Різні форми водню. Ізотопи водню: властивості, характеристика та застосування

Утворює три ізотопи з масовими числами 1, 2, 3:

() - Дейтерій;

() – Тритій.

У природі водень перебуває у вигляді протию (99,98%). 0,0156% природного водню посідає частку «важкого» водню - дейтерію, маса якого вдвічі більше маси протию. Протий та дейтерій не є радіоактивними.

Вперше дейтерій було отримано у вигляді важкої води D 2 O шляхом електролізу природної води.

Тяжка вода D 2 O - вода, утворена атомами дейтерію. За своїми фізико-хімічними властивостями відрізняється від Н2О:

В даний час дейтерій отримують з природної суміші шляхом ізотопного обміну між водою та сірководнем: . Для отримання 1 л важкої води потрібно 41 т води та 135 т сірководню.

Хімічні реакції у важкій воді протікають повільніше, порівняно із звичайною водою, водневі зв'язки за участю дейтерію дещо сильніші за звичайні. Тяжка вода токсична. Тяжка вода надає згубну дію на тварин і людину. Наприклад, заміна 1/3 Н 2 Про на D 2 O призводить до безпліддя, порушення вуглеводного балансу та анемії.

Однак деякі мікроорганізми здатні жити в 70% важкій воді (найпростіші) і навіть у чистій важкій воді (бактерії). Людина може без видимої шкоди здоров'ю випити склянку важкої води, весь дейтерій буде виведено з організму за кілька днів. У цьому відношенні важка вода менш токсична, ніж, наприклад, сіль.

Тяжка вода є промисловим продуктом і доступна у великих кількостях. Виробництво важкої води дуже енергоємне, тому її вартість досить висока (орієнтовно 200 – 250 доларів за кг).

Ядра дейтерію мають спин ядра рівний 1, з цим пов'язано використання важкої води та інших дейтерованих розчинників (дейтерохлороформ CDCl 3) спектроскопії ядерного магнітного резонансу. Тяжка вода знаходить застосування в ядерній техніці як сповільнювач швидких нейтронів, оскільки вона швидко знижує енергію нейтронів ядерного поділу, а також внаслідок того, що дейтерій має низький переріз захоплення нейтронів (не поглинає нейтрони), ніж водень, і, отже, помітно зменшує потік.

Дейтерій широко застосовують щодо механізмів реакції і за кінетичних дослідженнях.

Від інших ізотопів тритій відрізняється тим, що радіоактивний. У природі тритій зустрічається у дуже малих кількостях. Природний вміст тритію - 1 атом на 1018 атомів водню, це результат ядерних реакцій, що протікають вод дією космічних променів у верхніх шарах атмосфери:

Після випробувань термоядерної зброї (1954) концентрація тритію збільшилася в сотні разів, але в даний час вона впала в результаті заборони на випробування ядерної зброї в атмосфері. Низький вміст тритію в земній корі пояснюється його радіоактивністю з періодом напіврозпаду 12,35 року . В останні роки основним джерелом техногенного тритію у навколишньому середовищі стали атомні електростанції, які щорічно виділяють кілька десятків кілограмів тритію.

В даний час тритій одержують у ядерних реакторах при опроміненні літію нейтронами: .

Літій використовують у вигляді сплаву з магнієм або алюмінієм, який утримує багато тритію, який звільняється при розчиненні опроміненого сплаву в кислоті.

Прим.Найбільш зручний спосіб зберігання тритію полягає в перетворенні його в UT 3 реакції з дрібно роздробленим ураном. З цього з'єднання тритій легко звільняється при нагріванні вище 400 ºС.

Тяжка вода на основі тритію T 2 O має сильну радіоактивність. Тому зазвичай використовують розведені розчини, що містять 1% тритієвої води. Тритій є чистим β-випромінювачем без домішки γ-компоненти, тому він відносно безпечний, так як β-частинки мають низьку проникаючу здатність, тому затримуються листом паперу або шаром повітря в 3 мм. Тритій - один із найменш токсичних радіоізотопів.

Тритій може бути радіоактивною міткою для вивчення різних природних процесів. Аналіз атмосферного тритію дає цінну інформацію про космічні промені. А тритій в осадових породах може свідчити про переміщення повітря та вологи на Землі.

Найбільш багаті природні джерела тритію – дощ і сніг, оскільки майже весь тритій, що утворюється під дією космічних променів в атмосфері, переходить у воду. Інтенсивність космічної радіації змінюється з широтою, тому опади, наприклад, у середній смузі Росії несуть у кілька разів більше тритію, ніж тропічні зливи. І зовсім мало тритію в дощах, що йдуть над океаном, оскільки їхнє джерело - в основному та ж океанічна вода, а нею тритію небагато.

Зрозуміло, що глибинний лід Гренландії чи Антарктиди зовсім не містить тритію – він там давно встиг повністю розпастися. Знаючи швидкість утворення тритію в атмосфері, можна розрахувати, як довго волога знаходиться в повітрі – з моменту її випаровування з поверхні до випадання у вигляді дощу чи снігу. Виявилося, що, наприклад, у повітрі над океаном цей термін становить середньому 9 днів.

Найчастіше тритій застосовують як мітку щодо механізмів реакцій та його кінетики .

Синтезований тритій порівняно дешевий і знаходить застосування у наукових дослідженнях та промисловості. Широке застосування знайшли тритієві фарби, що світяться, які наносять на шкали приладів. Ці світлосклади з погляду радіації менш небезпечні, ніж традиційні радієві. Такі світлосклади постійної дії використовують для виготовлення покажчиків, шкал приладів тощо. На їхнє виробництво щорічно витрачають сотні грамів тритію.

Тритій є і в людському організмі. Він надходить у нього з їжею, з повітрям, що вдихається, і через шкіру. Цікаво, що газоподібний Т2 у 500 разів менш токсичний, ніж тритієва вода Т2О. Це пояснюється тим, що молекулярний тритій, потрапляючи з повітрям у легені, потім швидко (приблизно за 3 хв) виділяється з організму, тоді як тритій у складі води затримується у ньому на 10 діб і встигає цей час передати йому значну дозу радіації.

Тритій має важливе значення у реакціях термоядерного синтезу: , що протікають під час вибуху водневої бомби.

Думаю, ті діти, які сьогодні тільки вчаться повзати, досягнуть осмисленого віку, щоб дивитися трансляції з перших запусків ІТЕР. А сьогодні ми поговоримо про паливо, що потрібно для термоядерних реакторів, футуристичному майбутньому Росії та нашій місячній програмі.

Який зв'язок? Давайте розумітися.

Згадаймо

У термоядерному реакторі відбувається реакція синтезу, тобто. легкі атомні ядра в результаті нагрівання розганяються і з'єднуються у важче атом атома. Під час з'єднання вивільняється море енергії, заради якої все і починається.

У задачі конструювання термоядерного реактора є багато складнощів, проте вони вирішуються. У Франції спільними силами кількох країн, у тому числі й Росії, вже розпочали будівництво згаданого ІТЕР. Але про нього вже писав.

Одна зі складнощів промислового запуску термоядерного реактора – це паливо. Планується використати різні варіанти.

Дейтерій + тритій

Це найлегший варіант з метою забезпечення протікання реакції. Дейтерій – це важкий водень. Здобути його не проблема. Лише у воді його десятки мільярдів тонн.Беремо воду. Отримуємо з неї важку воду, а потім уже дейтерій. Його виробництво на землі зараз – десятки тисяч тонн на рік.Ми це вміємо.

Із тритієм складніше. Тритій – це надважкий водень. Він утворюється у високих шарах атмосфери при зіткненні частинок космічного випромінювання з ядрами атомів. Як ви розумієте, його там утворюється зовсім не багато, і ловити його у висоті неможливо.

Тому тритій виробляють землі на атомних реакторах. Уявляєте, всього з 1955 по 1999 рік, наприклад у США, було отримано 225 кг.

Наші реактори цим теж можуть займатися. Коштує один кілограм цієї радості майже 2 мільярди рублів.Відмінні вкладення? Та не тут було.

Проблема тут ще в тому, що період напіврозпаду тритію -12 років. Це означає, що за 12 років від 1 кг. тритію залишиться всього півкіло. Не найкращий спосіб зберігати свої гроші.Тільки один запуск ІТЕР знадобиться 3 кг. Для запуску термоядерного реактора наступного покоління DEMO – 4-10 кг. А у світі зараз є лише 18 кг. цього добра.

Так, і поспішаю порадувати: робочий термоядерний реактор з електростанцією, що виробляє гігавати електрики, споживатиме на кожен цей самий гігават * рік 56 кг (!) Тритію.

Де стільки взяти? Так, термоядерна енергетика - недешеве заняття.

Витончене рішення

Вже термоядерна установка DEMO повинна буде виробляти тритій для своїх потреб самостійно і навіть більше для інших реакторів. Власне, це одне з призначень DEMO - довести, що тритієм реактор може забезпечувати себе сам і виробляти надлишки. Як же так?

