Тритий дейтерий протий: Что такое «легкая»‎ и «тяжелая»‎ вода

Что такое «легкая»‎ и «тяжелая»‎ вода

Мы знаем, что человек на 60% состоит из воды, что формула ее h3O и что воду пить нужно каждый день. Но это действительно школьные знания, ведь состав воды сложнее. Нашими незнаниями умело пользуются маркетологи, которые продают целебную «легкую» воду и пугают страшной «тяжелой». Разбираемся в изотопах водорода и «тяжести» воды.

Теги:

Нетленка

Исследование

Здоровье

Физика

Природа

Getty Images

Радиоактивный, замедляющий жизненные процессы — это тоже о водороде.

Не занимайтесь самолечением! В наших статьях мы собираем последние научные данные и мнения авторитетных экспертов в области здоровья. Но помните: поставить диагноз и назначить лечение может только врач.

Обычная вода действительно состоит из легкой и тяжелой. Связано это с разными изотопами водорода. Изотопы имеют одинаковый порядковый номер в периодической таблице, но разные массовые числа. У водорода семь изотопов, однако только два из них стабильны — протий и дейтерий, а тритий — долгоживущий, его период полураспада около 12 лет. Остальные очень быстро распадаются. 

В ядре протия (это и есть обычный водород) нет нейтронов, а только один протон. Атом водорода содержит таким образом один протон и один электрон. Если взять все изотопы водорода, то протия будет 99,98%. Молекула легкой (обычной) воды h3O состоит из двух атомов водорода (протия) и одного кислорода, а в тяжелая воду входят два атома дейтерия. 

Дейтерий — изотоп водорода. Его ядро содержит протон и нейтрон, что, соответственно, увеличивает его атомную массу. Молекулы тяжелой воды D2О есть в обычной воде, но в очень малых количествах. Примерно 200 молекул тяжелой воды на каждый 1 000 000 обычной. Поскольку дейтерий является стабильным изотопом, тяжелая вода не радиоактивна. 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Дейтерий был открыт в 1931 году лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри. Изотоп используется, как замедлитель нейтронов при ядерных реакциях. Это его качество было использовано физиками при создании ядерных реакторов, в которых тяжелая вода выступает в качестве теплоносителя и замедлителя. Первый такой реактор появился в 1944 году в США. 

D2О замедляет и процессы деления клеток. У эукариот (всех живых организмов, клетки которых содержат ядро) деление останавливается. Семена растений не прорастают, если их поливать тяжелой водой. Это доказал эксперимент американских ученых Джозефа Дж. Каца и Х. Креспи. Если в воде, которая содержится в организме животных, заменить 25-50% атомов протия на дейтерий, последствия будут те же, что и при химиотерапии. 

Однако такой исход маловероятен в обычной жизни, ведь, повторим, содержание тяжелой воды очень мало. Однако и в ней есть и польза. В 2015 году группа ученых из МГУ рассказала, что тяжелой водой можно остановить деление быстроделящихся клеток при лимфосаркоме. Лабораторных крыс, страдающих от опухолей, поили 1% раствором дейтерия, после двухнедельного приема тяжелая вода вышла из организма при водообмене, а значит, ее можно использовать при химиотерапии.

 

Получается, что человеку нужно избегать пить тяжелую воду? Получается, что да, и наука не опровергает такое заключение. Однако целебные свойства воды с пониженным содержанием дейтерия так и не доказаны. Чаще всего маркетологи, которым очень хочется продавать чудо-воду за большие деньги, приводят исследование Татьяны Стрекаловой и других авторов, связавших депрессию у жителей южных и юго-восточных штатов США с повышенным содержанием дейтерия в водопроводах. Действительно, в более теплых местах на Земле дейтерия больше, потому что он тяжелее и его пар оседает в нижних слоях атмосферы, тогда как h3O под воздействием лучей Солнца улетучивается. Но в этом исследовании кроме корреляции между содержанием дейтерия в водопроводной воде и уровнем депрессии в южных штатах США, доказательств пользы легкой воды представлено не было.

