Tungtvann er en spesiell form for vann som spiller en viktig rolle i kjernereaktorer og som brukes i mange eksperimenter. 

Forskjellen på tungtvann og vanlig vann ligger i hvilken isotop av hydrogen det er mest av i vannet. Det finnes tre isotoper av hydrogen: protium, deuterium og tritium. Deuterium er dobbelt så tung som protium. I vanlig vann er det mest protium. I tungtvann er det mest deuterium. 

Tungtvann, eller deuteriumoksid (D2O) som er den kjemiske navnet, er en væske uten lukt og smak som vanlig vann (H2O). Men andre egenskaper til tungtvann er svært forskjellig fra alminnelig vann: smeltepunktet er 3,81 °C, normalkokepunktet er 101,42 °C, temperaturen for maksimal tetthet er 11,23 °C (vann 3,98 °C). Ved 25 °C har tungtvann tetthet 1,10452 g/mL, vanlig vann 0,99701 g/mL.

Løseligheten av salter i tungtvann er generelt lavere enn i alminnelig vann. Kjemiske reaksjoner går langsommere i tungtvann enn i alminnelig vann. I større mengder er tungtvann helseskadelig som drikkevann. 

Tungtvann anvendes i kjernereaktorer, som moderator for å bremse nøytronene slik at disse får den riktige hastighet, men også som varmeutvekslingsmedium. Brukt tungtvann fra reaktorer er noe radioaktivt på grunn av dannelse av tritium.

Tungtvann fremstilles industrielt ved elektrolyse av vann, ved kjemiske utbytningsreaksjoner og ved fraksjonert destillasjon av vann eller hydrogen.

Kort etter 1932, da deuteriumisotopen ble oppdaget, ble Norsk Hydro klar over at elektrolysecellene de brukte til å fremstille hydrogen- og klorgass på Rjukan var anriket på deuterium. De startet arbeidet med å fremstille tungtvann som et eget produkt selv om det var uklart den gang om det var et marked for det, bortsett fra til vitenskapelige formål. Tungtvannproduksjonen fortsatte under annen verdenskrig, men i tungtvannsaksjonen ble destillasjonsanlegget ødelagt.

Resten av tungtvannet ble forsøkt sendt til Tyskland i tønner, men fergen ble sprengt på Tinnsjøen 20.2.1944, og tønnene med tungtvannet sank til bunns. En av tønnene ble tatt opp igjen. Innholdet består av vann som inneholder 1,7 % D2O og 9 % kalilut (se figuren i margen). I ordinært vann er det 0,0156 prosent deuterium, så tønnene inneholder omtrent et hundre ganger så mye. Så vannet er anriket på deuterium. Men allikevel, det at konsentrasjonen av D2O i tønnene fortsatt bare er 1,7 %, er nok grunnen til at ikke alle tønnene er tatt opp fra bunnen av Tinnsjøen.

Fremstillingen av deuterium ved elektrolyse beror på at den normale hydrogenisotop, protium, utlades lettere ved elektrodene enn deuterium. Hydrogenet som unnviker ved elektrolysen, er derfor anriket på protium, mens deuterium blir anriket i elektrolyttluten. Etter lengre tids bruk kan anrikningen i tekniske elektrolyttluter bli fem ganger det opprinnelige innhold.

Hele prosessen er energikrevende og kan bare utføres når store mengder hydrogen samtidig kan brukes for andre formål, for eksempel til fremstilling av ammoniakk

Utbytningsreaksjoner

Fremstillingen ved utbytningsreaksjoner beror på utbytning av deuterium mellom vann, H2O, og hydrogensulfid, H2S, eller mellom hydrogengass og vann eller ammoniakk. Den første av disse reaksjonene er viktigst for fremstilling av større mengder tungtvann.

