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Articulo de referencia

Agua pesada

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agua pesada ( óxido de deuterio , 2H2 O,D2 O) es una forma deaguaen la que todos los átomos de hidrógeno sonisótopoodeuterio( 2H o D, también conocido como hidrógeno pesado ) en lugar del isótopo común hidrógeno-1 ( 1H , también llamado protio ) que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua normal. [ 4 ] La presencia del isótopo más pesado le da al agua propiedades nucleares diferentes, y el aumento de masa le da propiedades físicas y químicas ligeramente diferentes en comparación con el agua normal.

El deuterio es un isótopo pesado del hidrógeno . El agua pesada contiene átomos de deuterio y se utiliza en reactores nucleares . El agua semipesada (HDO) es más común que el agua pesada pura, mientras que el agua con oxígeno pesado es más densa pero carece de propiedades únicas. El agua tritiada es radiactiva debido a su contenido de tritio .

El agua pesada tiene propiedades físicas diferentes a las del agua común, como ser un 10,6 % más densa y tener un punto de fusión más alto. El agua pesada se disocia menos a una temperatura dada y no tiene el color ligeramente azulado del agua común. Puede tener un sabor ligeramente más dulce que el agua común, aunque no de forma significativa. El agua pesada afecta a los sistemas biológicos alterando las enzimas, los enlaces de hidrógeno y la división celular en eucariotas . Puede ser letal para los organismos multicelulares en concentraciones superiores al 50 %. Sin embargo, algunos procariotas , como las bacterias, pueden sobrevivir en un entorno con alto contenido de hidrógeno. El agua pesada puede ser tóxica para los humanos, pero se necesitaría una gran cantidad para que se produjera una intoxicación, que comienza a manifestarse solo cuando el contenido de deuterio en los fluidos corporales supera el 20 %. [ 5 ]

El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de Girdler . El agua pesada se utiliza en diversas industrias y se comercializa con diferentes grados de pureza. Algunas de sus aplicaciones incluyen la resonancia magnética nuclear , la espectroscopia infrarroja , la moderación de neutrones , la detección de neutrinos , las pruebas de metabolismo, la terapia de captura de neutrones y la producción de materiales radiactivos como el plutonio y el tritio.

Composición

El núcleo del deuterio consta de un neutrón y un protón ; el núcleo de un átomo de protio (hidrógeno normal) consta únicamente de un protón. El neutrón adicional hace que un átomo de deuterio sea aproximadamente el doble de pesado que un átomo de protio.

Una molécula de agua pesada tiene dos átomos de deuterio en lugar de los dos átomos de protio del agua ordinaria. El término agua pesada, tal como lo define el Libro de Oro de la IUPAC [ 6 ], también puede referirse al agua en la que una proporción mayor de lo habitual de átomos de hidrógeno son deuterio. A modo de comparación, el Agua Oceánica Media Estándar de Viena (el "agua ordinaria" utilizada como estándar de deuterio) contiene aproximadamente 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno; es decir, el 0,0156% de los átomos de hidrógeno son 2H . Por lo tanto, el agua pesada, tal como la define el Libro de Oro, incluye el agua semipesada (óxido de hidrógeno-deuterio, HDO) y otras mezclas de D2 O,H2 Oy HDO en el que la proporción de deuterio es mayor de lo habitual. Por ejemplo, el agua pesada utilizada enlos reactores CANDUes una mezcla de agua altamente enriquecida que es principalmente óxido de deuterioD2 O, pero también algo de óxido de hidrógeno-deuterio y una cantidad menor de agua ordinariaH2 O. Está enriquecido al 99,75% en fracción de átomos de hidrógeno; es decir, el 99,75% de los átomos de hidrógeno son de tipo pesado; sin embargo, el agua pesada en el sentido del Libro de Oro no tiene por qué estar tan enriquecida. El peso de una molécula de agua pesada, no obstante, no difiere mucho del de una molécula de agua normal, ya que aproximadamente el 89% de la masa de la molécula proviene del únicode oxígenoen lugar de los dos átomos de hidrógeno.

El agua pesada no es radiactiva . En su forma pura, tiene una densidad aproximadamente un 11 % mayor que la del agua, pero por lo demás es similar física y químicamente. Sin embargo, las diversas diferencias en el agua que contiene deuterio (que afectan especialmente a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto con sustitución de isótopos común , ya que el deuterio es único entre los isótopos estables pesados ​​por ser el doble de pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces hidrógeno-oxígeno del agua, lo que a su vez es suficiente para causar diferencias importantes en algunas reacciones bioquímicas. El cuerpo humano contiene de forma natural deuterio equivalente a unos cinco gramos de agua pesada, que es inocua. Cuando una gran fracción de agua (> 50 %) en organismos superiores es reemplazada por agua pesada, el resultado es disfunción y muerte celular . [ 7 ]

El agua pesada se produjo por primera vez en 1932, pocos meses después del descubrimiento del deuterio. [ 8 ] Con el descubrimiento de la fisión nuclear a finales de 1938, y la necesidad de un moderador de neutrones que capturara pocos neutrones, el agua pesada se convirtió en un componente de la investigación inicial de la energía nuclear . Desde entonces, el agua pesada ha sido un componente esencial en algunos tipos de reactores, tanto los que generan energía como los diseñados para producir isótopos para armas nucleares. Estos reactores de agua pesada tienen la ventaja de poder funcionar con uranio natural sin utilizar moderadores de grafito que presentan riesgos radiológicos [ 9 ] y de explosión de polvo [ 10 ] en la fase de desmantelamiento. El diseño soviético RBMK moderado con grafito intentó evitar el uso de uranio enriquecido o agua pesada (refrigerándose con agua ordinaria en su lugar), lo que produjo el coeficiente de vacío positivo que fue uno de una serie de fallos en el diseño del reactor que condujeron al desastre de Chernóbil . La mayoría de los reactores modernos utilizan uranio enriquecido con agua ordinaria como moderador.