Есть и еще более тяжелый изотоп водорода, который тоже может входить в тяжелую воду – тритий. Это радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 12 лет, его ядро состоит из протона и двух нейтронов, в природе он образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения. Тритий был открыт учеными Э. Рейзерфордом и М. Олифантом в 1935 году, а через 20 лет стал использоваться на атомных электростанциях. Химик Игорь Петрянов-Соколов в середине прошлого века исследовал влияние тяжелой воды и доказал, что кипячение не способствует повышению концентрации дейтерия и трития. 

Вода была и остается незаменимым источником жизни для человека, все ее целебные и опасные свойства только предстоит узнать. 

водород и бор вместо дейтерия и трития / Хабр

Прототип термоядерного реактора TAE 5-го поколения был разработан для создания температур 30 миллионов градусов Цельсия, но уже сейчас он достиг 75 миллионов градусов. И в настоящее время команда разработчиков стремится увеличить температуру в 10 раз, причем ориентируясь на более дешевое, простое и безопасное борсодержащее топливо.

Если достаточно сильно ударить ядра двух атомов друг о друга, они могут слиться и создать другой элемент. Если вы используете правильные элементы, то получившийся в результате слияния атом будет весить меньше, чем первоначальные компоненты, а разница в массе будет высвобождена в виде энергии E=mc², как предсказывает знаменитое уравнение Эйнштейна. Если учесть, что квадрат скорости света довольно большое число, то даже небольшая масса топлива может выделить много энергии.

Но проблема в том, что атомные ядра чрезвычайно малы и положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, из-за чего их трудно столкнуть вместе. Тем не менее процесс синтеза постоянно происходит на Солнце. Но Солнце обладает колоссальной массой и гравитацией, которая притягивает атомы к центру звезды, заставляя их яростно колебаться и соударяться друг с другом. Сливаясь вместе, они высвобождают большое количество тепла, и такая цепная реакция не закончится в течение миллиардов лет.

Люди в течение многих десятилетий пытались воспроизвести этот процесс на Земле, привлеченные потенциальным обилием чистой энергии, причем даже более безопасной, чем ядерное деление, которое в свою очередь, несмотря на несколько громких инцидентов, остается одной из самых безопасных форм производства энергии. Пока еще ни у кого нет работающей термоядерной установки, но прогресс в этой области, похоже ускоряется.

Не имея огромной массы Солнца и его гравитационного притяжения многие попытки термоядерного синтеза на Земле полагаются на более высокие температуры, чем у нашего светила. В проектах синтеза с магнитным удержанием плазмы она нагревается примерно до 100 миллионов градусов по Цельсию, что почти в 4 раза горячее, чем в ядре Солнца. Тепло – это движение на атомном уровне, поэтому ожидается, что это дополнительное движение столкнет атомы плазмы друг с другом достаточно сильно, чтобы преодолеть ядерное отталкивание и началась реакция синтеза.

Но заметьте, предполагается, что вы используете тритий и дейтерий в качестве топлива. Например, этот способ реализует масштабный международный проект ИТЭР (ITER). Но у трития есть свои проблемы – он радиоактивный и облучает материалы реактора. Еще хуже тот факт, что он достаточно редок – сегодня в мире накоплено всего около 25 килограммов этого вещества, и, по собственным оценкам ИТЭР рассчитывает использовать почти всё это количество в экспериментах. Поэтому дефицит и радиоактивность делают термоядерную энергию достаточно дорогой.

Michl Binderbauer

«Практические ограничения немедленно становятся ограничениями по стоимости», — говорит Michl Binderbauer – генеральный директор TAE Technology (раннее называвшейся Tri Alpha Energy). Эта калифорнийская компания, основанная еще в 1998 году, как дочерняя компания Калифорнийского университета в Ирвине, привлекла более 1,2 миллиарда долларов США от таких инвесторов, как Google, Chevron, Goldman Sachs, Пол Аллен, семья Рокфеллеров и других. Собранные средства используются для создания ряда прототипов, которые постепенно увеличиваются в размерах.

