El agua ordinaria se compone de 2 átomos de hidrógeno ordinario (H-1) y un átomo de oxígeno (principalmente O-16). Cada átomo de hidrógeno tiene un electrón solitario dando vueltas alrededor de un protón solitario en el núcleo.
Aproximadamente uno de cada 7000 átomos de hidrógeno es un fenómeno de la naturaleza, que tiene un protón y un neutrón en su núcleo. Dado que un neutrón pesa casi tanto como un protón, y cualquiera de los dos es aproximadamente 1800 veces más pesado que un electrón, estos átomos de hidrógeno especiales pesan aproximadamente el doble que un átomo de hidrógeno ordinario. Llamamos a estas cosas H-2, o hidrógeno pesado, o deuterio.
Cuando haces agua con 2 átomos de hidrógeno pesados en lugar de 2 átomos de hidrógeno ordinarios, llamamos a esto agua deuterada o agua pesada. Actualmente tiene unas pocas cucharadas de agua pesada en su cuerpo en este momento, pero no todas se recogen en un solo lugar. Cuando escribimos la fórmula química para agua pesada, a menudo la escribimos como D2O en lugar de H2O, para recordarnos que estamos usando agua deuterada en lugar de agua común.
Químicamente, D2O actúa de manera muy similar al H2O. Tiene una tasa de reacción ligeramente más lenta, y se ha especulado que esto eventualmente mataría a alguien que bebió solo agua pesada en lugar de agua “ligera” común. Sería un proceso lento, por lo que si está buscando envenenar a alguien, esta no es una buena idea. También es bastante costoso, ya que tiene que separar una parte muy especial del agua que está presente en solo una parte en 7000.
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Pero D2O tiene una propiedad extremadamente útil para aplicaciones nucleares. En un reactor nuclear, los átomos se dividen y envían neutones volando en todas las direcciones. Si uno de estos neutrones golpea un átomo de combustible nuclear, como el U-235, ese átomo puede dividirse y mantener la reacción en cadena. Pero este es un juego de números. Cada átomo que se divide envía varios neutrones, pero la mayoría de ellos se pierden. Algunos se escapan del reactor, y a menos que esté usando U-235 puro (en cuyo caso, tiene una bomba nuclear), algunos de ellos se absorben en los átomos del U-238 que forman alrededor de 146 partes de 147 en uranio natural
Y es por eso que no se puede acumular una gran cantidad de uranio en un solo lugar y tener un reactor nuclear. Si alguna vez comenzaste la reacción en cadena, se esfumaría inmediatamente porque muy pocos neutrones encontrarían un átomo de U-235 para dividirse. Por lo tanto, hay varios trucos utilizados para conservar los neutrones preciosos hasta que hagan algo útil.
Uno de esos trucos es reducir la velocidad hasta que se muevan tan rápido como un átomo de uranio vibra (todos los sólidos vibran debido al calor, a menos que se enfríen a cero absoluto). Llamamos a esos neutrones “termalizados”, porque se mueven aproximadamente a la misma velocidad que los átomos en el combustible. Un neutrón térmico es mucho más probable que divida un átomo de U-235 que un neutrón “rápido”.
Y para reducir la velocidad de los neutrones, necesitas un moderador. El uranio es un terrible moderador, porque los átomos de uranio son gigantes en comparación con los neutrones, y los neutrones simplemente rebotan sin disminuir la velocidad. Necesitas átomos realmente pequeños … como el hidrógeno.
El gas de hidrógeno no funciona, porque los átomos de hidrógeno están tan separados que los neutrones rara vez llegan a uno. El agua funciona bien porque agrupa muchos átomos de hidrógeno en un espacio pequeño. Los neutrones generalmente solo tienen que viajar unas pocas pulgadas antes de golpear uno, y después de algunas colisiones de este tipo, están bien térmicamente y listos para dividir un átomo de U-235.
Pero hay una trampa. Un neutrón puede rebotar y reducir la velocidad, pero también puede ser absorbido por el átomo de hidrógeno, convirtiéndolo en un átomo de deuterio. (H + n = D). Y no lo sabrías, esto sucede lo suficiente como para que estés un poco corto de neutrones, y tu reactor se agota. Casi funciona, pero no del todo.
Hay dos formas de arreglar esto. Una es separar los átomos de U-238 para que su uranio esté “enriquecido” en U-235. El uranio es naturalmente aproximadamente 0.7% de U-235 y 99.3% de U-238. Si puede obtener hasta aproximadamente 5% de U-235 y solo 95% de U-238, entonces puede permitirse perder un montón de neutrones en los átomos de hidrógeno en el agua, y dado que los que quedan ahora son mucho más probables para encontrar y dividir un átomo de U-235, su reacción en cadena continúa y su fuego nuclear se prende y se quema.
Pero hay otra forma. Sustituya agua pesada por agua ligera en el reactor, y prácticamente ninguno de los neutrones se absorbe en el agua. ¡Todos los átomos de hidrógeno ya tienen un neutrón, y no necesitan dos! Entonces, los neutrones rebotan y rebotan un poco más, y ahora quedan suficientes para que puedan mantener una reacción en cadena incluso en uranio U-235 natural al 0.7%.
Ahora, es muy costoso enriquecer uranio, y es muy costoso separar el agua pesada del agua ordinaria. ¿Cual es mejor? Bueno eso depende. La mayoría de las centrales nucleares en los Estados Unidos funcionan con agua ligera y uranio enriquecido. Pero en Canadá, la mayoría de las centrales nucleares funcionan con agua pesada y uranio natural. Todo depende de cómo esté configurada su economía nuclear, y Canadá tiene un buen suministro de agua pesada (relativamente) barata. Los Estados Unidos, por otro lado, fabricaron gran cantidad de uranio enriquecido para bombas, a pesar de que la mayoría de sus bombas usan plutonio. Y dado que los reactores de agua ligera son más compactos que los reactores de agua pesada, ¿adivina qué tipo prefiere la Marina de los EE. UU. En sus portaaviones y submarinos?