Otras formas pesadas de agua

Agua semipesada

Estructura del agua semipesada

El agua semipesada , HDO, existe siempre que hay agua con hidrógeno ligero (protio, 1H ) y deuterio (D o 2H ) en la mezcla. Esto se debe a que los átomos de hidrógeno ( 1H y 2H ) se intercambian rápidamente entre las moléculas de agua. Agua que contiene 50% 1H y 50% 2H en su hidrógeno, en realidad es aproximadamente 50% HDO y 25% cada uno de H2 OyD2 O, enequilibrio dinámico. En agua normal, aproximadamente 1 molécula de cada 3200 es HDO (un hidrógeno de cada 6400 es 2H ), y moléculas de agua pesada ( D2 O) solo aparecen en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 41 millones (es decir, una en 64002). Por lo tanto, las moléculas de agua semipesada son mucho más comunes que las moléculas de agua pesada "pura" (homoisotópica).

Agua con alto contenido de oxígeno

Agua enriquecida con los isótopos de oxígeno más pesados ​​17O y 18O también está disponible comercialmente. Es "agua pesada" ya que es más densa que el agua normal ( H2 18O tiene aproximadamente la misma densidad que D.2 O,H2 17O está aproximadamente a medio camino entre H2 OyD2 O)—pero rara vez se la llama agua pesada, ya que no contiene el exceso de deuterio que le da al D2O sus propiedades nucleares y biológicas inusuales. Es más cara que el D2O debido a la separación más difícil de17O y18O. [ 11 ] El H218O también se utiliza para la producción deflúor-18enradiofármacosyradiotrazadores, ytomografía por emisión de positrones. Pequeñas cantidades de 17O y 18Los isótopos de oxígeno están presentes de forma natural en el agua, y la mayoría de los procesos de enriquecimiento de agua pesada también enriquecen isótopos más pesados ​​de oxígeno como efecto secundario. Esto es indeseable si el agua pesada se va a utilizar como moderador de neutrones en reactores nucleares, ya que 17El oxígeno puede sufrir captura de neutrones, seguida de la emisión de una partícula alfa , produciendo isótopos radiactivos.C. Sin embargo, el agua doblemente marcada , que contiene tanto oxígeno pesado como hidrógeno, es útil como trazador isotópico no radiactivo.

En comparación con el cambio isotópico de los átomos de hidrógeno, el cambio isotópico del oxígeno tiene un efecto menor en las propiedades físicas. [ 12 ]

agua tritiada

El agua tritiada contiene tritio ( ³H ) en lugar de protio ( ¹H ) o deuterio ( ²H ). Dado que el tritio es radiactivo, el agua tritiada también lo es.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas del agua y del agua pesada difieren en varios aspectos. El agua pesada está menos disociada que el agua ligera a una temperatura dada, y la concentración real de iones D + es menor que la que tendrían los iones H + para el agua ligera a la misma temperatura. Lo mismo ocurre con los iones OD− frente a los iones OH− . Para el agua pesada, Kw D2O ( 25,0 ° C) = 1,35 × 10−15 , y [D + ] debe ser igual a [OD− ] para el agua neutra. Por lo tanto, pKw D2O = p[OD− ] + p[D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 °C), y el p[D + ] del agua pesada neutra a 25,0 °C es 7,44.   

El pD del agua pesada se mide generalmente utilizando electrodos de pH que proporcionan un valor de pH (aparente), o pHa, y a diversas temperaturas se puede estimar un pD ácido real a partir del pHa medido directamente con el medidor de pH, de modo que pD+ = pHa (lectura aparente del medidor de pH) + 0,41. La corrección del electrodo para condiciones alcalinas es de 0,456 para el agua pesada. La corrección alcalina es entonces pD+ = pHa ( lectura aparente del medidor de pH) + 0,456. Estas correcciones son ligeramente diferentes de las diferencias anteriores en p[D+] y p[OD-] de 0,44 con respecto a las correspondientes en el agua pesada. [ 17 ]

El agua pesada es un 10,6 % más densa que el agua común, y sus propiedades físicas diferentes pueden observarse sin necesidad de equipo si se introduce una muestra congelada en agua normal, ya que se hundirá. Si el agua está helada, también se puede observar la mayor temperatura de fusión del hielo pesado: se funde a 3,7  °C, por lo que no se funde en agua normal helada. [ 18 ]

Un experimento de 1935 no reportó la "más mínima diferencia" en el sabor entre el agua común y el agua pesada. [ 19 ] Sin embargo, un estudio más reciente confirmó la observación anecdótica de que el agua pesada tiene un sabor ligeramente dulce para los humanos, con un efecto mediado por el receptor del gusto TAS1R2 / TAS1R3 . [ 20 ] A las ratas se les dio la opción entre agua destilada normal y agua pesada, y pudieron evitar el agua pesada basándose en el olor, y puede que tenga un sabor diferente. [ 21 ] Algunas personas informan que los minerales en el agua afectan el sabor, por ejemplo, el potasio le da un sabor dulce al agua dura, pero hay muchos factores que influyen en el sabor percibido del agua además del contenido mineral. [ 22 ]

El agua pesada carece del característico color azul del agua ligera; esto se debe a que los armónicos de vibración molecular , que en el agua ligera provocan una absorción débil en la parte roja del espectro visible, se desplazan hacia el infrarrojo y, por lo tanto, el agua pesada no absorbe la luz roja. [ 23 ]

No se enumeran propiedades físicas para el agua semipesada "pura" porque es inestable como líquido a granel. En estado líquido, algunas moléculas de agua siempre están ionizadas , lo que significa que los átomos de hidrógeno pueden intercambiarse entre diferentes átomos de oxígeno. En teoría, el agua semipesada podría crearse mediante un método químico, pero se transformaría rápidamente en una mezcla dinámica de 25 % de agua ligera, 25 % de agua pesada y 50 % de agua semipesada. Sin embargo, si se produjera en fase gaseosa y se depositara directamente en un sólido, el agua semipesada en forma de hielo podría ser estable. Esto se debe a que las colisiones entre las moléculas de vapor de agua son prácticamente despreciables en fase gaseosa a temperaturas estándar, y una vez cristalizada, las colisiones entre las moléculas cesan por completo debido a la estructura reticular rígida del hielo sólido.

El agua pesada se intercambia con el agua atmosférica hasta alcanzar la proporción isotópica de hidrógeno habitual.