Этапы развертывания термоядерного реактора

К началу 2030-х годов версия прототипа Да Винчи должна стать первой термоядерной электростанцией, поставляющей энергию в сеть

Четвертый прототип, названный Norman, в честь его разработчика Нормана Ростокера (Norman Rostoker), был построен в 2017 году и рассчитан на температуру плазмы 30 млн °C. Однако Норман получился намного лучше, чем запланировано. TAE продемонстрировал способность поддерживать плазму при температуре 75 млн °C, что позволило компании опередить график. Но конструкторы не нацелены даже на 100 миллионов градусов – их задача миллиард градусов Цельсия.

TAE надеется, что тритий будет просто демонстрационной точкой на пути к тому, чего компания действительно хочет достичь – синтез водорода и бора. У бора есть все преимущества, которых нет у трития: процесс не сопровождается никакой радиоактивностью, а на выходе получается гелий – химически инертный и безопасный, настолько насколько это вообще возможно. Бор сегодня производится метрическими тоннами. Он используется в моющих средствах – это товарный продукт, его можно найти повсюду.

Недостатком является то, что атом бора больше, чем тритий, с большим количеством положительных зарядов в ядре, поэтому в конструкции с магнитным удержанием нужно использовать гораздо больше энергии. Энергии на миллиард градусов.

Чтобы достичь температуры в 10 раз выше, чем то, к чему даже стремятся токамаки мира, TAE пришлось спроектировать совсем другой реактор, конструкция которого перекликается с ускорителем частиц в ЦЕРНе, где субатомные частицы разгоняются до астрономических величин и достигается температура в 5 триллионов градусов или ее эквивалент. Но для проекта TAE нужен только миллиард.

К концу 1990-х команда проработала достаточно много теоретического материала, провела моделирование и симуляцию процессов. В результате через 20 лет приступила к работе уже над физическими прототипами. Это был путь не столько научных открытий, сколько отработки технологий и создания инженерных компонентов.

Ускорители частиц текущего поколения (желтые цилиндры) позволяют разогреть плазму до 75 миллионов градусов

В то время как ускоритель частиц Большого адронного коллайдера представляет собой кольцо длиной 27 км, установка TAE удивительно компактна. «По сравнению с ЦЕРНом наши цифры выглядят смешными, — продолжает Биндербауэр. – Они могут создавать триллионы градусов, нам нужно в 1000 – 10 000 раз меньше. Они ускоряют более или менее отдельные частицы до 99,999% скорости света в вакуумной системе. Они работают на гораздо более высоком токе – миллионы ампер, мы же работаем с сотнями ампер. Нам же нужно «толкать» гораздо больше частиц, с более низкой энергией и скоростью. Так что наши показатели намного скромнее с точки зрения физического масштаба».

Токамак ИТЭР

Вместо того, чтобы вращать свою плазму в форме пончика, TAE удерживает ее на месте, ограничивая перемещение мощными магнитными кольцами. Это магниты с простой геометрией – плазма выглядят, как эллипсоид и вращается внутри цилиндра вдоль его оси. У разработчиков есть возможность управлять вращением и благодаря гироскопической стабилизации она очень устойчива и предсказуема.

Реактор в разрезе, показывающий, как плазма удерживается и вращается в середине цилиндраУдержание и вращение плазмы

Это более или менее похоже на выпрямленную часть тора токамака, но с существенным улучшением – магниты можно легко удалить или заменить без необходимости разборки всей установки. TAE может использовать диверторы (отводящие устройства) для отбора материи в любом конце трубы, действуя как «мусорные баки» для поглощения примесей и частиц выхлопных газов. В токамаке же это сопряжено с огромными проблемами. Норман собран из цилиндров около трех метров в диаметре, изготовленных из простого листового металла. Причем, в случае возникновения проблемы с теплопередачей, исследователи могут просто удвоить размер.

