D2O
D20也叫重水
重水與普通水看起來十分相像,它們的化學性質也一樣,不過某些物理性質卻不相同。普通水的密度為1克/厘米3,而重水的密度為1.056克/厘米3;普通水的沸點為100℃,重水的沸點為101.42℃;普通水的冰點為0℃,重水的冰點為 3.8℃。此外,普通水能夠滋養生命,培育萬物,而重水則不能使種子發芽。人和動物若是喝了重水,還會引起死亡。不過,重水的特殊價值體現在原子能技術套用中。製造威力巨大的核武器,就需要重水來作為原子核裂變反應中的減速劑
重水和普通水一樣,也是由氫和氧化合而成的液體化合物,不過,重水分子和普通水分子的氫原子有所不同。我們知道,氫有3種同位素。一種是氕,它只含有一個質子。它和一個氧原子化合可以生成普通的水分子。另一種是重氫 ———氘。它含有一個質子和一個中子。它和一個氧原子化合後可以生成重水分子。還有一種是超重氫———氚。它含有兩個中子和一個質子。
重水可以通過多種方法生產。最初的方法是用電解法,因為重水無法電解,這樣可以從普通水中把它分離出來。還有一種簡單方法是利用重水沸點高於普通水通過反覆蒸餾得到。後來又發展了一些其他較佳的方法。
然而只有兩種方法已證明具有商業意義:水——硫化氫交換法(GS法)和氨——氫交換法。
GS法是基於在一系列塔內(通過頂部冷和底部熱的方式操作)水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中,水向塔底流動,而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環。使用一系列多孔塔板促進硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移,而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出,並且在下一級塔中重複這一過程。最後一級的產品(氘濃縮至高達30%的水)送入一個蒸鎦單元以製備反應堆級的重水(即99.75%的氧化氘)。
氨——氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態氨的接觸從合成氣中提取氘。合成氣被送進交換塔,而後送至氨轉換器。在交換塔內氣體從塔底向塔頂流動,而液氨從塔頂向塔底流動。氘從合成氣的氫中洗滌下來並在液氨中濃集。液氨然後流入塔底部的氨裂化器,而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以後的各級中得到進一步濃縮,最後通過蒸餾生產出反應堆級重水。合成氣進料可由氨廠提供,而這個氨廠也可以結合氨——氫交換法重水廠一起建造。氨——氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。
利用GS法或氨——氫交換法生產重水的工廠所用的許多關鍵設備項目是與化學工業和石油工業的若干生產工序所用設備相同的。對於利用GS法的小廠來說尤其如此。然而,這種設備項目很少有“現貨”供應。GS法和氨——氫交換法要求在高壓下處理大量易燃、有腐蝕性和有毒的流體。因此,在制定使用這些方法的工廠和設備所用的設計和運行標準時,要求認真注意材料的選擇和材料的規格,以保證在長期服務中有高度的安全性和可靠性。規模的選擇主要取決於經濟性和需要。因而,大多數設備項目將按照用戶的要求製造。
最後,應該指出,對GS法和氨——氫交換法而言,那些單獨地看並非專門設計或製造用於重水生產的設備項目可以組裝成專門設計或製造用於生產重水的系統。氨——氫交換法所用的催化劑生產系統和在上述兩方法中將重水最終加濃至反應堆級所用的水蒸餾系統就是此類系統的實例。
專門設計或製造用於利用GS法或氨——氫交換法生產重水的設備項目包括如下:
6.1. 水——硫化氫交換塔
專門設計或製造用於利用GS法生產重水的、用優質碳鋼(例如ASTM A516)製造的交換塔。該塔直徑6米(20英尺)至9米(30英尺),能夠在大於或等於2兆帕(300磅/平方英寸)壓力下和6毫米或更大的腐蝕允量下運行。
6.2. 鼓風機和壓縮機
專門為利用GS法生產重水而設計或製造的用於循環硫化氫氣體(即含H2S 70%以上的氣體)的單級、低壓頭(即0.2兆帕或30磅/平方英寸)離心式鼓風機或壓縮機。這些鼓風機或壓縮機的氣體通過能力大於或等於56米3/秒(120 000 標準立方英尺/分),能在大於或等於1.8兆帕(260磅/平方英寸)的吸入壓力下運行,並有對濕H2S介質的密封設計。
6.3.氨——氫交換塔
專門設計或製造用於利用氨——氫交換法生產重水的氨——氫交換塔。該塔高度大於或等於35米(114.3英尺),直徑1.5米(4.9英尺)至2.5米(8.2英尺),能夠在大於15兆帕(2225磅/平方英寸)壓力下運行。這些塔至少都有一個用法蘭聯結的軸向孔,其直徑與交換塔筒體部分直徑相等,通過此孔可裝入或拆除塔內構件。
6.4. 塔內構件和多級泵
專門為利用氨——氫交換法生產重水而設計或製造的塔內構件和多級泵。塔內構件包括專門設計的促進氣/液充分接觸的多級接觸裝置。多級泵包括專門設計的用來將一個接觸級內的液氨向其他級塔循環的水下泵。
6.5. 氨裂化器
專門設計或製造的用於利用氨——氫交換法生產重水的氨裂化器。該裝置能在大於或等於3兆帕(450磅/平方英寸)的壓力下運行。
6.6. 紅外吸收分析器
能在氘濃度等於或高於90%的情況下“線上”分析氫/氘比的紅外吸收分析器。
6.7. 催化燃燒器
專門設計或製造的用於利用氨——氫交換法生產重水時將濃縮氘氣轉化成重水的催化燃燒器。