Historia

El científico estadounidense y premio Nobel Harold Urey descubrió el isótopo deuterio en 1931 y posteriormente logró concentrarlo en agua. [ 24 ] El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura mediante electrólisis en 1933. [ 25 ] George de Hevesy y Erich Hofer utilizaron agua pesada en 1934 en uno de los primeros experimentos con trazadores biológicos para estimar la tasa de recambio de agua en el cuerpo humano. [ 26 ] La historia de la producción y el uso a gran escala de agua pesada en los primeros experimentos nucleares se describe a continuación. [ 27 ]

Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación del agua pesada en 1934. [ 28 ]

En la década de 1930, Estados Unidos y la Unión Soviética sospecharon que el químico austriaco Fritz Johann Hansgirg construyó una planta piloto para el Imperio de Japón en el norte de Corea, territorio bajo dominio japonés, para producir agua pesada mediante un nuevo proceso que él mismo había inventado. [ 29 ]

Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa Fosfatbolaget en Ljungaverk , Suecia, produjo 2300 litros anuales de agua pesada. Esta agua pesada se vendió a Alemania a un precio de 1,40 SEK por gramo. [ 30 ]

En octubre de 1939, los físicos soviéticos Yakov Borisovich Zel'dovich y Yulii Borisovich Khariton concluyeron que el agua pesada y el carbono eran los únicos moderadores viables para un reactor de uranio natural , y en agosto de 1940, junto con Georgy Flyorov , presentaron un plan a la Academia de Ciencias de Rusia calculando que se necesitaban 15 toneladas de agua pesada para un reactor. Dado que la Unión Soviética no tenía minas de uranio en ese momento, jóvenes trabajadores de la Academia fueron enviados a tiendas de fotografía de Leningrado para comprar nitrato de uranio, pero todo el proyecto de agua pesada se detuvo en 1941 cuando las fuerzas alemanas invadieron durante la Operación Barbarroja .

Para 1943, los científicos soviéticos habían descubierto que toda la literatura científica relacionada con el agua pesada había desaparecido de Occidente, algo sobre lo que Flyorov advirtió al líder soviético Joseph Stalin en una carta , [ 31 ] y momento en el que solo había 2-3  kg de agua pesada en todo el país. A finales de 1943, la comisión de compras soviética en los EE. UU. obtuvo 1  kg de agua pesada y otros 100  kg en febrero de 1945, y al finalizar la Segunda Guerra Mundial , el NKVD se hizo cargo del proyecto.

En octubre de 1946, como parte de la Operación Alsos rusa , el NKVD deportó a la Unión Soviética desde Alemania a los científicos alemanes que habían trabajado en la producción de agua pesada durante la guerra, incluido Karl-Hermann Geib , inventor del proceso de sulfuro de Girdler. [ 32 ] Estos científicos alemanes trabajaron bajo la supervisión del químico físico alemán Max Volmer en el Instituto de Química Física de Moscú con la planta que construyeron, la cual producía grandes cantidades de agua pesada para 1948. [ 33 ] [ 34 ]

Efecto sobre los sistemas biológicos

Los distintos isótopos de los elementos químicos presentan comportamientos químicos ligeramente diferentes, pero para la mayoría de los elementos las diferencias son demasiado pequeñas para tener un efecto biológico. En el caso del hidrógeno, las mayores diferencias en las propiedades químicas entre el protio, el deuterio y el tritio se deben a que la energía del enlace químico depende de la masa reducida del sistema núcleo-electrón; esta se ve alterada en los compuestos de hidrógeno pesado (el óxido de hidrógeno-deuterio es el más común) más que en la sustitución de isótopos pesados ​​que involucran otros elementos químicos. Los efectos isotópicos son especialmente relevantes en los sistemas biológicos, que son muy sensibles incluso a los cambios más pequeños, debido a las propiedades del agua influenciadas isotópicamente cuando actúa como disolvente .

Para llevar a cabo sus funciones, las enzimas dependen de sus redes de enlaces de hidrógeno finamente ajustadas , tanto en el centro activo con sus sustratos como fuera de él, para estabilizar sus estructuras terciarias . Dado que un enlace de hidrógeno con deuterio es ligeramente más fuerte [ 35 ] que uno que involucra hidrógeno ordinario, en un entorno altamente deuterado, algunas reacciones normales en las células se ven alteradas.

Particularmente afectadas por el agua pesada son las delicadas estructuras de formaciones de huso mitótico necesarias para la división celular en eucariotas . Las plantas dejan de crecer y las semillas no germinan cuando se les proporciona solo agua pesada, porque el agua pesada detiene la división celular eucariota. [ 36 ] El tabaco no germina, pero el trigo sí. [ 37 ] La célula deuteriana es más grande y es una modificación de la dirección de la división. [ 38 ] [ 39 ] La membrana celular también cambia y reacciona primero al impacto del agua pesada. En 1972, se demostró que un aumento en el porcentaje de deuterio en el agua reduce el crecimiento de las plantas. [ 40 ] La investigación realizada sobre el crecimiento de microorganismos procariotas en condiciones artificiales de un ambiente de hidrógeno pesado mostró que en este ambiente, todos los átomos de hidrógeno del agua podían ser reemplazados por deuterio. [ 41 ] [ 42 ] Los experimentos mostraron que las bacterias pueden vivir en agua pesada al 98%. [ 43 ] Las concentraciones superiores al 50% son letales para los organismos multicelulares, pero se conocen algunas excepciones: especies de plantas como el pasto varilla ( Panicum virgatum ) que puede crecer en 50% de D 2 O; [ 44 ] Arabidopsis thaliana (70% de D 2 O); [ 45 ] Vesicularia dubyana (85% de D 2 O); [ 46 ] Funaria hygrometrica (90% de D 2 O); [ 47 ] y la especie anhidrobiótica del nematodo Panagrolaimus superbus (casi 100% de D 2 O). [ 48 ]

Un estudio exhaustivo del agua pesada en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe mostró que las células presentaban un metabolismo de glucosa alterado y un crecimiento lento a altas concentraciones de agua pesada. [ 49 ] Además, las células activaron la vía de respuesta al choque térmico y la vía de integridad celular, y los mutantes en la vía de integridad celular mostraron una mayor tolerancia al agua pesada. [ 49 ] A pesar de su toxicidad a altos niveles, se ha observado que el agua pesada prolonga la vida útil de ciertas levaduras hasta en un 85%, siendo el mecanismo hipotético la reducción del recambio de especies reactivas de oxígeno. [ 50 ]

