Schweres Wasser ist normales H2O, in dem nicht zwei normale Wasserstoffatome verbaut wurden, sondern ihre Isotopenvariante Deuterium. Deuterium besteht nicht nur aus einem Proton und einem Elektron, wie normaler Wasserstoff, sondern es hat noch ein zusätzliches Neutron, wodurch es ungefähr doppelt so schwer wird (daher der Name “schweres Wasser”). Das schwere Wasser wiegt, bei gleichem Volumen, nur noch wenig mehr als normales Wasser, hat aber schon einen veränderten Schmelz- und Siedepunkt.

Warum Deuterium so toll ist, werde ich sicher noch mal in einem ausführlichen Artikel schreiben, aber hier ist vor allem wichtig, dass es wesentlich weniger Neutronen absorbiert als normaler Wasserstoff (abs. D = 0,0005 barn im Gegensatz zu abs. H = 0,3326 barn). Dadurch wird es insbesondere an sehr neutronenreichen Orten gerne als Moderator eingesetzt, weil es Neutronen gut reflektieren kann ohne all zu viele davon zu absorbieren.

Solche neutronenreichen Orte sind vor allem sog. CANDU Schwerwasserreaktoren  – bei denen eben Schwerwasser um die Brennstäbe herum benutzt wird, statt normalem Wasser. Das Schwerwasser macht den “Verbrennungsprozess” der Uranstäbe wesentlich effektiver und erhöht damit die Effektivität gegenüber einem normalen Leichtwasserreaktor, da es eben die Neutronen besser “in der Mitte” hält.

Der große Nachteil bei Schwerwasser ist primär erst mal, dass es teuer ist. Ein Liter Schwerwasser kostet ca. 300€ und wenn man nun ein ganzes Schwimmbad davon braucht, dann erreichen die Kosten alleine für das Schwerwasser gerne mal bis zu 10% der Kosten des ganzen Atomreaktors. Darüber hinaus ist das keine einmalige Anschaffung, denn wie ich schon in meinem Tritium Artikel geschrieben hatte werden im Schwerwasser durch den Neutroneneinfang radioaktive Tritiumisotope produziert, die in bestimmten regelmäßigen Abständen herausgefiltert werden müssen. Dazu muss in der Regel das ganze Schwerwasser ausgetauscht und zu einer Aufbereitungsinstallation geschickt werden, was auch nicht ganz einfach ist.

Grundsätzlich gibt es weltweit zwei große Lieferanten für schweres Wasser, “die Kanadier” und “die Inder”. In diesen beiden Ländern sind die meisten CANDU-Reaktoren im Einsatz, es wird viel schweres Wasser benötigt und der Fertigungsprozess profitiert sehr von groß angelegten Anlagen. Der “Fertigungsprozess” ist meist eine Art Elektrolyse, bei der der im natürlichen Wasser vorhandene Anteil an Schwerwasser herausgetrennt wird. Diese Elektrolyse benötigt wiederum eine Menge Strom, der meist auch wieder von Schwerwasserreaktoren zur Verfügung gestellt wird.

Von meinem verzweifelten Versuch mich durch den indischen Bürokratiedschungel zu kämpfen, um von den Indern einen Kostenvoranschlag zu bekommen, werde ich hier sicher noch mal in einem separaten Beitrag berichten, aber die Kanadier sind da recht professionell und daher bekomme ich nun mein Schwerwasser aus den großen Seen geliefert. Das Problem bei der Bestellung sind nicht die chemischen Eigenschaften des D2O (denn radioaktiv is es eben nicht), sondern die Moderatoreigenschaften. Da man Schwerwasser zum Brüten von waffenfähigen Isotopen und allgemein zum Atomwaffenbau verwenden kann, unterliegt es der Überwachung durch die IAEA und allgemeinen Handelsbeschränkungen für Dual Use Güter. Das heißt, ich benötige für den Kauf eine Ausfuhrerlaubnis der kanadischen Regierung und eine End-User Vereinbahrung, damit ich nicht auf die Idee komme daraus Atomwaffen zu bauen oder es an den Iran weiter zu verkaufen.