Reaksjonen utføres ved så lav anrikningsgrad at deuterium hovedsakelig finnes som HDS i hydrogensulfidet og som HDO i vannet. Fordelingen av deuterium mellom hydrogensulfid og vann bestemmes av utbytningslikevekten:

HDS(g) + H2O(l) ⇆ H2S(g) + HDO(l)

Ved lav temperatur (25 °C) er likevekten forskjøvet mot høyre, og det vil derfor skje en utbytning av D mellom HDS og H2O slik at D blir anriket i vannet.

Prosessen utføres mest økonomisk ved å benytte seg av at likevekten ved høyere temperatur er mindre forskjøvet mot høyre. Utføres prosessen derfor vekselvis ved lav og høy temperatur (130 °C) ved å la hydrogensulfidgass og vann sirkulere mellom et varmt og et kaldt kolonnetårn, vil hver overgang til ny fase innebære en anrikning av deuterium, ved lav temperatur i vannfasen, ved høy temperatur i hydrogensulfidgassen.

Anrikningen drives i alminnelighet til ca. 15 molprosent D2O innhold i vannfasen. Videre anrikning til 90 % D2O skjer ved destillasjon ved lavt trykk og til 99,75 % D2O ved elektrolyse. Tungtvann blir i dag fremstilt etter denne metoden i USA og Canada.

Ammoniakk/hydrogenutbytningsreaksjonen:

NH3(l) + HD(g)⇆ NH2D(l) + H2(g)

Denne reaksjonen er gunstigere enn hydrogensulfid/vannreaksjonen for anrikning av deuterium, men den krever en katalysator for å oppnå et brukbart utbytte. En fabrikk med kaliumamid KNH2 som katalysator ble startet i Frankrike 1968.

Fraksjonert destillasjon av flytende hydrogen beror på at deuterium er mindre flyktig enn det lettere protium, som derfor fortrinnsvis unnviker i gassform ved destillasjonen, mens deuterium anrikes i væsken. Til slutt blir fraskilt deuterium brent til tungtvann i oksygen. Denne metoden lar seg likeledes bare utføre i forbindelse med annen anvendelse av hydrogenet.

Fraksjonert destillasjon av vann beror på at vanlig vann ved alle temperaturer har et høyere damptrykk enn deuteriumoksid. Den relative damptrykkforskjell er størst ved lave temperaturer. Destillasjonen utføres derfor ved lav temperatur, 30–50 °C, og ved forminsket trykk, 6,5–16,5 kPa. Anrikningen drives til omkring 90 molprosent D2O. Sluttanrikning til 99,8 % deuterium skjer elektrolytisk.

Fordi oksygen er en blanding av isotopene 16O, 17O og 18O, finnes det i virkeligheten flere sorter vann (H216O, H217O og H218O), (D216O, D217O og D218O) og (HD16O, HD17O og HD18O). Isotopene 17O og 18O er sågar hyppigere enn deuterium. I vann er det derfor meget mer H218O enn D2O.

Forskjellen i oksygenisotopenes egenskaper er imidlertid så liten at den ikke gjør seg gjeldende, for eksempel ved elektrolyse av vann. Derfor forstår man i alminnelighet med tungtvann deuteriumoksid D2O. Da tritium anrikes på lignende måte som deuterium, inneholder tungtvann strengt tatt også små mengder tritiumoksid T2O.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

3. september 2014 skrev Jørund Ruud

"Tungtvann, trivialnavn for deuteriumoksid, D2O ..."
Er ikke dideuteriumoksid mer eksakt?

3. september 2014 svarte Knut Hofstad

Ja, men jeg tror at det helt korrekte navnet er dideuterium-monoksid

3. november 2015 svarte Bjørn Pedersen

Skal man være helt presis er det korrekte navnet dideuteriummonoksid.

Mvh Bjørn

2. november 2015 skrev Frida Faanes

Hva er egentlig forskjellen på vann og tungtvann?

3. november 2015 svarte Bjørn Pedersen

Vann er vanlig, alminnelig vann mens tungtvann er vann anriket på en av isotopene av hydrogen: deuterium.
OK?
Mvh Bjørn

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.