El agua pesada afecta el período de las oscilaciones circadianas , aumentando consistentemente la duración de cada ciclo. Este efecto se ha demostrado en organismos unicelulares, plantas verdes, isópodos, insectos, aves, ratones y hámsteres. Se desconoce el mecanismo. [ 51 ]

Al igual que el etanol, el agua pesada altera temporalmente la densidad relativa de la cúpula con respecto a la endolinfa en el órgano vestibular, provocando nistagmo posicional , ilusiones de rotación corporal, mareo y náuseas. Sin embargo, la dirección del nistagmo es opuesta a la del etanol, ya que es más denso que el agua, no más ligero. [ 52 ]

Efecto en los animales

Experimentos con ratones, ratas y perros [ 53 ] han demostrado que un grado de deuteración del 25% impide el desarrollo de gametos o cigotos , causando esterilidad (a veces irreversible). Altas concentraciones de agua pesada (90%) matan rápidamente a peces, renacuajos , gusanos planos y Drosophila . Ratones criados desde el nacimiento con agua pesada al 30% tienen un 25% de deuteración en fluidos corporales y un 10% en cerebros. Son normales excepto por la esterilidad. La deuteración durante el embarazo induce anomalías fetales. Mayor deuteración en fluidos corporales causa la muerte. [ 54 ] Los mamíferos (por ejemplo, ratas) a los que se les da agua pesada para beber mueren después de una semana, en un momento en que su agua corporal se acerca a aproximadamente el 50% de deuteración. [ 55 ] El modo de muerte parece ser el mismo que en el envenenamiento citotóxico (como la quimioterapia ) o en el síndrome de radiación aguda (aunque el deuterio no es radiactivo), y es causado por la acción del deuterio al inhibir generalmente la división celular. Es más tóxico para las células malignas que para las células normales, pero las concentraciones necesarias son demasiado altas para su uso regular. [ 53 ] Como puede ocurrir en la quimioterapia, los mamíferos envenenados con deuterio mueren por una falla de la médula ósea (que produce hemorragias e infecciones) y de las funciones de la barrera intestinal (que produce diarrea y pérdida de líquidos ).

A pesar de los problemas que experimentan las plantas y los animales al vivir con demasiado deuterio, los organismos procariotas, como las bacterias, que no presentan los problemas mitóticos inducidos por el deuterio, pueden cultivarse y propagarse en condiciones totalmente deuteradas, lo que resulta en la sustitución de todos los átomos de hidrógeno en las proteínas y el ADN bacterianos por el isótopo deuterio. [ 53 ] [ 56 ] Esto conduce a un proceso de autoarranque . Con procariotas que producen glucosa totalmente deuterada, se obtuvieron Escherichia coli y Torula totalmente deuteradas , y estas pudieron producir incluso compuestos químicos totalmente deuterados más complejos. Mohos como Aspergillus no pudieron replicarse en condiciones totalmente deuteradas. [ 54 ]

En organismos superiores, la sustitución completa por isótopos pesados ​​puede lograrse con otros isótopos pesados ​​no radiactivos (como el carbono-13, el nitrógeno-15 y el oxígeno-18), pero esto no es posible con el deuterio. Esto se debe a la relación de masas nucleares entre los isótopos del hidrógeno, que es mucho mayor que la de cualquier otro elemento. [ 57 ]

El óxido de deuterio se utiliza para mejorar la terapia de captura de neutrones de boro , pero este efecto no depende de los efectos biológicos o químicos del deuterio, sino de su capacidad para moderar (ralentizar) los neutrones sin capturarlos. [ 53 ] La evidencia experimental de 2021 indica que la administración sistémica de óxido de deuterio (suplementación al 30 % en el agua potable) suprime el crecimiento tumoral en un modelo estándar de ratón de melanoma humano , un efecto atribuido a la inducción selectiva de la señalización de estrés celular y la expresión génica en las células tumorales. [ 58 ]

Toxicidad en humanos

Dado que se necesitaría una cantidad muy grande de agua pesada para reemplazar entre el 25 % y el 50 % del agua corporal de un ser humano (el agua, a su vez, representa entre el 50 % y el 75 % del peso corporal [ 59 ] ), la intoxicación accidental o intencional con agua pesada es tan improbable que prácticamente se puede ignorar. Para que se produjeran efectos tóxicos perceptibles, la víctima tendría que ingerir grandes cantidades de agua pesada sin una ingesta significativa de agua normal durante muchos días.

En experimentos metabólicos humanos, se utilizan habitualmente dosis orales de agua pesada en el rango de varios gramos, así como oxígeno pesado 18 O. Un experimento en el que se administraron a humanos entre 140 y 250 g de agua pesada, lo que corresponde al 0,5 % del agua corporal total, mostró solo síntomas temporales como vértigo, mientras que otro experimento en el que se administraron a humanos bolos de agua pesada que equivalían al 0,4 % al 0,8 % del agua corporal no mostró efectos secundarios. [ 60 ] (Véase también la prueba del agua doblemente marcada ). Dado que uno de cada 6400 átomos de hidrógeno es deuterio, un ser humano de 50 kilogramos (110 lb) que contiene 32 kilogramos (71 lb) de agua corporal normalmente contendría suficiente deuterio (alrededor de 1,1 gramos o 0,039 onzas ) para hacer 5,5 gramos (0,19 oz) de agua pesada pura, por lo que aproximadamente esta dosis es necesaria para duplicar la cantidad de deuterio en el cuerpo.   