Nachdem ich dann mein Schwerwasser endlich bekommen hatte, sollte ich als vernünftiger Wissenschaftler ja als ersten Schritt mal die Qualität und Reinheit messen und an diesem Schritt sitze ich nun aktuell. Grundsätzlich kann die Menge an Fremdatomen durch eine Titration bestimmt werden, aber das sagt mir leider nicht, was für Fremdstoffe in meinem Wasser sind. Um die Zusammensetzung der verschiedenen Isotope herauszufinden (wieviel Prozent H, D und T) könnte man Massenspektroskopie betreiben und sie nach ihrem Gewicht trennen oder NMR-Spektroskopie benutzen, um sie nach ihrem Kernspin zu unterscheiden. Leider sind wohl beide Verfahren hier im Haus gerade nicht so einfach möglich, so dass ich wahrscheinlich auf Plan-B zurückgreifen muss.

Plan-B wäre dann nur den Tritiumgehalt zu messen, denn wie ich dem entsprechenden Artikel ja schon geschrieben hatte, ist Tritium leicht radioaktiv und das ist ja mein Fachgebiet. Mithilfe von Flüssigszintillation, bei der das Schwerwasser dann mit einem radiolumineszenten Farbstoff vermischt wird, kann man sehr sehr präzise die Radioaktivität und damit den Gehalt an Tritium in meiner Probe messen. Das ganze ist sogar so präzise, dass ich festellen kann, wieviel Neutronen mein Schwerwasser nur dadurch einfangen wird, dass es hier im Keller herumsteht. Ich nehme momentan noch Wetten an, wo mehr Tritium drin ist… in meinem Schwerwasser oder in einer Vergleichsprobe Wasser aus dem Rhein vor meiner Haustür… ich bin sehr gespannt.

Kommentare (22)

  1. #1 Martin
    Leipzig
    11. März 2015

    Bin auf das Ergebnis gespannt. Besonders der Einfluss von Niederschlägen auf den Rhein, wird wohl eine größere Rolle spielen.

    btw:
    Absatz 3: gegenüber “einem” Leichtwasserreaktor

    Absatz 4: in “regelmäßigen” Abständen (regenmäßig war wohl nicht gemeint)

  2. #2 Tobias Cronert
    11. März 2015

    merci -> geändert

    obwohl regenmäßiger Tritiumeintrag sicher auch eine interessante Sache wäre, wenn es in den Reaktor reinregnet, wie in Fukushima.

  3. #3 Hobbes
    11. März 2015

    Da ja Tritium ein unerwünschtes Nebenprodukt beim Deuterium zu seien scheint könnte ich mir gut vorstellen das es im Vergleich zu normalen Wasser hoch rein ist was den Tritiumgehalt angeht. Auch wenn ich denken würde das normales Wasser an sich ja schon “hoch rein” ist (aus Laiensicht nicht als wissenschaftlicher Begriff)

    Etwas überrascht hat mit das Deuterium nur aus normalen Wasser gefiltert wird und nicht aus irgendwelchem bestrahlten. Müssen ja nicht gerade Abwässer aus LWRs seien. Ist der Deuteriumgehalt eigentlich in allen Gewässern gleich hoch?

  4. #4 Krypto
    11. März 2015

    wodurch es(das Deuteriumatom) ungefähr doppelt so schwer wird (daher der Name “schweres Wasser”)

    Die Aussage ist natürlich richtig, aber ich würde zur Klarstellung ergänzen, dass das schwere Wasser nur ca. 10% mehr Dichte hat.

  5. #5 Krypto
    11. März 2015

    @Hobbes:
    Nein, stehende Gewässer mit hoher Verdunstungsrate haben auch höheren Anteil an H-Isotopen, weil solches Wasser eben schwerer ist und nicht so leicht verdunstet.
    Dafür ist der Anteil in Atmosphäre, Gletschern usw. geringer.

  6. #6 wiener
    11. März 2015

    Rumaenien stellt auch schweres Wasser fuer seine CANDU Reaktornen her. Ich glaube, die wuerden auch was verkaufen….

  7. #7 Waringer
    Terra
    11. März 2015

    Also eigentlich sollte es ausreichen, die Dichte der Schwerwassers zu bestimmen.

    Die Werte sind lt. Wikipedia

    H2O: 0,999975 g/cm3
    D2O: 1,10589 g/cm3
    T2O: 1,21502 g/cm3

    Wenn jetzt noch der Tritiumgehalt bekannt ist, sollte eine genaue Dichtemessung hinreichen (sofern man die Mischmoleküle wie HDO, HTO, DTO vernachlässigt bzw. lediglich auf den Gehalt an Deuterum abzielt). Natürlich darf sich bei der Anreicherung das Verhältnis der Sauerstoffisotope O16/O17/O18 nicht verschoben haben, denn das würde auch die Dichte verfälschen …

    Ansonste ist der Rest aber simple Mathematik.