Під час термоядерного синтезу з дейтерію та тритію виходить ядро ​​гелію та високоенергетичний нейтрон. Цей самий нейтрон, мчачи швидше вітру, повинен залишити електромагнітну камеру і стукнутися об метрову оболонку з літію. При зіткненні нейтрону та ядра літію і з'явиться тритій.

Ну а з літієм у нас проблем ніколи не було. Кому цікаво, як його видобувають, може подивитися.

Ну, а якщо не буде?

Якщо тритій не вдасться виробляти у більших кількостях, ніж це потрібно самій станції? Якщо обсяг виробітку буде дуже малий?Термоядерна станція - адже це не чарівна паличка: одну побудували і все, проблему енергоспоживання вирішено. Їх треба буде багато будувати по всій планеті.

Однак, не тритієм єдиним ситі, можна замість нього використати гелій-3.

Дейтерій+гелій-3

Вкрай складна, межі можливого реакція. А все через неймовірно високі температури плазми, яких потрібно досягти. Але хто сказав, що буде легко?

На виході, при з'єднанні атомів дейтерію та Гелію 3 виходить гелій 4, протон і 18,4 МеВ.

Питання із дейтерієм ми розібрали. А ось із Гелієм 3 проблеми.У природі він знаходиться в мантії, він там ще від землі завалявся. В атмосферу потрапляє через вулкани та всякі розлами.З мантії ми добувати поки що нічого не вміємо, а в атмосфері Гелія 3 настільки мало, що це згубне завдання.Доводиться отримувати його штучно, наприклад, під час розпаду тритію.

І тут тритій? Та ні, якби це був єдиний варіант, Гелій 3 не коштував би 65 тис. рублів за літр.Є ще варіант бомбардувати літій альфа-частинками.

Але в будь-якому випадку справа досить затратна і складна, і це йдеться про кілограми, не кажучи вже про промислове виробництво.

Де взяти Гелій-3?

Наші зараз запускають супутник для картографування місячної поверхні.

Будується космічний корабель для польоту на орбіту Землі. Цим займаються багато хто - і ми в тому числі. Але наші інженери, хоч і відстають за термінами запуску випробувань, проте планують відправляти корабель подалі від земної орбіти - на Місяць! Планується будівництво місячної бази.Якого рожна нам потрібно від цього шматка каменю?

Справа в тому, що в місячному ґрунті накопичено 10 мільйонів тонн Гелія-3 - т такої потрібної та корисної речовини.

А ви думали, ми на місяць заради цікавості летимо? Ми ж не марнославні американці. Вони зробили піар-компанію на польоті на Місяць, а ми зробимо Гелій-3 у промислових масштабах. У нас навіть є план.

План

До 2025 року ми відправимо до супутника Землі 4 міжпланетні станції. Їхніми завданнями буде розвідка полярного реголіту з водяним льодом, а також пошук у районі Південного полюса гарного містечка для бази.

До початку 30-х років на Місяць вирушать пілотовані експедиції без висадки на поверхню. У 30-40-х роках будуть здійснені перші посадки на поверхню Місяця та перші закладки майбутньої інфраструктури бази.

До 2050 рокубазі бути!

А там ми побачимо і перші автоматичні машини, що залишили свої сліди на місячному ґрунті. Роботи-бульдозери формуватимуть із сировини нові місячні гори, а збагачувальний комбінат працюватиме цілодобово, виробляючи Гелій-3. І лише старти міжпланетних вантажних кораблів порушуватимуть мовчазну рутинність цих робіт.

А на землі ми так само лаятимемо уряд у коментах, зовсім не замислюючись про те, який шлях проходить електрика від термоядерного реактора до нашого гаджета.

Будь-який хімічний елемент має різновиди природного чи штучного походження, які називаються ізотопами. Відмінність між ними полягає в неоднаковій кількості нейтронів в ядрах і, отже, в атомній вазі, а також у ступеня стабільності. Що ж до кількості протонів, воно однаково, завдяки чому елемент, власне, і залишається самим собою. У цій статті ми звернемося до ізотопів водню – найлегшого та найпоширенішого елемента у Всесвіті. Нам належить розглянути їх властивості, що у природі і область практичного застосування.

Скільки різновидів має водень

Відповідь це питання залежить від цього, які ізотопи водню мають на увазі.

Для цього елемента встановлено три природні ізотопні форми: протий – легкий водень, важкий дейтерій та надважкий тритій. Усі вони виявлені у природному вигляді.

Крім них, існують чотири штучно синтезовані ізотопи: квадій, пентій, гексій і септій. Характеризуються дані різновиду надзвичайною нестабільністю, час їх ядер виражається величинами порядку 10-22 – 10-23 секунд.

Таким чином, всього на сьогоднішній день у водню відомо сім ізотопних різновидів. На трьох з них, які мають практичне значення, ми зосередимо свою увагу.

Легкий водень

Це найпростіше влаштований атом. Ізотоп водню протий з атомною масою 1,0078 а. е. м. володіє ядром, до складу якого входить тільки одна частка - протон. Оскільки він стабільний (теоретично час життя протона оцінюється щонайменше ніж 2,9×1029 років), то стабільний і атом протия. При записі ядерних реакцій він позначається як 1H1 (нижній індекс – це атомний номер, тобто число протонів, верхній – загальна кількість нуклонів у ядрі), іноді просто p – «протон».

Легкий ізотоп - це майже 99,99% водню; Тільки трохи більше однієї сотої відсотка посідає інші форми. Саме протий робить вирішальний внесок у поширеність водню в природі: у Всесвіті в цілому – близько 75 % маси баріонної речовини і приблизно 90 % атомів; Землі – 1 % маси і 17 % атомів всіх елементів, які входять до складу нашої планети. Взагалі, протий (точніше сказати, протон як один із головних компонентів Всесвіту) сміливо можна назвати найважливішим елементом. Він забезпечує можливість термоядерного синтезу в надрах зірок, у тому числі Сонця, і за рахунок нього утворюються інші елементи. Крім того, легкий водень відіграє важливу роль у побудові та функціонуванні живої речовини.

У молекулярній формі водень вступає у хімічні взаємодії за високих температур, оскільки для розщеплення його досить міцної молекули потрібно багато енергії. Атомарний водень має дуже високу хімічну активність.

Дейтерій

Тяжкий ізотоп водню має складніше влаштоване ядро, що складається з протона і нейтрона. Відповідно атомна маса дейтерію вдвічі більша – 2,0141. Прийняте позначення - 2H1 або D. Ця ізотопна форма також стабільна, так як у процесах сильної взаємодії в ядрі протон і нейтрон постійно перетворюються один на одного, і останній не встигає розпаду.

На Землі водень містить від 0,011 до 0,016% дейтерію. Концентрація його різна залежно від середовища: у морській воді цього ізотопу більше, а у складі, наприклад, природного газу – значно менше. На інших тілах Сонячної системи ставлення дейтерію до легкого водню може бути іншим: так, лід деяких комет містить більшу кількість важкого ізотопу.

Дейтерій плавиться при 18,6 До (легкий водень – при 14 До), а кипить при 23,6 До (відповідна точка протию – 20,3 До). Важкий водень виявляє, загалом, самі хімічні властивості, як і протий, утворюючи всі характерні цього елемента типи сполук, проте йому притаманні деякі особливості, пов'язані з серйозною різницею в атомній масі – адже дейтерій важче вдвічі. Слід зазначити, що з цієї причини ізотопним формам водню властиві найбільші хімічні відмінності із всіх елементів. У цілому нині для дейтерію характерні нижчі (в 5 – 10 разів) швидкості перебігу реакцій.

Роль дейтерію у природі

Ядра важкого водню беруть участь у проміжних стадіях термоядерного циклу. Сонце світить завдяки цьому процесу, одному з етапів якого утворюється ізотоп водню дейтерій, зливаючись із протоном, народжує гелій-3.

Вода, до складу якої входить, крім протию, один атом дейтерію, називається напівважкою і має формулу HDO. У молекулі важкої води D2O дейтерій повністю замінює легкий водень.

Тяжка вода характеризується уповільненим перебігом хімічних реакцій, внаслідок чого у великих концентраціях вона шкідлива для живих організмів, особливо вищих, таких як ссавці і в тому числі людина. Якщо у складі води чверть водню заміщена дейтерієм, тривале вживання її загрожує розвитком безпліддя, анемії та інших захворювань. При заміщенні 50% водню ссавці гинуть за тиждень вживання такої води. Що стосується короткочасних підвищення концентрації важкого водню у воді, вона практично нешкідлива.

Як отримують важкий водень

Найзручніше отримувати цей ізотоп у складі води. Є кілька способів збагачення води дейтерієм:

• Ректифікація – процес поділу сумішей на компоненти, що киплять за різної температури. Поділ досягається через багаторазове випаровування та конденсацію суміші ізотопів у рідкому водні або воді на спеціальному устаткуванні – ректифікаційних колонах, у яких потоки газоподібної та рідкої фаз йдуть у зустрічних напрямках.
• Електролітичний поділ. Метод заснований на тому, що при електролізі води від її молекул активніше відщеплюється легкий ізотоп. Електроліз проводять у кілька етапів.
• Іонний ізотопний обмін, у якому відбувається взаємне заміщення іонів різних ізотопів у складі реагентів. В даний час цей спосіб з використанням води та сірководню як реагуючі компоненти є найбільш ефективним і економічним.