Una disminución de la presión arterial podría explicar parcialmente la incidencia de mareos reportada tras la ingestión de agua pesada. Sin embargo, es más probable que este síntoma se deba a una alteración de la función vestibular . El agua pesada, al igual que el etanol, provoca una diferencia temporal en la densidad de la endolinfa dentro de la cúpula, lo que confunde el reflejo vestíbulo-ocular y causa síntomas de mareo por movimiento. [ 61 ]

confusión sobre la contaminación por radiación de aguas pesadas

Aunque muchas personas asocian el agua pesada principalmente con su uso en reactores nucleares, el agua pesada pura no es radiactiva. El agua pesada de uso comercial es ligeramente radiactiva debido a la presencia de trazas mínimas de tritio natural, pero lo mismo ocurre con el agua común. El agua pesada que se ha utilizado como refrigerante en centrales nucleares contiene una cantidad sustancialmente mayor de tritio como resultado del bombardeo de neutrones sobre el deuterio presente en ella ( el tritio representa un riesgo para la salud si se ingiere en grandes cantidades).

En 1990, un empleado de la central nuclear de Point Lepreau, en Canadá, obtuvo una muestra (aproximadamente media taza) de agua pesada del circuito primario de transporte de calor del reactor nuclear y la vertió en un dispensador de bebidas de la cafetería. Ocho empleados bebieron parte del agua contaminada. El incidente se descubrió cuando los empleados comenzaron a dejar muestras de orina para bioensayos con niveles elevados de tritio. La cantidad de agua pesada involucrada estaba muy por debajo de los niveles que podrían causar toxicidad por agua pesada, pero varios empleados recibieron dosis elevadas de radiación debido al tritio y a los productos químicos activados por neutrones presentes en el agua. [ 62 ]

Algunos medios de comunicación no tuvieron cuidado de distinguir estos puntos, y parte del público se quedó con la impresión de que el agua pesada es normalmente radiactiva y más tóxica de lo que realmente es. Incluso si se hubiera utilizado agua pesada pura en el dispensador de agua de forma indefinida, es poco probable que el incidente se hubiera detectado o causado daño, ya que no se esperaría que ningún empleado obtuviera mucho más del 25 % de su agua potable diaria de dicha fuente. [ 63 ]

Métodos de producción

El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de Girdler , un sistema de reactor de doble temperatura desarrollado en paralelo por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943. [ 33 ]

Como se ha señalado, el agua pesada comercial moderna se conoce casi universalmente como óxido de deuterio y se vende con ese nombre. Generalmente se comercializa con distintos grados de pureza, desde un enriquecimiento del 98 % hasta un enriquecimiento de deuterio del 99,75 % al 99,98 % (grado para reactores nucleares) e incluso, en ocasiones, con una pureza isotópica superior.

Producción por país

Argentina

Argentina era el principal productor de agua pesada, utilizando una planta basada en el intercambio de amoníaco/hidrógeno suministrada por la empresa suiza Sulzer . También era un importante exportador a Canadá, Alemania, Estados Unidos y otros países. La planta de producción de agua pesada ubicada en Arroyito era la más grande del mundo. Argentina produjo 200 toneladas cortas (180 toneladas) de agua pesada por año en 2015 utilizando el método monotérmico de intercambio isotópico de amoníaco-hidrógeno . [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] Desde 2017, la planta de Arroyito no ha estado operativa. [ 71 ]

Estados Unidos

Durante el Proyecto Manhattan, Estados Unidos construyó tres plantas de producción de agua pesada como parte del Proyecto P-9 en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, Virginia Occidental ; en Wabash River Ordnance Works, cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works, cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . También se adquirió agua pesada de la planta Cominco en Trail, Columbia Británica , Canadá. El reactor experimental Chicago Pile-3 utilizó agua pesada como moderador y alcanzó la criticidad en 1944. [ 72 ] Las tres plantas de producción nacionales se cerraron en 1945 después de producir alrededor de 81 470 lb (36 950 kg) de producto. [ 73 ] La planta de Wabash reanudó la producción de agua pesada en 1952.  

En 1953, Estados Unidos comenzó a utilizar agua pesada en los reactores de producción de plutonio del emplazamiento de Savannah River . El primero de los cinco reactores de agua pesada entró en funcionamiento ese mismo año, y el último se desmanteló en 1996. Estos reactores eran de agua pesada para poder producir tanto plutonio como tritio para el programa de armas nucleares de Estados Unidos.

Estados Unidos desarrolló el proceso de producción de sulfuro por intercambio químico de Girdler , que se demostró por primera vez a gran escala en la planta de Dana, Indiana, en 1945 y en el emplazamiento de Savannah River en 1952.

India

India es el mayor productor mundial de agua pesada a través de su Junta de Agua Pesada . [ 74 ] Exporta agua pesada a países como la República de Corea, China y Estados Unidos. [ 75 ] [ 76 ]

Noruega

"Agua pesada" fabricada por Norsk Hydro

En 1934, Norsk Hydro construyó la primera planta comercial de agua pesada en Vemork , Tinn , que llegó a producir 4 kilogramos (8,8 lb) al día. [ 77 ] Desde 1940 y durante toda la Segunda Guerra Mundial , la planta estuvo bajo control alemán , y los Aliados decidieron destruirla junto con su agua pesada para impedir el desarrollo alemán de armas nucleares. A finales de 1942, una incursión planeada llamada Operación Freshman por tropas aerotransportadas británicas fracasó, estrellándose ambos planeadores. Los asaltantes murieron en el accidente o fueron ejecutados posteriormente por los alemanes. 

La noche del 27 de febrero de 1943, la Operación Gunnerside tuvo éxito. Comandos noruegos y la resistencia local lograron demoler partes pequeñas pero clave de las celdas electrolíticas, vertiendo el agua pesada acumulada por los desagües de la fábrica. [ 78 ]

El 16 de noviembre de 1943, las fuerzas aéreas aliadas lanzaron más de 400 bombas sobre el lugar. El ataque aéreo aliado impulsó al gobierno nazi a trasladar toda el agua pesada disponible a Alemania para su custodia. El 20 de febrero de 1944, un partisano noruego hundió el transbordador M/F Hydro,  que transportaba agua pesada a través del lago Tinn , causando la muerte de 14 civiles noruegos, y se presume que la mayor parte del agua pesada se perdió. Algunos barriles estaban solo medio llenos, por lo que flotaban, y es posible que se hayan recuperado y transportado a Alemania.