  8. #8 CM
    12. März 2015

    Ansonste ist der Rest aber simple Mathematik.
    Hüstel. Die Fehlerfortpflanzung bei derartigen Titrationsversuchen ist eher frustrierend …

  9. #9 gedankenknick
    12. März 2015

    Für die qualitative (und gegebenenfalls auch die quantitative) Analyse von Fremdatomen würde sich gegebenenfalls Flammenemissionsspektrometrie, Flammenabsorptionsspektrometrie oder Plasmaemissionsspektrometrie eignen. Vielleicht helfen da die Kollekten des FB physikalischen Chemie oder des FB Chemie weiter. Ist zwar nicht perfekt, aber ein Ansatz….

  10. #10 Waringer
    Terra
    12. März 2015

    @CM: Titration ???? Mitnichten.

    Aus der Tritiumaktivität (die sich ziemlich präzise bestimmen lässt) kommt man mit Zerfallkonstante, Avogadro-Zahl und etwas Stöchiometrie problemlos auf einen Gehalt an Tritum. Für ein gegebenes Gemisch ergibt sich dann die Dichte Rho als

    Rho(Gesamt)=Rho(H)*Anteil(H)+Rho(D)*Anteil(D)+Rho(T)*Anteil(T)

    Und es gilt

    Anteil(H)+Anteil(D)+Anteil(T) = 1

    Rho(H,D,T) stehen im letzten Post, Anteil T ist bekannt, Rho(Gesamt) wird (bei Normbedingungen) gemessen. Der Rest ist simple Algebra und wird dem geneigten Novizen als Übung anheim gestellt.

    Wo soll man jetzt titrieren ?

  11. #11 Krypto
    12. März 2015

    Um mal auf die Wette zurückzukommen:
    Ich setzte auf mehr T in Deinem Schwerwasser.

  12. #12 Einbaum
    13. März 2015

    Auch wenn D weniger Neutronen absorbiert als H, so absorbiert es dennoch ab und zu ein Neutron.

    Das bedeutet, daß das D leicht zu T werden kann.

    Im Gegensatz zum H, welches erst einmal durch ein absorbiertes N zu D werden muß und erst durch ein weiteres N zum T werden wird.

    In der gesamten Suppe wird auf jeden Fall jedes eintreffende N absorbiert werden, wenn die Suppe ausreichend dick ist. Egal, ob D oder H.

    Aber das bedeutet auch, daß proportional zum D Gehalt die T Produktion ansteigen wird.

    Rheinwasser hat rund 1/6000 D Anteil. Angereichertes Wasser hat einenm viel höheren D Anteil.

    Daher wird im D-Wasser mehr T entstehen.

    Unabhängig davon: D2O ist giftig.

    In Rußland gibt es eine Gegend, wo die Menschen uralt werden. Ich weiß leider nicht mehr, wo das ist und wie uralt sie durchschnittlich werden. Aber es waren glaube ich 110 Jahre.

    Man hat alles untersucht, was es zu untersuchen gab. Man konnte nichts finden, was bei diesen Menschen anders war als bei denen in anderen Gebieten.

    Der einzige Unterschied, den man festgestellt hat, war die Trinkwasserqualität: Der D2O Anteil war erheblich geringer.

    Ich könnte mir daher durchaus vorstellen, daß man “sein” D2O Wasser selbst herstellt und das “Abfallwasser” als schwerwasserfreies Trinkwasser für “viel Geld” verkauft 🙂

    Ich bin mir sicher, daß damit die “häusliche” D2O Produktion sehr lukrativ wird 🙂

  13. #13 Tobias Cronert
    13. März 2015

    Na es werden nur alle Neutronen in der Suppe absorbiert, wenn man sie nicht vorher mit einem Strahlrohr entzieht und zum Experimentiren benutzt *g*

    Die giftigkeit von D2o bezieht sich ja vor allem darauf, dass Diffusions (und ähnliche) Prozesse im Körper gestört werden und ich kenne jetzt keine vernünftige Stidie, die das mal wissenschaftlich untersucht hätte.

    Es hölt sich hartnäckig die urban Legend, dass die Russen mal einen schweren Hund gehabt hätten, den sie nur mit D2O gefüttert haben um die Wirkung auf einen lebenden Organismus auszuprobieren, aber das ist wahrscheinlich leider nicht war.