Тритій

Надважкий ізотоп водню, в ядрі якого є протон і два нейтрони, має атомну масу 3,016 - приблизно втричі більше, ніж у протию. Тритій позначається символом Т чи 3H1. Він плавиться і кипить за ще більш високих температур: 20,6 К і 25 К відповідно.

Це радіоактивний нестабільний ізотоп із періодом напіврозпаду 12,32 року. Утворюється він за бомбардування ядер атмосферних газів, наприклад, азоту, частинками космічних променів. Розпад ізотопу відбувається з випромінюванням електрона (так званий бета-розпад), при цьому один нейтрон в ядрі перетворюється на протон, а хімічний елемент підвищує атомний номер на одиницю, стаючи гелієм-3. У природі тритій є у слідових кількостях – його дуже мало.

Надважкий водень утворюється у важководних ядерних реакторах під час захоплення дейтерієм повільних (теплових) нейтронів. Частина його доступна для вилучення і є джерелом тритію. Крім того, його одержують як продукт розпаду літію при опроміненні останнього тепловими нейтронами.

Тритій характеризується малою енергією розпаду і становить деяку радіаційну небезпеку лише у випадках, коли потрапляє всередину організму з повітрям чи їжею. Для захисту шкірних покривів від бета-випромінювання достатньо гумових рукавичок.

Застосування ізотопів водню

Легкий водень використовується в багатьох галузях: у хімічній промисловості, де з його допомогою ведеться виробництво аміаку, метанолу, соляної кислоти та інших речовин, у нафтопереробці та металургії, де він необхідний для відновлення тугоплавких металів з оксидів. Також він застосовується на деяких стадіях виробничого циклу (у виробництві твердих жирів) у харчовій та косметичній промисловості. Водень служить одним із видів ракетного палива і використовується в лабораторній практиці в науці та на виробництві.

Дейтерій незамінний в ядерній енергетиці як чудовий сповільнювач нейтронів. Він застосовується в цій якості, а також теплоносій у важководних реакторах, що дозволяють використовувати природний уран, що знижує витрати на збагачення. Він також поряд з тритієм є компонентом робочої суміші в термоядерній зброї.

Хімічні властивості важкого водню дозволяють використовувати його у виробництві медичних препаратів з метою уповільнення виведення їх із організму. І, нарешті, дейтерій (як і тритій) має перспективи як паливо в термоядерній енергетиці.

Отже, бачимо, що це ізотопи водню так чи інакше «знаходяться при справі» як і традиційних, і у високотехнологічних, мають приціл у майбутнє галузях техніки, технології та наукових досліджень про.

При поділі важких ядер у реакторі виділяється енергія. Де джерело цієї енергії? Чому вона звільняється у той момент, коли ядро ​​розколюється на дві частини?

Ядро урану-235 складається з 92 протонів та 143 нейтронів. Це не проста механічна суміш елементарних частинок, подібно, скажімо, суміші залізної тирси і порошку сірки. Частинки, що становлять ядро ​​атома, дуже міцно пов'язані один з одним так званими ядерними силами. Цей зв'язок частинок в ядрі в багато мільйонів разів міцніший, ніж зв'язок між атомами в молекулі будь-якої хімічної сполуки. Прожарите ті ж залізні тирсу, змішані з сіркою, вийде хімічна сполука - сірчисте залізо. Щоб зруйнувати всі молекули сірчистого заліза до атомів заліза та сірки, що містяться в одному грамі, потрібна енергія в кількості приблизно однієї великої калорії. А щоб зруйнувати до елементарних частинок усі ядра, що перебувають у шматочку урану вагою один грам, знадобилася б енергія близько 170 мільйонів великих калорій. Така кількість енергії виділяється при спалюванні майже 20 тонн бензину.

Нейтрони та протони в ядрах різних хімічних елементів пов'язані один з одним по-різному: в одних міцніше, в інших – слабше. При розподілі ядра урану, як говорилося, утворюються два «уламки», що є ядра атомів середини періодичної таблиці елементів Менделєєва, наприклад ядра атомів барію і криптона. Протони і нейтрони в цих ядрах пов'язані між собою міцніше, ніж вони були пов'язані в ядрах урану або інших важких елементах кінця таблиці Менделєєва. Для руйнування одного ядра барію та одного ядра криптону до елементарних частинок (на протони та нейтрони) знадобилося б енергії на десять відсотків більше, ніж для руйнування одного ядра урану.

Якщо для розщеплення ядра на окремі елементарні частинки необхідна певна енергія, то при утворенні ядер з цих частинок, згідно із законом збереження енергії, повинна виділятися така ж енергія.

Розчленований подумки процес розподілу ядра урану на дві стадії. Перша стадія - руйнація ядра урану на протони та нейтрони; при цьому витрачається енергія у кількості 170 мільйонів великих калорій на один грам чистого урану. Друга стадія - утворення ядер барію та криптону з елементарних частинок, що утворилися при руйнуванні ядер урану. Цей процес супроводжується виділенням енергії у кількості вже близько 190 мільйонів великих калорій. У результаті проведення обох стадій реакції виходить виграш енергії 20 мільйонів великих калорій. Для отримання такої кількості енергії треба спалити приблизно дві тонни бензину. Таким чином, «теплотворна здатність» у урану при його розподілі виявляється у два мільйони разів вищою, ніж при горінні бензину.

Пояснимо наші міркування наступним прикладом. Припустимо, ви стоїте на схилі гори і з колодязя завглибшки два метри черпаєте воду. На підняття кожного кілограма води ви витрачаєте роботу у два кілограм-метри. Потім ви цю воду ллєте жолобом на колесо турбіни, розташованої на п'ять метрів нижче. Якщо знехтувати всілякі втрати енергії, то турбіна зробить роботу, рівну вже п'яти кілограм-метрам. В результаті ми отримуємо роботи на три кілограм-метри більше, ніж витрачаємо.

При розподілі ядер важких елементів де вони розпадаються до окремих елементарних частинок, вони лише розколюються дві частини - осколки. Усередині отриманих уламків миттєво відбувається перегрупування елементарних частинок; вони щільніше «упаковуються», і це супроводжується виділенням енергії, причому виділяється енергії більше, ніж її витрачається на руйнація важкого ядра.

Розрахунки показують, що з розподілі важких ядер виділяється лише частина енергії, запасеної в ядрі. Значно більше енергії виходить, якщо ті самі ядра барію і криптону синтезувати (складати) безпосередньо з протонів і нейтронів. Тоді не доведеться витрачати енергію 170 мільйонів великих калорій на руйнування важких ядер. У прикладі з водою це відповідало б тому, що не треба витягувати її з колодязя нагору, а користуватися басейном, вода в якому знаходиться на рівні верхнього краю ринви.

Але для синтезу атомних ядер із нейтронів і протонів необхідно насамперед мати у своєму розпорядженні ці елементарні частинки. У готовому вигляді у природі їх немає. Їх можна отримати лише штучним шляхом. Однак виділені у вільному стані нейтрони і протони не можна запасати про запас. Протони - це атоми протию, позбавлені єдиного електрона, за звичайних умов вони довго існувати що неспроможні. Протони знайдуть собі втрачені електрони і знову перетворяться на електрично нейтральні атоми протию.

Нейтрони легко проникають усередину ядер атомів та захоплюються ними. Крім того, нейтрони радіоактивні. Тривалість життя нейтронів у вільному стані – лічені хвилини. Якщо нейтрону вдалося уникнути захоплення ядром, він мимоволі перетворюється на протон і електрон. Звідки за радіоактивного перетворення нейтрону з'явився електрон? Справа в тому, що і нейтрон і протон по суті одна і та ж елементарна частка, тільки вона знаходиться в різних енергетичних станах. Щоб підкреслити спільність цих частинок, коли вони становлять у сукупності якесь ядро ​​атома, їх навіть називають одним ім'ям - нуклони. Так і кажуть, наприклад, ядро ​​ізотопу хлор-35 складається з 35 нуклонів, не поділяючи їх на протони та нейтрони. Процес переходу нейтрону в протон, це - мимовільний перехід з вищого енергетичного рівня нижчий; при цьому і народжується електрон. Мимовільний перехід протона в нейтрон неможливий, це відповідало б переходу з низького рівня енергії на більш високий, що суперечить закону збереження енергії. Камінь, що лежить на землі, ніколи сам собою, без втручання зовнішньої сили, не підніметься нагору. Якщо ж протону повідомити ззовні необхідну кількість енергії, він може перетворитися на нейтрон, причому цей акт супроводжується появою частинки, подібної до електрона, але позитивно зарядженої. Її називають, як ми знаємо, позитрон. Ось так і виходить, що хоча в нейтронах немає електронів, а в протонах - позитронів, але при взаємному їх перетворенні частки ці виділяються.

Отже, якщо вдається отримати у вільному вигляді нейтрони і протони, їх необхідно відразу ж пустити для синтезу атомних ядер.