Una investigación reciente de los registros de producción en Norsk Hydro y el análisis de un barril intacto que fue recuperado en 2004 reveló que, si bien los barriles en este envío contenían agua con un pH  de 14 —indicativo del proceso de refinamiento electrolítico alcalino—, no contenían altas concentraciones de D₂O . [ 79 ] A pesar del tamaño aparente del envío, la cantidad total de agua pesada pura era bastante pequeña, la mayoría de los barriles contenían solo entre 0,5 y 1 % de agua pesada pura. Los alemanes habrían necesitado alrededor de 5 toneladas de agua pesada para poner en marcha un reactor nuclear. El manifiesto indicaba claramente que solo se transportaba media tonelada de agua pesada a Alemania. Hydro transportaba muy poca agua pesada para un reactor, y mucho menos las 10 o más toneladas necesarias para producir suficiente plutonio para un arma nuclear. [ 79 ] El programa alemán de armas nucleares estaba mucho menos avanzado que el Proyecto Manhattan, y ningún reactor construido en la Alemania nazi se acercó a alcanzar la criticidad . Ninguna cantidad de agua pesada habría cambiado eso.

Israel admitió haber operado el reactor de Dimona con agua pesada noruega que le fue vendida en 1959. Mediante la reexportación a través de Rumania y Alemania, India probablemente también utilizó agua pesada noruega. [ 80 ] [ 81 ]

Canadá

Como parte de su contribución al Proyecto Manhattan, Canadá construyó y operó una planta electrolítica de agua pesada con una capacidad de diseño de entre 1000 y 1200 libras (450 a 540 kg) por mes en Trail, Columbia Británica , que comenzó a operar en 1943. [ 82 ] 

El diseño del reactor de potencia de Atomic Energy of Canada Limited (AECL) requiere grandes cantidades de agua pesada para que actúe como moderador de neutrones y refrigerante. AECL encargó dos plantas de agua pesada, que se construyeron y operaron en la costa atlántica de Canadá : en Glace Bay , Nueva Escocia (por Deuterium of Canada Limited) y en Point Tupper, condado de Richmond , Nueva Escocia (por Canadian General Electric). Estas plantas presentaron importantes problemas de diseño, construcción y producción. La planta de Glace Bay alcanzó su plena producción en 1984 después de ser adquirida por AECL en 1971. [ 83 ] La planta de Point Tupper alcanzó su plena producción en 1974 y AECL compró la planta en 1975. [ 84 ] Los cambios de diseño de la planta de Point Tupper se mantuvieron cuando AECL construyó la planta de agua pesada de Bruce ( 44°11′07″N 81°21′42″W / 44.1854°N 81.3618°W / 44.1854; -81.3618 ( Planta de agua pesada de Bruce ) ), [ 85 ] que luego vendió a Ontario Hydro , para asegurar un suministro confiable de agua pesada para futuras centrales eléctricas. Las dos plantas de Nueva Escocia se cerraron en 1985 cuando su producción resultó innecesaria.

La planta de agua pesada de Bruce (BHWP) en Ontario fue la planta de producción de agua pesada más grande del mundo, con una capacidad máxima de 1600 toneladas por año (800 toneladas por año por planta completa, con dos plantas en pleno funcionamiento en su momento de máxima actividad). Utilizaba el proceso de sulfuro de Girdler para producir agua pesada y requería 340 000 toneladas de agua de alimentación para producir una tonelada de agua pesada. Formaba parte de un complejo que incluía ocho reactores CANDU , los cuales proporcionaban calor y energía a la planta de agua pesada. El sitio estaba ubicado en la central nuclear de Douglas Point / Bruce , cerca de Tiverton, Ontario, en el lago Hurón , donde tenía acceso a las aguas de los Grandes Lagos . [ 86 ]

AECL adjudicó el contrato de construcción en 1969 para la primera unidad BHWP (BHWP A). La puesta en marcha de BHWP A fue realizada por Ontario Hydro entre 1971 y 1973, entrando la planta en servicio el 28 de junio de 1973 y alcanzando su capacidad de producción de diseño en abril de 1974. Debido al éxito de BHWP A y a la gran cantidad de agua pesada que se requeriría para los numerosos proyectos de construcción de centrales nucleares CANDU planificados, Ontario Hydro puso en servicio tres plantas adicionales de producción de agua pesada para el emplazamiento de Bruce (BHWP B, C y D). BHWP B entró en servicio en 1979. Estas dos primeras plantas fueron significativamente más eficientes de lo previsto, y el número de proyectos de construcción de CANDU resultó ser significativamente menor de lo planeado originalmente, lo que llevó a la cancelación de la construcción de BHWP C y D. En 1984, BHWP A fue clausurada. Para 1993, Ontario Hydro había producido suficiente agua pesada para cubrir todas sus necesidades nacionales previstas (que fueron menores de lo esperado debido a la mejora en la eficiencia del uso y reciclaje del agua pesada), por lo que cerraron y demolieron la mitad de la capacidad de la planta de tratamiento de agua pesada BHWP B. La capacidad restante continuó operando para satisfacer la demanda de exportación de agua pesada hasta su cierre definitivo en 1997, tras lo cual la planta fue desmantelada gradualmente y el terreno fue despejado. [ 87 ] [ 88 ]

El agua pesada representó alrededor del 15-20% del costo total de capital de cada reactor CANDU en las décadas de 1970 y 1980. [ 88 ]

Irán

Desde 1996 se estaba construyendo una planta para la producción de agua pesada en Khondab, cerca de Arak . [ 89 ] El 26 de agosto de 2006, el presidente iraní Ahmadinejad inauguró la ampliación de la planta de agua pesada del país. Irán ha indicado que la instalación de producción de agua pesada operará en conjunto con un reactor de investigación de 40 MW que tenía una fecha de finalización programada para 2009. [ 90 ] Irán produjo disolventes deuterados a principios de 2011 por primera vez. [ 91 ] Se supone que el núcleo del IR-40 será rediseñado en base al acuerdo nuclear de julio de 2015.

