Deuterium
Тяжелый изотоп водорода. Атомная форма – D, 2H; молекулярная – D2, 2H2. Открыт в 1932 г. американским физиком Г. Юри с сотрудниками. Содержание в естественной смеси изотопов водорода – 0,0147%. Физические свойства трех молекулярных форм естественного водорода (H2, HD, D2) сильно различаются: например, температуры их кипения при 1 атм. составляют 20,39°К, 22,13°К и 23,57°К соответственно.
Как все изотопы любого элемента, Д. и легкий водород имеют качественно одинаковые химические свойства, однако из-за большой относительной разности масс во многих химических соединениях они имеют различную устойчивость. На этом основан наиболее распространенный метод начального изотопного обогащения воды по Д. – изотопный обмен между водой и сероводородом при их контакте, в ходе которого происходит изотопное обогащение воды до 15% по Д. Следующими (энергоемкими) этапами технологического процесса получения Д. является многократная дистилляция воды, основанная на различии температур кипения H2O, HDO и D2O (100,0°С, 100,7°С и 101,43°С соответственно) в сочетании с электролизом. Конечным продуктом является D2О с концентрацией по Д. 99,8% либо чистый Д.
Д. обладает уникальной совокупностью ядерных и физических свойств, обуславливающейего важнейшее значение для ядерных технологий. Главными из них являются: ядерная стабильность, позволяющая накапливать его в любых требуемых количествах; малая удельная энергия связи («рыхлость») ядра Д., что обеспечивает высокое энерговыделение в реакциях синтеза ядер с его участием; высокие вероятности (сечения взаимодействия) вовлечения ядер Д. в реакции синтеза, снижающие требования по плотности для зажигания исходной смеси реагирующих веществ; малый (единичный) электрический заряд, понижающий температуру зажигания исходной смеси.
Эти свойства обуславливают непременное применение Д. во всех схемах получения термоядерной энергии. Однако в настоящее время реализована практически лишь D-T-реакция, имеющая самые низкие пороги зажигания по плотности материала и температуре, – это достигнуто в современном ядерном оружии (ЯО), в котором Д. незаменим. На использовании этой же реакции основаны и создаваемые установки управляемого термоядерного синтеза, но ее ресурсная база существенно ограничена мировыми запасами лития (Li), сырья для наработки трития (Т), – по энергетическому эквиваленту он сопоставим с доступным 235U. Однако овладение D-D-синтезом дает человечеству действительно неисчерпаемый источник энергии. Громадные природные запасы Д. (в воде Земли его содержится приблизительно 2,5.1013 т) сочетаются с его огромным энергетическим эквивалентом. Удельное (на единицу массы материала) энерговыделение в реакции D-Dсинтеза сравнимо с достигаемым при делении 235U, но доступные запасы последнего оцениваются величиной приблизительно 105 т – в 250 млн раз меньше.
Важным свойством Д. является также ничтожная вероятность захвата его ядром нейтронов. Это обуславливает идеальные свойства Д. и его соединений с легкими ядрами (в особенности D2O) при использовании в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах (см. Ядерный реактор).
Лит.: Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т. 1: Физика атомного ядра. М.: Атомиздат, 1974. С. 567;
Справочник по ядерной энерготехнологии. М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 151–152;
Апсэ В.А., Шмелев А.Н. Ядерные технологии. М.: МИФИ, 2001. С. 46, 65.
См. также: Бустирование; Международный термоядерный экспериментальный реактор; Термоядерное оружие; Тяжелая вода.
А.Б. Колдобский