Руйнування важких ядер типу урану на елементарні частки (нуклони) пов'язані з витратою великої кількості енергії. А чи немає в природі таких ядер, у яких протони та нейтрони пов'язані не так міцно між собою, як у ядрі урану? Якщо такі ядра є, то перша уявна стадія реакції - руйнування ядра - зажадала б меншої витрати енергії. Повертаючись, наприклад, з колодязем і жолобом, треба шукати по можливості дрібну криницю.

Тут і виходить на сцену водень зі своїми важкими ізотопами і тепер уже не одним, а двома.

Яку роль грав дейтерій у роботі ядерного реактора? Його роль була допоміжна – уповільнювати швидкі нейтрони до теплових швидкостей. Прямої участі у вивільненні ядерної енергії він не брав. У багатьох реакторах, як ви вже знаєте, як сповільнювачі нейтронів успішно використовуються вуглець у вигляді графітових блоків, або звичайна вода. Є реактори зовсім без сповільнювача - це реактори, що працюють на швидких нейтронах. У процесах, з якими ми тепер познайомимося, ізотопи водню мають вирішальне значення у звільненні ядерної енергії.

Крім важкого ізотопу водню – дейтерію, є ще надважкий ізотоп – тритій; його позначають буквою Т. У ядро ​​тритію, крім протона, входить не один нейтрон, як у дейтерію, а два (рис. 13). На відміну від дейтерію

(білими кружками позначені протони, чорними - нейтрони, що становлять ядра).

Половина всіх наявних атомів тритію розпадається за 12,2 року. Цей термін не великий, але цілком достатній, щоб завжди мати тритій у запасі в потрібній кількості.

Тритій є складніше влаштованим ізотопом водню. За своїми властивостями він відрізняється від протию сильніше, ніж дейтерій.

Як і перші два ізотопи, тритій може бути сконденсований в рідину. Температура кипіння рідкого тритію вже на 4,65 градуса вище за температуру кипіння протию. Теплота випаровування в нього ще вища, ніж у дейтерію. При з'єднанні тритію з киснем утворюється вода, яку називають тритієвою або надважкою водою. Подібно до дейтерію тритій у поєднанні з протаєм, дейтерієм та ізотопами кисню дає воду різного ізотопного складу. До дев'яти різновидів води, які дав дейтерій, тепер додається стільки ж нових, до складу молекул яких входять атоми тритію. Формули цих молекул можна записати так:

ТПВ16, ТОВ17 і ТОВ18.

Розмірковуючи так само, як і у разі поділу ядер урану (див. стор. 50), подумки розчленуємо процес на дві стадії: перша-руйнування ядер дейтерію і тритію до окремих нуклонів, друга - синтез з них ядер гелію. Нейтрони та протони пов'язані між собою в ядрах дейтерію та тритію значно менш міцно, ніж у ядрах гелію. Тому на руйнування ядер двох ізотопів водню сумарно витрачається менше енергії, ніж виділяється при синтезі одного ядра гелію з отриманих елементарних частинок. Розрахунок показує, що при утворенні лише одного грама атомів ізотопу гелію-4 з ядер дейтерію і тритію вивільняється енергії близько ста мільйонів великих калорій. Це у п'ять разів більше енергії, що виділяється при розподілі одного грама урану під дією нейтронів.

Щоб здійснити реакцію синтезу ядер гелію, треба призвести до зіткнення ядра дейтерію та тритію один з одним. У цьому полягає основна складність у проведенні реакції синтезу ядер гелію. Адже обидва ядра, що зіштовхуються, позитивно заряджені, а електрично, однойменно заряджені тіла відштовхуються один від одного. Для подолання електричних сил відштовхування треба до ядра при
класти великі сили. Як це зробити? Мабуть, треба повідомити ядра таку енергію руху, якої вистачило б на подолання сил відштовхування, що діють між ними.

Середня швидкість безладного руху частинок, отже, та його енергія визначаються температурою. Що температура тіла, то більше вписувалося середня енергія частинок, то швидше вони рухаються. Отже, треба наші ізотопи нагріти і нагріти до дуже високої температури, близько мільйона градусів і навіть вище. Тільки за таких температур енергія частинок буде достатньою для подолання електричних сил відштовхування між ядрами. Якщо згадати, що навіть на поверхні Сонця температура становить лише 6000 градусів, то труднощі нагрівання тіл до мільйона градусів стає очевидним. Єдине відоме в наш час джерело, за допомогою якого можна досягти таких температур, це вибух атомної бомби, тобто ланцюговий процес розподілу ядер урану або плутонію. У зоні такого вибуху дейтерій і тритій існуватимуть у формі плазми - середовища, яке складається з «голих» атомних ядер, позбавлених електронних оболонок. У таких умовах ядра ізотопів водню отримують можливість при зустрічі з'єднуватись у ядра гелію, здійснюється так звана термоядерна реакція. Такий або подібний до нього процес і відбувається при вибуху водневої бомби.

Щоб використовувати енергію, що виділяється при термоядерних реакціях, для мирних цілей необхідно навчитися керувати такими реакціями. Вирішенням цього дуже важкого завдання зайняті тепер вчені багатьох країн світу. Великі дослідження у цьому напрямі проводяться у нас, у Радянському Союзі. Вдале вирішення цього завдання зніме з людства турботу про пошуки нових джерел енергії та призведе до небаченого розквіту науки та техніки.

Всього два з половиною десятиліття відокремлюють нас від моменту відкриття важкої води і того часу, коли вона виходила в кількостях, що уміщаються на дні маленької пробірки. За цей короткий час важка вода виборола собі міцне місце в ядерній енергетиці. Вона виявилася найкращим сповільнювачем для атомних реакторів, робота

Ті, що йдуть на теплових нейтронах. Однак це ще не найголовніше. Основного значення важка вода набуває при здійсненні термоядерних реакцій. Для цих реакцій насамперед необхідно мати у достатній кількості сировину, тобто дейтерій та тритій. Атоми дейтерію є складовою молекул важкої води. Атоми тритію можна отримати, як ми бачили, з атомів дейтерію. Отже, важка вода - ось те джерело, яке постачає необхідні елементи реалізації реакції синтезу ядер гелію. Тому тепер отримання важкої води у багатьох країнах світу ведеться у великих заводських масштабах.

Чи відомі вам установки для приготування талої води, які на 100 відс. нейтралізують (чи ближче до цього) змісту дейтерії та тритій? Ще мене зацікавила установка Муратова, на жаль його координати на сайті у вас не вказані.

З ув.Сергій

Здрастуйте, Сергію!

Таких технологій глибокого 100% очищення води від дейтерію і тритію поки не існують. Існуючі технології очищення води від важких ізотопів дозволяють очистити її на 70-90% від дейтерію та тритію. p align="justify"> Сама звичайна питна вода тільки на 99,7% складається з легкої води, молекули якої утворені легкими атомами водню і кисню. У вигляді домішки в будь-якій природній воді є і важка вода, яка в чистому вигляді є отрутою для всього живого.

Тяжка вода(оксид дейтерію) - має ту ж хімічну формулу, що і звичайна вода, але замість атомів водню містить два важкі ізотопи водню - атоми дейтерію. Формула важководневої води зазвичай записується як: D 2 O або 2 H 2 O. Зовні важка вода виглядає як звичайна - безбарвна рідина без смаку та запаху, а ось за своїми фізико-хімічними властивостями та негативним впливом на організм важка вода сильно відрізняється від легкої води .

Легка вода- Це вода, очищена від важкої води. Ізотоп водню, дейтерій, що відрізняється наявністю в ядрі «зайвого» нейтрону, може утворювати молекулу води з киснем. Така вода, у молекулі якої атом водню заміщений атомом дейтерію, називається важкою. Зміст дейтерію у різних природних водах дуже нерівномірний. Воно може змінюватися від 0,03% (щодо загальної кількості атомів водню) – це вода з Антарктичного льоду, найлегша природна вода – в ній дейтерію в 1,5 рази менше, ніж у морській воді. Тала снігова та льодовикова води у горах та деяких інших регіонах Землі також містять менше важкої води, ніж та, яку ми зазвичай п'ємо.

У тонні річкової води міститься 15 г важкої води із розрахунку 0,015%. За 70 років споживання 3 л питної води на день через організм людини пройде близько 80 тонн води, що містить 10-12 кг дейтерію і значна кількість ізотопів водню, що корелює з ним, - тритію 3 Н і кисню 18 О.

Тритій– бета-радіоактивний елемент із періодом напіврозпаду 12,26 років. Він утворюється під дією жорсткого радіо та нейтронного випромінювання в реакторах. У земних умовах тритій зароджується у високих прошарках атмосфери, де йдуть природні ядерні реакції. Він є одним із продуктів бомбардування атомів азоту нейтронами космічного випромінювання. Щохвилини на кожен квадратний сантиметр земної поверхні падають 8-9 атомів тритію.

У невеликих кількостях надважка (тритієва) вода потрапляє Землю у складі опадів. У всій гідросфері одночасно налічується лише близько 20 кг Т20.

Тритієва водарозподілена нерівномірно: у материкових водоймах її більше, ніж у океанах; у полярних океанських водах її більше, ніж у екваторіальних. За своїми властивостями надважка вода помітніше відрізняється від звичайної: кипить при 104°С, замерзає при 4...9°С, має щільність 1,33 г/см 3 .

