l'eau lourde peuvent être plus sujets aux accidents nucléaires en raison de la plus grande quantité de matières radioactives présentes dans le système.