Según el Plan de Acción Integral Conjunto , Irán solo tiene permitido almacenar 130 toneladas (140 toneladas cortas ) de agua pesada. [ 92 ] Irán exporta el excedente de producción, convirtiéndose así en el tercer mayor exportador mundial de agua pesada. [ 93 ] [ 94 ] En 2023, Irán vende agua pesada; los clientes han propuesto un precio superior a los 1000 dólares por litro. [ 95 ]

Pakistán

En Pakistán, existen dos plantas de producción de agua pesada ubicadas en Punjab . El Complejo Nuclear de Khushab, puesto en marcha entre 1995 y 1996, es un elemento central del programa de reservas de Pakistán para la producción de plutonio, deuterio y tritio aptos para armas nucleares, destinados a ojivas compactas avanzadas (es decir, armas termonucleares ). Otra planta de producción de agua pesada se encuentra en Multan y la suministra a las centrales nucleares de Karachi y Chashma .

A principios de la década de 1980, Pakistán logró adquirir una planta de purificación y almacenamiento de tritio, así como materiales precursores de deuterio y tritio, de dos empresas de Alemania Oriental . [ 96 ] A diferencia de India e Irán, el agua pesada producida por Pakistán no se exporta ni está disponible para la compra por ningún otro país, y se utiliza exclusivamente para su complejo armamentístico y la generación de energía en sus centrales nucleares locales.

Otros países

Rumania produjo agua pesada en la planta de sulfuro Drobeta Girdler, ahora fuera de servicio, para usos domésticos y de exportación. [ 97 ] Francia operó una pequeña planta durante las décadas de 1950 y 1960.

Aplicaciones

Resonancia magnética nuclear

El óxido de deuterio se utiliza en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear cuando se emplea agua como disolvente si el nucleido de interés es el hidrógeno. Esto se debe a que la señal de las moléculas de agua ligera ( ¹H₂O ) enmascararía la señal de la molécula de interés disuelta en ella. El deuterio tiene un momento magnético diferente y, por lo tanto , no contribuye a la señal de ¹H -RMN en la frecuencia de resonancia del hidrógeno-1.

Para algunos experimentos, puede ser conveniente identificar los hidrógenos lábiles de un compuesto, es decir, los hidrógenos que pueden intercambiarse fácilmente como iones H + en ciertas posiciones de la molécula. Con la adición de D2O , a veces denominada agitación con D2O , [ 98 ] los hidrógenos lábiles se intercambian entre el compuesto de interés y el disolvente, lo que provoca la sustitución de esos átomos de 1H específicos del compuesto por 2H . Estas posiciones en la molécula no aparecen entonces en el espectro de RMN de 1H .

Química orgánica

El óxido de deuterio se utiliza frecuentemente como fuente de deuterio para la preparación de isótopos marcados de compuestos orgánicos. Por ejemplo, los enlaces CH adyacentes a grupos carbonilo cetónicos pueden sustituirse por enlaces CD mediante catálisis ácida o básica. El yoduro de trimetilsulfoxonio , obtenido a partir de dimetilsulfóxido y yoduro de metilo , puede recristalizarse a partir de óxido de deuterio y, posteriormente, disociarse para regenerar yoduro de metilo y dimetilsulfóxido, ambos marcados con deuterio. En los casos en que se contemple un doble marcaje específico con deuterio y tritio, el investigador debe tener en cuenta que el óxido de deuterio, según su antigüedad y origen, puede contener tritio.

Espectroscopia infrarroja

El óxido de deuterio se usa frecuentemente en lugar de agua para obtener espectros FTIR de proteínas en solución. El H₂O crea una banda intensa que se superpone con la región amida I de las proteínas. La banda del D₂O se desplaza alejándose de la región amida I.

moderador de neutrones

El agua pesada se utiliza en ciertos tipos de reactores nucleares , donde actúa como moderador de neutrones para ralentizarlos y aumentar la probabilidad de que reaccionen con el uranio-235 fisionable en lugar del uranio-238 , que captura neutrones sin fisionarse. El reactor CANDU utiliza este diseño. El agua ligera también actúa como moderador, pero debido a que absorbe más neutrones que el agua pesada, los reactores que la utilizan deben emplear uranio enriquecido en lugar de uranio natural; de lo contrario, la criticidad es imposible. Una fracción significativa de los reactores de potencia obsoletos, como los reactores RBMK de la URSS, se construyeron utilizando agua normal para la refrigeración, pero grafito como moderador . Sin embargo, el peligro del grafito en los reactores de potencia (los incendios de grafito contribuyeron en parte al desastre de Chernóbil ) ha llevado a la eliminación del grafito en los diseños de reactores estándar.

La producción y extracción de plutonio puede ser una ruta relativamente rápida y barata para construir un arma nuclear , ya que la separación química del plutonio del combustible es más fácil que la separación isotópica del U-235 del uranio natural. Entre los estados con armas nucleares actuales y pasados , Israel, India y Corea del Norte [ 99 ] fueron los primeros en usar plutonio de reactores moderados por agua pesada que quemaban uranio natural , mientras que China, Sudáfrica y Pakistán fueron los primeros en construir armas usando uranio altamente enriquecido .

El programa nuclear nazi , que operaba con recursos más modestos que el Proyecto Manhattan de la época y se vio obstaculizado por el exilio de muchos científicos destacados (muchos de los cuales terminaron trabajando para el Proyecto Manhattan), así como por las constantes luchas internas, descartó erróneamente el grafito como moderador al no reconocer el efecto de las impurezas. Dado que la separación de isótopos de uranio se consideró un obstáculo demasiado grande, esto dejó al agua pesada como un moderador potencial. Otros problemas fueron la aversión ideológica hacia lo que la propaganda desestimaba como " física judía " y la desconfianza entre quienes habían sido nazis entusiastas incluso antes de 1933 y aquellos que eran agentes secretos o intentaban pasar desapercibidos. En parte debido al sabotaje aliado y a las incursiones de comandos en Norsk Hydro (entonces el mayor productor mundial de agua pesada), así como a las mencionadas luchas internas, el programa nuclear alemán nunca logró reunir suficiente uranio y agua pesada en un solo lugar para alcanzar la criticidad, a pesar de poseer cantidades suficientes de ambos al final de la guerra.

En Estados Unidos, sin embargo, el primer reactor atómico experimental (1942), así como los reactores de producción del Proyecto Manhattan en Hanford, que produjeron el plutonio para la prueba Trinity y las bombas Fat Man , utilizaron moderadores de neutrones de carbono puro (grafito) combinados con tuberías de refrigeración por agua convencionales. No funcionaron con uranio enriquecido ni con agua pesada. La producción de plutonio rusa y británica también empleó reactores moderados por grafito.