Список ізотопів водню не закінчується тритієм. Штучно отримані і важчі ізотопи 4 H і 5 H, також радіоактивні.

Н 2 6 O, Н 2 17 O, Н 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 O.

Таким чином, можливе існування молекул води, які містять будь-які з п'яти водневих ізотопів у будь-якому поєднанні.

Цим не вичерпується складність ізотопного складу води. Існують також ізотопи кисню. У періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва значиться всім відомий кисень 16 O. Існують ще два природні ізотопи кисню - 17 O і 18 O. У природних водах в середньому на кожні 10 тисяч атомів ізотопу 16 O припадає 4 атоми ізотопу 17 O і 20 атомів ізотопу 18 O.

За фізичними властивостями важкокиснева вода 1 Н 2 18 Про менше відрізняється від звичайної, ніж важководнева. Вона міститься у звичайній питній воді у значно більшій концентрації, ніж важка вода – приблизно 0,1%. Отримують її в основному перегонкою природної води і використовують для ізотопних досліджень обміну речовин.

Крім природних, існують і шість штучно створених ізотопів кисню. Як і штучні ізотопи водню, вони недовговічні та радіоактивні. З них: 13 O, 14 O та 15 O – легкі, 19 O та 20 O – важкі, а надважкий ізотоп – 24 O отриманий у 1970 році.

Існування п'яти водневих та дев'яти кисневих ізотопів говорить про те, що ізотопних різновидів води може бути 135. Найбільш поширені у природі 9 стійких різновидів води. Основну масу природної води – понад 99% – становить протиєва вода- 1 H 2 16 O. Тяжкокисневих вод набагато менше: 1 H 2 18 O - десяті частки відсотка. 1 H 2 17 O – соті частки загальної кількості природних вод. Лише мільйонні частки відсотка складає важка вода D 2 O, зате у формі 1 HDO важкої води у природних водах міститься вже помітна кількість.

Ще рідше, ніж D 2 O, зустрічаються дев'ять радіоактивних природних видів води, містять тритій.

Класичною водою слід вважати протиєву воду 1 H 2 16 O у чистому вигляді, тобто без найменших домішок решти 134 ізотопних різновидів. І хоча вміст протиєвої води в природі значно перевищує вміст решти разом узятих видів, чистої 1 H 2 16 O в природних умовах не існує. У всьому світі таку воду можна знайти лише в небагатьох спеціальних лабораторіях. Її отримують дуже складним шляхом і зберігають із найбільшими обережностями. Для отримання чистої 1 H 2 16 O ведуть дуже тонке, багатостадійне очищення природних вод або синтезують воду з вихідних елементів 1 H 2 і 16 O, які ретельно очищають від ізотопних домішок. Таку воду застосовують в експериментах та процесах, що вимагають виняткової чистоти хімічних реактивів.

Вчені вважають, що гравітаційне поле Землі - недостатньо сильне для утримання 1 Н, і наша планета поступово втрачає проти в результаті його дисоціації в міжпланетний простір. Протий випаровується швидше за важкий дейтерій. На думку деяких досліджень, протягом геологічного часу має відбуватися накопичення дейтерію в атмосфері та поверхневих водах.

На нашій планеті здійснюється гігантський випарно-конденсаційний процес отримання протиєвої води та збагачення його хмар та хмар. У горах із них на одних схилах проливається переважно дейтерована вода, на інших – вода, збагачена протиєм. В організмі тварин ізотопний склад води близький до складу дощових вод у місцях проживання. Для людини істотні корективи до цієї залежності вносять овочі та фрукти, вирощені в інших клімато-географічних умовах. Так, тропічні фрукти, вирощені близько до екватора, мають нижчі величини 2 Н і 18 О. Весь дейтерій у звичайній воді знаходиться у формі НDО, а не D 2 О. Етиловий спирт також хороший накопичувач дейтерію.

Тепер зрозуміло, чому так важливо очищати воду від важких ізотопів і, в першу чергу, від дейтерію, тритію та 18 О. Однак, ефективного очищення відпрацьованої важкої води, забрудненої тритієм та іншими важкими ізотопами до останнього часу не існувало. Тому утилізація відпрацьованої важкої води в атомній промисловості представляла серйозну екологічну проблему, яка стримує впровадження нових ефективніших типів ядерних реакторів.

Раніше на нашому сайті вже повідомлялося про методи промислового отримання води зі зниженим вмістом дейтерію методами вакуумного заморожування-випаровування та електролізу.

Така значна кількість важких і радіоактивних ізотопів водню та кисню у складі води, що є матрицею життя, вже до настання статевої зрілості людини ушкоджує його гени, викликає різні хвороби, рак, ініціює старіння організму.

Масивне пошкодження генофонду радіоактивними та важкими ізотопами водню та кисню води може спричинити вимирання видів рослин, тварин та людини. На думку багатьох вчених, людині навіть загрожує вимирання, якщо вона не перейде на вживання легкої води, збідненої радіоактивними та важкими ізотопами 18 О і 2 Н. Саме тому на початку XXI століття серед вчених пролунали голоси про повне виключення важких ізотопів дейтерію 2 Н і кисню 18 Про споживаної питної води.

Видалення важких ізотопів дейтерію та кисню зі звичайної питної води – завдання непросте. Вона досягається різними фізико-хімічними методами – ізотопним обміном, електролізом, вакуумним заморожуванням з подальшим відтаванням, ректифікацією, центрифугуванням. Про ці методи неодноразово йшлося на нашому сайті.

Перша промислова установка для виробництва легкої води зі зниженим на 30-35% вмістом дейтерію та тритію була створена українськими вченими Г. Д. Бердишевим та І.М. Варнавським спільно з інститутом експериментальної патології, онкології та радіобіології ім. Р. Кавецького РАН України. У цій унікальній установці передбачено отримання з вихідної води льоду шляхом заморожування холодної пари, витягнутої з вихідної води, з подальшим плавленням цього льоду в середовищі інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання, мікронасичення талої води спеціальними газами та мінералами.

Дослідники встановили, що при температурі в межах 0-1,8°С молекули води з дейтерієм та тритієм на відміну від протиєвої води знаходяться у метастабільно-твердому неактивному стані. Ця властивість лежить в основі фракційного поділу легкої та важкої води шляхом створення розрядження повітря над поверхнею води за цієї температури. Протиєва вода інтенсивно випаровується, а потім уловлюється за допомогою морозильного пристрою, перетворюючись на сніг та лід. Тяжка вода, перебуваючи в неактивному твердому стані і маючи значно менший парціальний тиск, залишається у випарній ємності вихідної води разом з розчиненими у воді солями важких металів, нафтопродуктами, миючими засобами та іншими шкідливими та отруйними речовинами.

Відома залежність тиску пари над відкритою поверхнею (дзеркалом) води від температури при нормальному тиску. Так, за 0°С тиск пари становить 4,6 мм рт.ст. З підвищенням температури води до +10 ° С тиск пари зростає до 9,2 мм рт.ст., тобто вдвічі, а при 100 ° С він відповідає 760 мм. Підрахунок показує, що зі збільшенням температури від 0 до 40°С тиск пари над дзеркалом води зростає в 10 разів, а при 100°С - в 160 разів. Інтенсивність випаровування легкої та важкої води корелюється залежно від температури та розрядження над поверхнею води. Дані, отримані в лабораторних умовах, свідчать про суттєвий вплив температури води перед її випаром на вміст дейтерію в талій воді, отриманої із холодної замороженої пари.

Відомо, що вода зі снігу або льоду зі зниженим вмістом дейтерію має біологічно активні властивості, що благотворно впливають на все живе - на рослини, тварин і людину. Біологічну активність талої води можна помітно підвищити при поєднанні певних впливів на неї, наприклад, потоком ультрафіолетових променів. У запропонованому рішенні здійснюється ультрафіолетове та інфрачервоне опромінення льоду в процесі його танення. Це дозволяє отримати талу воду за властивостями аналогічними талою водою, наприклад, при сонячному опроміненні льоду на вершинах гір.

На малюнку нижче показано зображення установки ВІН-4 "Надія" для отримання цілющої талої питної води зі зниженим вмістом дейтерію та тритію. У корпусі 1 встановлена ​​випарна ємність 2 для вихідної води із закріпленими на ній пристроєм для нагрівання 3 і пристроєм для охолодження води 4. Тут же є вентиль 5 для подачі води у випарник і вентиль для зливу відпрацьованого залишку, збагаченого важкими ізотопами водню.

Схематичне зображення установки ВІН-4 “Надія” у двох проекції: вздовж - фіг.1 та поперек - фіг.2.

У корпусі 1 є пристрій 7 для конденсації і заморожування холодної пари у вигляді набору трубчастих тонкостінних елементів, які з'єднані з насосом для прокачування через них холодоагенту. Пристрій 7 спільно з джерелами ультрафіолетового 8 і 9 інфрачервоного випромінювань розміщені над ємністю 10 для збору талої води. Внутрішня порожнина 1 корпусу патрубком 11 з'єднана з джерелом розрядження повітря, наприклад, з форвакуумним насосом типу ВН-1МГ. Крім того, корпус 1 забезпечений пристроєм 12 для подачі його внутрішню порожнину очищеного повітря або суміші спеціальних газів.