    Deuterium wird wegen seines abweichenden Kernspins von normalem H gerne als Marker in der NMR eingesetzt und man kann eine Menge biologischer Systeme deuterieren.

  14. #14 rolak
    13. März 2015

    ist wahrscheinlich leider nicht wa[h]r

    Na für mich eher hoffentlich nicht wahr, wenn die im wiki beschriebenen Effekte zutreffen.

    • #15 Tobias Cronert
      13. März 2015

      In der Urban Legend soll das Schwerwasser rel. geringen Einfluss auf die Physiologie (des Hundes) gehabt haben. Das kann ich mir auch vorstellen, aber ich glaube das ist wirklich nur etwas, das man ausprobieren muss und nicht einfach nur im Reagenzglas brobieren kann… aber da steht halt das Risiko in keinem Verhältnis, da ich mir keinen wirklichen Nutzen vorstellen kann.

  15. #16 Andreas Rolfs
    Berlin
    15. Februar 2016

    Wie waren denn nun die Ergebnisse?? Und wieviel TU sind denn noch tolerierbar in D2O ??

  16. #17 ARO
    Berlin
    15. Februar 2016

    Wie waren dennn nun die Ergebnisse, oder habe ich das überlesen??? Und wieviel TU in D2O sind denn tolerierbar??

  17. #18 Tobias Cronert
    15. Februar 2016

    Naja, die Freigrenze für Tritium liegt rel hoch bei ca 10^9 Bq, da sind wir momentan noch nicht mal ansatzweise dran. Bislang haben wir nur mit herkömmlicher Gamma Szintillation gemessen und dabei ist nichts rausgekommen. Wenn wir uns noch mehr Aktivierung einhandeln werden wir dann sicher Flüssigszintillation betreiben, aber soweit sid wir erst, wenn ich das Schwerwasser wieder aus dem Kontrollbereich herausholen möchte.

  18. #19 klarosti
    trier
    23. Dezember 2016

    Die gegend mit den langlebigen leuten ist im hohen altai-gebirge und die tatsache, dass dort das Regenwasser wenig 2D (+ wenig 3T) enthält gab Veranlassung, nach Methoden zu suhen , dD-wasser herzustellen (D-depleted), was bereits in China jetzt verwendet wird wo man auch ROS-armes Wasser durch Metall-Filterung bei Unterdruck-Destillation herstellt. (Siede-Temp des Wassers machte Garungs-Prozesse für die Himalaya-Expeditionäre ggf. problematisch, wenn Sterilisation wg.bakt-kontaminierten Nährmitteln wichtig war).
    In Ungarn wird dD-85 Wasser erfolgreich in der Diabetes-Therapie eingesetzt.(Gabor Somliay,hyd-hu)

  19. #20 klarosti
    Trier
    23. Dezember 2016

    Mich interessiert die Abschätzung der 2D-Collateral-Produktion in den Leichtwasser-Reaktoren, die ja bei bek. Sigma-wert beträchtlich sein muß.
    Wo sind Publikationen dazu und Versuche über die
    sichere Grenzwerte in den Nahrungsmitteln für 2D.
    Deine beschriebenen toxischen Effekte i.R.von Diffusions- u.Filtrationsbedingungen zB in den Zellen der einschichtigen Nierenkanälchen sind ja gerade durch die ‘Klebrigkeit” des OBD ( u.OBT!!) Infolge der starken v.d.Waals’schen Bindungskräfte in den C- > O-> N- > D- > H- Verbindungen zu sehen. Und da die Härtung von “Doppelbindungen” in den ‘Pufas’ (poly-unsaturated fatty acids) in den 70-er Jahren in Jülich
    für die Handschuh-test-kästen-Entlüftung bereits
    Patentiert & angewendet wurde, sind diese Fakten Altwissen. Auch daß aromatische und heterozyklische
    Aminosäuren dann ( mit D oder T gehärtet) im Körper nicht mehr brauchbar sind sondern über Macrophagen
    Via face es ausgeschieden werden müssen ist interessant und wichtig wg. Toxizitäts- u.Immun-Relevanz.