No existen pruebas de que los reactores nucleares de agua pesada de uso civil —como los de diseño CANDU o Atucha— se hayan utilizado para producir materiales fisionables con fines militares. En los países que no poseen armas nucleares, el material nuclear almacenado en estas instalaciones está sujeto a las salvaguardias del OIEA para evitar cualquier desvío.

Debido a su potencial uso en programas de armas nucleares , la posesión o importación/exportación de grandes cantidades industriales de agua pesada están sujetas al control gubernamental en varios países. Los proveedores de agua pesada y tecnología para su producción suelen aplicar las salvaguardias y el control de materiales administrados por el OIEA (Organismo Internacional de Energía Atómica) al agua pesada. (En Australia, la Ley de No Proliferación Nuclear (Salvaguardias) de 1987 ). En Estados Unidos y Canadá, las cantidades no industriales de agua pesada (es decir, en el rango de gramos a kilogramos) están disponibles de forma rutinaria sin licencia especial a través de distribuidores de productos químicos y empresas comerciales como Ontario Hydro, el antiguo mayor productor mundial .

Detector de neutrinos

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), ubicado en Sudbury , Ontario, utiliza 1000 toneladas de agua pesada prestadas por Atomic Energy of Canada Limited . El detector de neutrinos se encuentra a 2100 metros (6800 pies) bajo tierra en una mina, para protegerlo de los muones producidos por los rayos cósmicos . El SNO se construyó para responder a la pregunta de si los neutrinos de tipo electrónico producidos por fusión en el Sol (el único tipo que el Sol debería producir directamente, según la teoría) podrían transformarse en otros tipos de neutrinos en su camino hacia la Tierra. El SNO detecta la radiación Cherenkov en el agua proveniente de electrones de alta energía producidos a partir de neutrinos de tipo electrónico cuando estos experimentan interacciones de corriente cargada (CC) con neutrones en deuterio , transformándolos en protones y electrones (sin embargo, solo los electrones son lo suficientemente rápidos como para producir radiación Cherenkov detectable). 

SNO también detecta eventos de dispersión de electrones de neutrinos (ES), donde el neutrino transfiere energía al electrón, que luego procede a generar radiación Cherenkov distinguible de la producida por eventos CC. La primera de estas dos reacciones es producida solo por neutrinos de tipo electrónico, mientras que la segunda puede ser causada por todos los sabores de neutrinos. El uso de deuterio es crítico para la función de SNO, porque los tres "sabores" (tipos) de neutrinos [ 100 ] también pueden detectarse en un tercer tipo de reacción, la desintegración de neutrinos, en la que un neutrino de cualquier tipo (electrón, muón o tau ) se dispersa de un núcleo de deuterio ( deuterón ), transfiriendo suficiente energía para romper el deuterón débilmente ligado en un neutrón y un protón libres a través de una interacción de corriente neutra (NC).

Este evento se detecta cuando el neutrón libre es absorbido por el 35Cl − presente en el NaCl disuelto deliberadamente en el agua pesada, lo que provoca la emisión de rayos gamma de captura característicos. Por lo tanto, en este experimento, el agua pesada no solo proporciona el medio transparente necesario para producir y visualizar la radiación Cherenkov, sino que también proporciona deuterio para detectar neutrinos exóticos de tipo mu (μ) y tau (τ), así como un medio moderador no absorbente para preservar los neutrones libres de esta reacción, hasta que puedan ser absorbidos por un isótopo activado por neutrones fácilmente detectable.

Pruebas de tasa metabólica y recambio hídrico en fisiología y biología.

El agua pesada se emplea como parte de una mezcla con H₂¹⁸O para una prueba común y segura de la tasa metabólica media en humanos y animales que realizan sus actividades normales. La tasa de eliminación de deuterio por sí sola es una medida del recambio de agua corporal. Esta es altamente variable entre individuos y depende de las condiciones ambientales, así como del tamaño, el sexo, la edad y la actividad física del sujeto. [ 101 ]

Producción de tritio

El tritio es la sustancia activa en la iluminación autoalimentada y la fusión nuclear controlada; entre sus otros usos se incluyen la autorradiografía y el marcaje radiactivo . También se utiliza en el diseño de armas nucleares para armas de fisión potenciada e iniciadores . El tritio sufre desintegración beta en helio-3 , un isótopo estable, aunque raro, del helio, muy codiciado. Parte del tritio se crea en reactores moderados por agua pesada cuando el deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una sección transversal pequeña (probabilidad de un único evento de captura de neutrón) y produce solo pequeñas cantidades de tritio, aunque suficientes para justificar la limpieza del moderador cada pocos años para reducir el riesgo ambiental de fuga de tritio. Dado que el helio-3 es un veneno neutrónico con una sección transversal de captura órdenes de magnitud mayor que cualquier componente del agua pesada o tritiada, su acumulación en un moderador de neutrones de agua pesada o en un blanco para la producción de tritio debe mantenerse al mínimo.

Producir grandes cantidades de tritio de esta manera requeriría reactores con flujos de neutrones muy elevados, o con una proporción muy alta de agua pesada respecto al combustible nuclear y una absorción de neutrones muy baja por parte de otros materiales del reactor. El tritio tendría que recuperarse mediante separación isotópica a partir de una cantidad mucho mayor de deuterio, a diferencia de la producción a partir de litio-6 (el método actual), donde solo se requiere separación química.

La sección transversal de absorción del deuterio para neutrones térmicos es de 0,52 milibarn (5,2 × 10 −32 m 2 ; 1 barn = 10 −28 m 2 ), mientras que las del oxígeno-16 y oxígeno-17 son de 0,19 y 240 milibarn, respectivamente. El 17 O constituye el 0,038% del oxígeno natural , lo que hace que la sección transversal total sea de 0,28 milibarn. Por lo tanto, en D 2 O con oxígeno natural, el 21% de las capturas de neutrones se producen en el oxígeno, aumentando a medida que se acumula 17 O a partir de la captura de neutrones en 16 O. Además, el 17 O puede emitir una partícula alfa al capturar neutrones, produciendo carbono-14 radiactivo .

Véase también

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