Установка ВІН-4 обладнана системою терморегулювання в порожнині випарної ємності 2 контролю заданої температури процесу випаровування вихідної оброблюваної води. У корпусі 1 є ілюмінатори для спостереження за процесами випаровування, заморожування холодної пари і танення льоду -13 і 14. Ємність 10 забезпечена вентилями 15 для зливу талої води і патрубком 16 для з'єднання з блоком формування структури та властивостей талої води 17. Блок 17 включає конічну ємність 18 з мінералами. На виході ємності 19 встановлений фільтр 20 та зливальний вентиль 21.

Принцип роботи установки такий. З водопроводу випарну ємність наповнюють 2 водою і через пристрій 4 прокачують холодоагент. При досягненні заданої температури, яка не перевищує +10°С, процес охолодження води припиняють. Герметизують корпус 1 і через патрубок П починають відкачувати повітря -створювати розрядження у внутрішньому обсязі корпусу установки. Створення розрядження супроводжується спочатку інтенсивним виділенням з усього об'єму вихідної води розчинених у ній газів та їх видалення, а потім інтенсивним пароутворенням аж до кипіння води, за яким спостерігають через ілюмінатори 13 і 14. Холодний пар, що утворюється, конденсується і намерзає на поверхні фігурних елементів мороз. Коли товщина льоду досягає наперед заданої величини, процес випаровування припиняють. Вимикають форвакуумний насос, включають джерела ультрафіолетового 8 і 9 інфрачервоного випромінювань, а через пристрій 12 вводять в порожнину корпусу 1 очищене повітря або спеціально підготовлений склад активованих газів; доводять тиск у корпусі 1 до рівня або вище атмосферного. Залишок води ємності 2, збагачений важкими ізотопами, через вентиль 6 зливають окремі ємності або виливають геть. У міру опромінення і танення льоду тала вода надходить у ємність 10, потім блок 17 формування структури і властивостей талої води. Проходячи через мінерали внутрішньої 18 і зовнішньої 19 конічних ємностей і далі через фільтр 20, тала вода завершує свій шлях, набуваючи особливих цілющих і цілющих властивостей.

Аналогічний пристрій з отримання біологічно питної активної води зі зниженим вмістом дейтерію сконструювали в 2000 російські вчені Синяк Ю.Є.; Гайдадимов В.Б. та Григор'єв А.І. з Інституту медико-біологічних проблем Конденсат атмосферної вологи або дистилят розкладають в електролізер з твердим іонообмінним електролітом. Отримані електролізні гази перетворюють воду та конденсують. Електроліз здійснюють при температурі 60-80 o С. Електролізний водень піддають ізотопного обміну з парами води у водні на каталізаторі на носії з активного вугілля, що містить 4-10% фторопласту та 2-4% паладію або платини. З отриманих електролізних водню і кисню видаляють пари води пропусканням їх через іонообмінні мембрани, перетворюють очищені від дейтерію електролізні гази у воду, проводять доочищення останньої та подальшу її мінералізацію контактом з кальцій-магнійвмісними карбонатними матеріалами, переважно доломітом.

У реакторі ізотопного обміну D 2 /H 2 O використовують активне вугілля ПАУ-СВ, промотований 2-4% паладію і 4-10% фторопласту при температурі електролізу. Через каталізатор пропускають електролізний водень, ізотопний обмін D 2 /H 2 O відбувається з парами води, що знаходяться у водні, що утворюються при температурі проведення електролізу (60-80 o З). Це дозволяє підвищити рівень ізотопного обміну D 2 /H 2 O, який підвищується при зниженні температури ізотопного обміну та виключити додаткові витрати енергії на пароутворення води.

Пристрій містить електролізер з твердим іонообмінним електролітом, затиснутим між пористим анодом та катодом, перетворювач електролізних газів у воду, конденсатор останніх та збірник бездейтерієвої води. Крім того, пристрій додатково забезпечений осушувачем кисню, реактором ізотопного обміну D 2 /H 2 O та кондиціонером для води. Зовнішні стінки реактора та осушувача утворені з іонообмінних мембран, крім того, осушувач кисню містить іонообмінний катіоніт, а кондиціонер для води утворений з фільтру із затиснутими змішаними шарами іонообмінних матеріалів, адсорбенту та мінералізатора, що містить гранульовані кальцій-магній карбонат. При цьому виходить питна вода, глибоко збіднена дейтерієм, що має велику біологічну активність.

Працює ця сконструйована російськими вченими установка так. Очищений конденсат атмосферної вологи або дистилят надходить в анодну камеру електролізера з твердим іонообмінним електролітом, де здійснюють процес електролізу при температурі 60-80 o С. Утворені в результаті електролізу збіднені дейтерієм кисень і водень з парами води дають зовнішні бічні стінки яких утворені з іонообмінних мембран. Гідратна вода іонів водню переносилася через твердий катіонообмінний електроліт і під тиском вона надходить до збірки католіту. У каталітичному реакторі ізотопного обміну, заповненим активним вугіллям, що містить 4-10% фторопласту і 2-4% паладію або платини по масі, проходить реакція ізотопного обміну D 2 /H 2 O.

Після ізотопного обміну водень осушують від водяної пари, які сорбуються і видаляються через іонообмінники реактора, розміщені на його зовнішніх бічних стінках. Осушені гази надходять у перетворювач електролізних газів, каталітичний пальник. Полум'я факела направляють у конденсатор, що охолоджується в протоці водопровідною водою, де пари води конденсуються і надходять до кондиціонера для доочищення на сорбційному фільтрі. Потім вода надходить до збірки води, збідненої дейтерієм. Охолодження пристрою та робота іонообмінних мембран з осушування електролізних газів від пар води здійснюють вентилятором.

Конденсована біологічно активна вода зі зниженим вмістом дейтерію піддавалася сорбційної доочищення на фільтрі зі змішаним шаром іонообмінних матеріалів (іонітів) та адсорбентом - активним вугіллям. Як іоніти використовували катіоніт КУ-13 Пч і аніоніт АВ-17-1. При сорбційному доочищенні води підтримували постійну об'ємну швидкість фільтрування, що дорівнює 1 об'єму сорбційного фільтра на годину. Після сорбційного доочищення вода мінералізувалася на доломіті. Результат очищення в табл.1 та 2.

Продуктивність установки по воді зі зниженими концентраціями дейтерію становить 50 мл на годину. В умовах невагомості на космічному кораблі доцільно перетворення електролізних газів у воду проводити в паливному елементі, що виключає процеси газорідинної сепарації та дозволяє повертати енергію, що утворюється в паливному елементі, в систему енергопостачання корабля.

продовження - на наступній сторінці

На малюнку нижче схематично показано пристрій для одержання біологічно активної питної води зі зниженим вмістом дейтерію з конденсату атмосферної вологи або дистиляту. Пристрій містить ємність 1 з конденсатом атмосферної вологи або дистилятом, яка з'єднана з анодною 2 камерою електролізера з іонообмінним електролітом. Електролізер містить пористі електроди (анод 2 та катод 3) з титану, покриті платиною. Утворюються в результаті електролізу кисень і водень з парами води через пористі електроди надходять у осушувач кисню 4 і реактор ізотопного обміну 5. Осушувач кисню 4 заповнений іонообмінним катіонітом. Зовнішні стінки осушувача 4 утворені з іонообмінних мембран 6. Надходить кисень піддається осушуванню за рахунок сорбції іонообмінним наповнювачем (катіонітом) і випаровування парів води через іонообмінні мембрани 6. Осушені гази надходять у газовий пальник 9. Далі па0 в кондиціонер 11 для доочищення та мінералізації, після чого вода надходить у збірник води, збідненої дейтерієм 12. Охолодження апарату та робота осушувачів електролізних газів від води здійснювалося вентилятором 7.

Проведені дослідження біологічної активності бездейтерієвої води на вищих рослинах і тваринах показали, що бездейтерієва вода за одноступінчастою схемою переробки має позитивно біологічну активність:

Відзначено зростання кількості біомаси та насіння при культивуванні арабідопсису та брасики протягом повного циклу онтогенезу з використанням досліджуваних зразків води із зміненим ізотопним складом. Насіннєва продукція зростала при цьому у 2-6 разів;

Знайдено, що вміст перепелів з 6-добового віку та до статевозрілості на бездейтерієвій воді призводить до прискореного розвитку статевих органів (за розмірами та вагою) та випередження процесу сперматогенезу.

Три роки вчені досліджували цю воду. Перші досліди проводили на лінійних мишах з щепленою карциномою легень Льюїса. Реліктова вода затримувала розвиток ракового процесу та підвищує резистентність тварин. Досліди проводили на 75 мишах у віці 3-3,5 місяці, які були розбиті на п'ять груп по 15 особин у кожній, відповідно до виду досліджуваної води.

