Nước nặng có gây phóng xạ không?

Nước nặng là gì?

Trước tiên, bạn nên biết, không phải tất cả nước trên Trái đất đều có công thức hóa học là H₂O. Chúng ta còn có nước nặng, công thức hóa học là D₂O. Vậy “nước nặng” là gì?

Bạn biết rằng, nguyên tử hyro có 3 đồng vị là protium (¹₁H), deuterium (¹₂H) và tritium (¹₃H). Sự khác biệt chính ở ba đồng vị hydro này, nằm ở số lượng neutron trong hạt nhân. Protium chỉ có một proton và một electron. Deuterium có một proton và thêm một neutron khi so sánh với protium. Tritium có một proton và thêm hai neutron khi so sánh với protium.

Hầu hết hydro trong tự nhiên ở dạng protium. Nước nhẹ (H₂O) là nước bình thường mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hằng ngày có chứa đồng vị protium.

Deuterium có thêm một neutron so với protium chỉ có một proton và một electron. Điều này khiến một đồng vị deuterium có khối lượng nặng gấp đôi một đồng vị protium, dẫn đến D₂O sẽ nặng hơn H₂O. Đây chính là nguồn gốc của cái tên nước nặng.

Nước nặng được định nghĩa là nước có chứa hàm lượng deuterium cao, một đồng vị bền (ổn định) của hydro. Nước nặng có hàm lượng deuterium khoảng 99,8%, là hợp chất được tạo thành từ oxy và deuterium, gọi là deuterium oxide.

Deuterium hay “hydro nặng” được nhà khoa học người Mỹ Harold Clayton Urey và các cộng sự phát hiện vào năm 1931. Ông được trao Giải Nobel Hóa học vào năm 1934 về khám phá này. Người cố vấn của Urey là Gilbert Newton Lewis cô lập mẫu nước nặng tinh khiết đầu tiên bằng cách điện phân nước năm 1933. Vào thời điểm khám phá deuterium, neutron vẫn chưa được phát hiện, do đó, tên “hydro nặng” được sử dụng cho thứ hiện nay gọi là deuterium.

Mặc dù protium (H₂O), deuterium (D₂O) và tritium (T₂O) khác nhau về thành phần nguyên tử, nhưng tính chất vật lý, hóa học của chúng là gần tương tự nhau (T₂O là nước siêu nặng).

Bạn cũng không nên nhầm lẫn “nước nặng” với “nước cứng”. Nước cứng là loại nước chứa hàm lượng chất khoáng cao, chủ yếu là ion canxi (Ca²⁺), ion magie (Mg²⁺), hoặc cũng có thể chứa ion sắt hay các ion kim loại khác.

Vai trò nước nặng trong lò phản ứng hạt nhân

Trong lò phản ứng điện hạt nhân, phản ứng phân hạch tạo ra các neutron nhanh, sinh ra năng lượng để dẫn động turbine làm quay máy phát điện. Các neutron nhanh cần được làm chậm lại để tăng khả năng gây ra phản ứng phân hạch dây chuyền. Vật liệu làm chậm được gọi là chất làm chậm (chất điều tiết).

Nước nặng được sử dụng làm chất làm chậm trong một số kiểu lò phản ứng hạt nhân, như lò phản ứng nước nặng áp suất (PHWR). Trong đó, nước nặng đóng vai trò là chất điều tiết neutron để làm chậm neutron trong phản ứng với uranium trong lò phản ứng. Lò phản ứng nước nặng áp suất (PHWR) được phát triển từ những năm 1950 tại Canada với tên gọi CANDU (Canada Deuterium Uranium).

Nước nhẹ cũng có thể đóng vai trò làm chất làm chậm nhưng do nó hấp thụ nhiều neutron hơn so với nước nặng, nên các lò phản ứng sử dụng nước nhẹ, như lò phản ứng nước áp suất (PWR), lò phản ứng nước sôi (BWR) phải dùng uranium làm giàu, chứ không phải uranium tự nhiên như lò PHWR. Nếu làm khác đi thì điểm tới hạn của lò phản ứng là không thể.

Nước nặng có gây phóng xạ không?

Có thể bạn đã thắc mắc, uống nước nặng có an toàn không? có phóng xạ không? Điều đầu tiên khẳng định là không. Nước nặng không có tính phóng xạ. Để hiểu tính chất này của nước nặng, bạn cần biết sơ qua về đồng vị của các nguyên tố hóa học.

Đồng vị là các biến thể của một nguyên tố, trong đó hạt nhân nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số neutron. Một số đồng vị có tính phóng xạ (biểu hiện qua sự phân rã phóng xạ), được gọi là đồng vị phóng xạ (đồng vị không ổn định). Một số đồng vị khác không phóng xạ, được gọi là đồng vị bền (đồng vị ổn định).

Như trên đã nói, deuterium là một đồng vị bền (đồng vị ổn định) của hydro. Như vậy, deuterium không có tính phóng xạ. Bên cạnh đó, các tính chất vật lý, hóa học của D₂O là gần tương tự như H₂O, nên nước nặng trông giống như nước thông thường.

Nhưng nói nước nặng không có tính phóng xạ, không có nghĩa là bạn có thể uống nước nặng thoải mái mà không ngộ độc! Nếu bạn uống quá nhiều nước nặng, các triệu chứng gặp phải giống như ngộ độc, mặc dù nước nặng không có phóng xạ. Điều này phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó.

Nếu hấp thụ lượng nước nặng có độ tinh khiết cao, sẽ có ảnh hưởng không nhỏ đối với cơ thể của động vật, thực vật. Thực vật sẽ chết trong môi trường nước nặng có nồng độ cao. Động vật có vú sẽ chết khoảng một tuần sau khi được cho uống lượng nước nặng nồng độ khoảng 50%, cá sẽ chết nhanh chóng trong môi trường nước nặng hơn 90%.

Các nhà khoa học cho rằng, trừ khi bạn uống đủ nước nặng để thay thế khoảng 20 - 50% nước trong cơ thể, tình trạng ngộ độc mới bắt đầu xảy ra. Trên thực tế, con người và động vật hầu như không thể tiếp xúc với lượng nước nặng có độ tinh khiết cao, trừ các thí nghiệm phục vụ mục đích nghiên cứu.