  20. #21 klarosti
    Trier
    23. Dezember 2016

    Mich interessiert die Abschätzung der 2D-‘Collateral’-Produktion in den Leichtwasser-Reaktoren, die ja bei bek. Sigma-wert beträchtlich sein muß.
    Wo sind Publikationen dazu und Versuche über die
    sicheren Grenzwerte in den Nahrungsmitteln für 2D.??

    Deine beschriebenen toxischen Effekte i.R.von den Diffusions- u.Filtrationsbedingungen zB in den Zellen der einschichtigen Nierenkanälchen sind ja gerade durch die ‘Klebrigkeit” des OBD (+.OBT!!) Infolge der starken v.d.Waals’schen Bindungskräfte in den C- > O-> N- > D- > H- Verbindungen zu sehen. Und da die bek. Härtung von “Doppelbindungen” in den ‘Pufas’ (poly-unsaturated fatty acids) in den 70-er Jahren in Jülich für die Handschuh-Test-Kästen-Entlüftung bereits patentiert & angewendet wurde, sind ds Fakten Altwissen. Auch daß aromatische und heterozyklische
    Aminosäuren dann (mit D oder T gehärtet) im Körper nicht mehr brauchbar sind sondern über Macrophagen
    u. Darm via faeces ausgeschieden werden müssen ist interessant und wichtig wg. der Toxizitäts- u.Immun-Relevanz.
    LACROIX hatte 1975 einen von der IAEA-Diskussions-
    Leitung hochbelobigten interessanten Beitrag zu 2D gebracht, dessen Forderungen und dringliche Warnungen aber wohl sonst kaum je erwähnt wurden. Jedenfalls ist seine “Risikowarnung” im BAfRisiko-Forschung völlig unbekannt u.
    “2D” steht nicht einmal in deren Suchwort-Katalog!!.

    Also, auf welche Arbeiten stützt sich die ‘GRAS’ Meinung, daß 2D als “natürlicher Stoff,- da in der Natur über-reichlich vorhanden” (und in O-Games bagatellisierend sogar als
    Brennstoff “zurechtgedichtet”) in KKWs ohnehin nicht rückhaltbar (wie 3T) ungemessen und daher jederzeit abgegeben werden darf und muß, zB. bei der laufend nötigen Entfernung der “korrosiven Produkt-Gase” i.R. der I°-KW-Reinigung mit oder ohne Hydrazin-Zusätze
    Aber auch in allen “Abklngbecken” durch Neutronen-Einfang entspr.vermehrt gebildet wird…

    Salz ist ja auch ein natürlicher Stoff, der auch in jedem Organismus in genauen Grenzen nur verträglich ist, daher ist tägliche Aufnahme-Menge begrenzt und an
    Trinkmengen gebunden- nur bedingt verträglich, wie
    viele unserer heimatvertriebenen Neubürger mit Mittel-Meers-Tag-u. Nächte-Reise-Erfahrungen wissen.

  21. #22 Tobias Cronert
    27. Dezember 2016

    Also die einzige Studie von physiologischen Auswirkungen von erhöhtem Deuterium auf Lebewesen (die ich kenne) ist diese hier https://ajplegacy.physiology.org/content/201/2/357 wo der Effekt von schwerem Wasser auf Hunde untersucht wurde. Für die Hunde ist es auf jeden Fall nicht gut ausgegangen, aber da wurde eben auch mit sehr hohen Konzentrationen hantiert. Ich denke nicht, dass man das auf niedrige Konzentrationen linear extrapolieren kann, aber ich bin ja auch nur Hobbymediziner und nicht qualifiziert da irgendeine Aussage zu treffen.

    Soweit ich weiß wird die Produktion von D in Leichtwasserreaktoren vernachlässigt (Achtung gefährliches Halbwissen, nicht zitierfähig *g*) im Gegensatz zu der Tritiumproduktion, die aus Strahlenschutzgründen überwacht wird. MMn kann man das rel. leicht ausrechnen, was sicher auch schon getan wurde, da eine Verringerung des H und Erhöhung des D in größerer Menge Auswirkungen auf die Reaktordynamik hätte… aber da müsste man mal jemanden aus der Reaktortechnik fragen, ich habe da keine Ahnung.
    Im Allgemeinen müsste sie allerdings recht niedrig sein, die Neutronenproduktion ist ja in der Größenordnung 10^17n/s cm^2 und selbst wenn jedes Neutron absorbiert werden würde, dann würden in der Lebenszeit eines Reaktors nur einige mol produziert werden. Soviel habe ich in einer Flasche bei mir im Labor.