На особливу увагу заслуговують два показники: затримка метастазування і втрата ваги тварин за час експерименту. Потужна стимулююча дія реліктової води на імунну систему тварин призвела до затримки розвитку метастазів на 40% (!) у порівнянні з контрольною групою, а втрата маси у тварин, які пили реліктову воду, до кінця досвіду була вдвічі меншою.

Потім дослідники з'ясовували механізми дії реліктової води на організм тварин – на дихання та окисне фосфорилювання мітохондрій печінки мишей, а також на зміну складу периферичної крові. Через чотири тижні після початку експерименту приріст числа еритроцитів в одному мілілітрі крові у мишей, які пили реліктову воду, становив 657 000 клітин, показник вмісту гемоглобіну зріс на 1,54 г%. Було відзначено також чіткий позитивний вплив води на показники кисневого насичення тканин печінки: збільшення рО2 становило 15%, у 1,3 рази збільшився дихальний потенціал. Про корисну дію реліктової води на здоров'я мишей свідчила їхня підвищена резистентність і збільшення ваги порівняно з контролем. Щоб переконатися в сприятливій дії реліктової води на все живе, потрібно ще зазнати її впливу на ріст і розвиток рослин. У результаті досліджень, проведених в Інституті кукурудзи УААЕ, встановлено: стимулюючу дію реліктової води на проростки пшениці, льону, кукурудзи порівняно з дією таких стимуляторів росту рослин, як фумар і фумаран, на проростки соняшнику реліктова вода має більш виражену стимулюючу дію.

Дослідження біологічної активності реліктової води з різним вмістом дейтерію, отриманої на установці ВІН-7 «Надія», на активність сперматозоїдів, було проведено у 1998 році в Інституті екогігієни та токсикології ім. Л.Медведя МОЗ України. У пробах реліктової води з установки ВНН-7 «Надія» сперматозоїди довше зберігають свою функціональну активність, і вона підвищується зі зниженням вмісту дейтерію у воді. Якщо взяти до уваги загальновідомий факт у тому, що відтворення життя пов'язані з потенціалом життєдіяльності статевих клітин, стане ясно значення реліктової води майбутніх поколінь.

Медико-біологічні властивості реліктової води у 1995 р. досліджувалися на кафедрі загальної та молекулярної генетики Київського національного університету ім. Т. Шевченка. Дрозофіла є загальновизнаним у світовій науці живим модельним об'єктом для різноманітних біологічних та медичних експериментів. Передбачалося дослідити дію трьох видів води на весь цикл зародження та розвитку Drosophila melanogaster лінії Oregon – на яйцекладку, вихід личинок з яйця, лялечок з личинки та дорослих особин (імаго) з лялечок.

Вперше були виявлені геропротекторні (омолоджуючі), радіозахисні та антимутагенні ефекти впливу реліктової води зі зниженим вмістом дейтерію на 5 % на дрозофілу у процесі її розвитку.

Отримавши позитивні результати дослідів на дрозофілі, вчені продовжили дослідження теплокровних тварин. Цьому також сприяла зацікавленість фахівців із життєзабезпечення космонавтів (Інститут медико-біологічних проблем, м. Москва), які передали для порівняльного дослідження зразки води зі зниженим (на 60%) вмістом дейтерію.

У 1998 році було проведено дослідження дії води зі зниженим вмістом дейтерію, отриманої за електролізною технологією в Інституті медико-біологічних проблем, та води, отриманої за вакуумною технологією на установці ВІН-7 «Надія», на імунну систему морських свинок.

Чи передбачалося визначити, яка вода має більш високу біологічну активність, яка благотворно впливає на імунну систему - електролізна, очищена від дейтерію на 60%, чи реліктова вода з «Надії» зі зниженою концентрацією дейтерію всього на 9%?

При електролізному процесі у води зі зниженим на 60% вмістом дейтерію зберігаються негативні властивості дистильованої води (відсутність мінералізації, підвищений вміст розчинених газів, невпорядкована молекулярна структура води). Вона є лише вихідним матеріалом отримання питної води космонавтів.

Перевагою електролізного процесу є потенційно можливе видалення дейтерію (до 90%), тому вона використовується для експериментів на тваринах та рослинах.

При вакуумній технології виробництва води зі зниженим вмістом дейтерію отримують мікромінералізовану питну воду зі зниженим вмістом розчинених у ній газів та з упорядкованою льодоподібною структурою.

Для досвіду вчені взяли 12 статевозрілих морських свинок. До культури лімфоцитів контрольної 1 групи додавали воду, близьку за своїми властивостями до фізіологічного розчину. До лімфоцитів 2 групи додавали електролізну воду. У третій групі використали реліктову воду з установки ВІН-7 «Надія». Четверту групу складала важка вода із підвищеним вмістом дейтерію на 40%.

Оцінку імунного стану тварин проводили за чотирма тестами, прийнятими у світовій імунології: Е-РОК – виявляє здатність пов'язувати чужорідні клітини; ФГ-НГ – характеризує здатність нейтрофільних гранулоцитів (НГ) до фагоцитозу (ФГ); ФГ – МФ – визначає здатність макрофагів (МФ) до фагоцитозу; четвертий тест представляє кілерну активність Т-лімфоцитів, їхню здатність вбивати всі змінені в результаті мутації клітини організму.

Було відзначено значний імуностимулюючий ефект, який справила реліктова вода з встановлення ВІН-7 «Надія» (№3). Незважаючи на 9-відсотковий рівень зниження дейтерію, вона показала найбільшу стимулюючу дію на імунну систему морських свинок, перевершивши за всіма показниками електролізну воду (№2) зі зниженим вмістом дейтерію на 60%. Тяжка вода справила сильний пригнічуючий вплив на імунітет тварин.

Як впливає вода зі зниженим вмістом дейтерію на тварин? Відповідь на це запитання дав академік України В.І. Бадьїн. Він провів вимірювання динаміки зниження вмісту дейтерію в організмі 4-х місячних телят, яких напували водою зі зниженим вмістом дейтерію.

Для експерименту було відібрано три здорові теляти 4-х місячного віку. Кожен із них поміщався в окреме стійло. Перед початком експерименту у тварин були взяті проби сечі, крові та волосяні покриви. Тварин вимірювали для визначення ваги. Протягом експерименту телят годували сіном (1,5–2 кг/добу) та комбікормом (2 кг/добу). А напували їх очищеною водою з добавкою важкої води з відомим ізотопним зсувом протий/дейтерій.

Потім на другий, п'ятий та сьомий день експерименту у тварин відбирали сечу та кров, у яких визначали вміст дейтерію, а також макро мікроелементів. Щодня у телят вимірювали пульс, частоту дихання та температуру тіла. Протягом усього експерименту за телятами вели спостереження ветеринарний лікар та зоотехнік.

Було встановлено, що концентрація дейтерію в сечі тварин до початку експерименту виявилася приблизно рівною концентрації дейтерію у воді Московського регіону.

Вчені дійшли таких висновків:

Споживання тварин води, збідненої дейтерієм, призводить до зміни ізотопного складу води сечі.

Споживання тваринами очищеної води призводило до зниження концентрації кальцію в сечі.

Зареєстровано зменшення вмісту кальцію, магнію та кадмію у волосяному покриві.

Відбулося збільшення концентрації креатиніну у сечі та сироватці крові при збереженні співвідношення концентрацій кров/сеча.

Телята, що пили воду, збіднену дейтерієм, відрізнялися від звичайних телят жвавістю та високою рухливістю.

Ізотопний ефект дейтерію може активізувати чи пригнічувати біохімічні процеси в організмі. Однак, доки накопичені первинні відомості в області токсикології дейтерію, досліджувати його дію на людині дуже небезпечно. Першим кроком у практичному використанні збідненої дейтерієм води може бути застосування полегшеної води в раціоні персоналу на виробництві важкої води як профілактичний засіб.

У Росії також випускаються аналоги реліктової води – вода з низьким вмістом дейтерію легка вода “Лангвей” та легка вода «Протіус», де зібралися вчені, які працювали свого часу в академічних інститутах, та ентузіасти, які вирішили вкласти кошти та сили у воду майбутнього. Вони поставили собі за мету створити виробництво легкої води, більш ефективне, ніж існуючі західні аналоги.

Легка вода є побічним продуктом виробництва важкої води, що використовується в атомній промисловості як сповільнювач нейтронів. В останні роки у зв'язку з дослідженнями, що доводять надзвичайну корисність легкої води для організму людини, особливо для профілактики та лікування онкологічних захворювань, на вітчизняному ринку з'явилася легка вода, призначена для пиття. Зміст у ній дейтерію, що визначає її якість та вартість, змінюється від 25 ppm (мільйонні частки) ступенями по 20-30 ppm. У зв'язку з високою трудомісткістю виробництва, літр легкої води на ринку коштує від кількох десятків доларів США та вище.

Перша фірма використовує оригінальну технологію відцентрово-вихрового методу обробки води, друга фірма – технологія глибокого очищення води від дейтерію та тритію методом колонкової ректифікації. Ректифікація води – складний масообмінний процес, який здійснюється у протиточних колонних апаратах із контактними елементами – насадками чи тарілками. У процесі ректифікації води відбувається безперервний обмін між молекул молекул рідкої і парової фази, що рухаються відносно один одного.

При цьому рідка фаза збагачується більш висококиплячим компонентом, а парова фаза - більш низькокиплячою - важкою водою та іншими важкими ізотопами тритію 3 Н і кисню 18 О. У більшості випадків ректифікацію здійснюють у протиточних колонних апаратах з різними контактними елементами - насадками. Процес масообміну відбувається по всій висоті колони між флегмою, що стікає вниз, і парою, що піднімається вгору. Що інтенсифікувати процес масообміну застосовують контактні елементи – насадки та тарілки, що дозволяє збільшити поверхню масообміну. У разі застосування насадки рідина стікає тонкою плівкою на її поверхні, у разі застосування тарілок пара проходить через шар рідини на поверхні тарілок.

Рис. ліворуч - Схема колони ректифікації

Рис. справа - Експериментальна установка ректифікації з депротеїнізації звичайної води, розроблена в Санкт-Петербурзькій лабораторії поділу ізотопів водню. Фото із сайтуnrd.pnpi.spb.ru/lriv/home_rus.htm

Розрахунок колони ректифікації проводиться за діаграмою кипіння води для заданих параметрів ректифікації - складу вихідної води, кубового залишку, дистиляту, продуктивності і робочому тиску в колоні. Потім підбирається тип тарілок, визначається швидкість пари, діаметр колони, коефіцієнти масопередачі, висота колони, гідравлічний опір тарілок. Після цього проводиться розрахунок експлуатаційних властивостей, а також економічні показники використання колони ректифікації. На практиці для глибшого очищення води від ізотопів використовується не одна колона ректифікації, а ціла серія - батарея колон з 20 окремих колон.

Рис . Загальний вид батареї колон ректифікації для поділу молекул води на "легкі" та "важкі". Фото із сайтуwww.langvey.ru

Легка питна вода «Лангвей» виробляється з різним залишковим вмістом дейтерію (від 125 до 50 ppm). Вона фасується в пляшки ПЕТ ємністю 0,55 л і 1,5 л) і призначена для пиття та приготування їжі. На підставі клінічних випробувань, проведених у Російському Науковому Центрі відновної медицини та урортології та в Інституті краси, легка питна вода «Лангвей» рекомендована як щоденний напій для нормалізації вуглеводного та ліпідного обміну, артеріального тиску, корекції ваги, поліпшення збільшення швидкості водообміну та виведення шлаків та токсинів з організму.

Таблиця. Порівняльна характеристика легкої питної води "Лангвей" та мінеральних вод відомих марок

Найменування мінераль- води

pН

Концентрація основних іонів, мг/л

Концент- рація дейтерію, ppm

Катіони

Аніони

Ca 2+

Mg 2+

Na +

K +

Fe 2+/3+

HCO 3 -

Cl -

F -

SO 4 2-

NO 3 -

Лангвей

Московія

Не регламентується

Подібна технологія дозволяє провести очищення природної води від дейтерію до рекордних величин близько 1-2 ppm. Це хімічно чиста легка вода заданого ізотопного складу. Крім того, продуктивність очищення води цим методом на порядок величин вище будь-якого іншого способу, що відповідно знижує її вартість. При широкомасштабному виробництві легкої води в майбутньому вона стане доступною будь-якій людині.

Наразі роботи з покращення якості води ведуться у всіх країнах світу. Проте існуючі очисні споруди та технології водопідготовки не справляються зі своїми завданнями. Тому і виникли різні способи та пристрої для ізотопного очищення питної води від дейтерію. У загальних рисах всі ці пристрої, якою б досконалою не була очищення, нічого не можуть вдіяти з генетичною пам'яттю води, що виявляється в здатності води зберігати слід на її молекулярну структуру всіх домішкових сполук, у тому числі ізотопів.

Це не просте завдання. Проте багаторічна праця, величезна кількість експериментів та технологічних побудов привели вчених до мети: одержання легкої води кристальної чистоти з глибоким очищенням від дейтерію, оптимальним мінеральним складом та природною структурою, отриманою в результаті глибокої ректифікації.

У майбутніх експериментах планується, що космонавти в міжпланетних польотах будуть пити в Космосі "легку воду" - воду, з якої видалені важкі ізотопи водню і кисню і мають позитивні біологічні ефекти, зокрема, що захищають організм від радіації.

Як повідомив на конференції в Москві, присвяченій розробці систем життєзабезпечення для космічних польотів, професор Інституту медико-біологічних проблем Юрій Синяк, дослідження показали, що "легка вода", де дейтерій і важкий кисень відсутні або їх вміст значно знижений, навпаки, мають цілу низку корисних біологічних властивостей.

В експериментах в інституті медико-біологічних проблем було показано, що легка вода захищає від радіації: миші, які отримали значну дозу опромінення, мали більший термін життя, якщо вони пили легку воду.

Крім того, було виявлено протипухлинні властивості легкої води – експерименти показали, що вона уповільнює зростання деяких типів пухлин.

Легка вода – це складний за своєю структурою та складом продукт, який надає поліфізіологічну дію на організм людини. У зв'язку з цим важливо оцінити, який вплив на організм матиме очищення питної води від важких молекул при збереженні всіх інших компонентів води на рівнях, що регламентуються гігієнічними нормативами. Враховуючи роль води в організмі та відомі ізотопні ефекти важкої води, і результати, отримані по легкій воді, очікується, що найбільший ефект таке очищення може мати властивості біологічних мембран, регуляторні системи та енергетичний апарат живої клітини. Добре відомо, наприклад, що під впливом важкої води пригнічується ініційований глюкозою вихід інсуліну з тканини підшлункової залози та острівців Лангерганса, зменшується швидкість поглинання кисню мітохондріями клітин.

Легка вода - це природна вода, частково або повністю очищена від важкої води і завдяки такому очищенню, що набуває унікальних властивостей.

Основна дія, що надається легкою питною водою на організм людини – поступове зниження вмісту дейтерію в рідинах тіла за рахунок реакцій ізотопного обміну. Аналіз отриманих результатів дозволяє говорити, що очищення води організму від важкої води з допомогою легкої питної води дозволяє поліпшити роботу найважливіших систем організму.

Щоденне вживання легкої питної води дозволяє природно знизити вміст важкої води в організмі людини за рахунок реакцій ізотопного обміну. Таке унікальне очищення нормалізує роботу клітинних мембран, покращує загальне самопочуття, підвищує працездатність, збільшує енергетичні ресурси організму, сприяє швидкому відновленню організму після великих фізичних навантажень.

Унікальні властивості легкої питної води підтверджені дослідженнями та клінічними випробуваннями.

Легка питна вода:

нормалізує обмін речовин та артеріальний тиск;

знижує вміст цукру в крові у хворих на цукровий діабет II типу;

ефективно очищає організм від токсинів та шлаків;

сприяє швидкому загоєнню та відновленню кісткових та м'язових тканин після травм;

має протизапальну дію;

посилює дію лікарських засобів;

сприяє корекції ваги;

-захищає клітини від радіації;

швидко усуває ознаки посталкогольної абстиненції;

Основні властивості легкої води

Легка вода має меншу в'язкість, ніж природна вода. Це дозволяє їй легше проникати через клітинні мембрани та підвищити швидкість водообміну в організмі.

Розчинність речовин у легкій воді вища, ніж у природній, що дає їй можливість більш повно та швидко виводити продукти метаболізму з організму, очищуючи його при цьому від солей важких металів, токсинів та інших шкідливих речовин

Швидкість ферментативних (каталітичних) реакцій у легкій воді вища, ніж у звичайній воді. Це дозволяє інтенсифікувати обмінні процеси та допомагає організму швидше відновлюватись після великих навантажень.

Легка вода дозволяє природним чином, без застосування будь-яких фармацевтичних засобів, суттєво підвищити енергетичні ресурси організму. Як показали дослідження лабораторії мембранології Наукового центру здоров'я дітей РАМН, у легкій воді значно (на 30%) зростає рівень АТФ у клітинах. При цьому клітини більш активно опираються впливу на них різних отрут. Так, при дії на клітину хімічних речовин, що пригнічують дихання клітин, виживання клітин у легкій воді через годину виявляється у 2 рази вищою, ніж у бідистиляті.

При дії на тварин у-опромінення в дозі LD50 було виявлено, що виживання тварин, які вживали протягом 15 днів перед опроміненням легку воду, у 2,5 рази вище, ніж у контрольній групі, що вказує на сильні радіопротекторні властивості легкої води. Це означає, що вживання «легкої» води для мешканців великих міст, в умовах підвищеного фону радіації, є, безумовно, корисним.

Таким чином, спектр дії легкої води дуже широкий. Справа в тому, що при регулярному споживанні легкої води відбувається поступове очищення всього організму від важкої води. Це супроводжується збільшенням функціональної активності клітин, органів та різних систем організму. Відбувається нормалізація обмінних процесів, збільшуються захисні сили та стійкість організму до шкідливих впливів. Швидкість очищення організму від важкої води залежить від маси тіла людини і кількості легкої води, що споживається.

З повагою,

К.х.н. О.В. Мосін