С точки зрения магнитной эффективности, являющейся основным параметром, в TAE она составляет около 90%, против около 10% в токамаке. Магниты являются большой и дорогой частью термоядерных систем, поэтому, если их эффективно использовать, то можно вырабатывать и более дешевую энергию.

Благодаря тому, что машина пятого поколения имеет показатели на 250 % выше проектных, исследователи начинают понимать, что чем горячее становится плазма, тем лучше работают ускорители частиц и системы магнитного удержания. Таким образом есть высокая степень уверенности, что можно достичь не только 150 миллионов градусов для трития, но и миллиарда градусов и выше, необходимых для бора. Это будет в конце десятилетия или в начале 30-х.

Следующий прототип, система Коперник (Copernicus) 5-го поколения, рассчитана на достижение температуры 100-150 миллионов градусов для того, чтобы доказать свою способность для синтеза трития.

 

  TAE нацелилась на 2025 год для своей первой демонстрации положительного по энергии синтеза трития

Коперник разработан для демонстрации положительного энергетического баланса, т.е. больше единицы, что означает, что он будет генерировать больше энергии, чем использует. Если и когда это удастся, разработчики перейдут к последнему шагу, машине Да Винчи (Da Vinci), которая доведет процесс до водородно-борных условий. Машина Да Винчи будет прототипом электростанции, выдающей ток от паротурбинного генератора.

Ожидания от инвестиций

В современном мире от инвесторов TAE требуется огромное терпение. Да, конечно же машины передовые и дорогие, но коммерческая отдача от них далеко за горизонтом. Подход компании заключается в работе над моделью «деньги после этапа» и направлен на снижение максимально возможного инвестиционного риска. Есть независимая научная группа, состоящая из самых ярких специалистов в области термоядерной физики, у которых нет ни акций, ни какой-либо доли в компании. Но они приходят два раза в год, им платят за их время, они проверяют работу и дают независимое подтверждение того, достигли ли разработчики определенного рубежа.

С другой стороны, у инвесторов есть потенциальное вознаграждение — владение технологией экологически чистой энергии, которая использует обильные, простые и дешевые виды топлива. Помимо этого, технология позволяет реагировать на скачки потребления электроэнергии, переходя от температуры окружающей среды к миллиарду градусов за несколько тысячных долей секунды. Таким образом, мощность установки может увеличиться, производя относительно быстрый нагрев воды и вращение турбин.

Что касается последнего пункта, то команда работает над системой прямого преобразования энергии, которая полностью исключит громоздкую турбину и заменит ее твердотельным устройством преобразования излучения в электроэнергию. Это отдаленно напоминает работу солнечных панелей, но в данном случае происходит преобразование не света, а мягкого рентгеновского излучения.

Стоимость электроэнергии и отношение общества к термояду

США электричество, вырабатываемое на газовых электростанциях, может стоить в диапазоне от одного до двух центов за киловатт-час. Атомная энергия, особенно с высоким уровнем безопасности АЭС, дороже и может быть на уровне 10-15 центов. Компания TAE ожидает, что их электростанция первого поколения будет производить электроэнергию по цене около 6-7 центов за киловатт-час. Причем эта цена без учета углеродных кредитов и субсидий. Но это будет первая электростанция, а в дальнейшем цены должны снизиться.

Вместе с тем компания предполагает, что ее электростанция не будет самым дешевым источником энергии, однако она будет практичной, полностью зеленой и с низкой ресурсоемкостью. Такие станции смогут безопасно работать даже в мегаполисах и по всему миру.

Безопасность является одним из ключевых преимуществ термоядерного синтеза по сравнению с ядерным делением. Правда придется провести просветительскую работу, поскольку каждый раз, когда кто-то слышит, что реактор планирует работать с субстанцией, которая почти в 40 раз горячее, чем ядро ​​Солнца у многих возникают опасения. Чиновники, например, всё время задают вопрос: миллиард градусов, разве это не расплавит реактор и не приведет к взрыву.

Взрыва не будет. ЦЕРН без происшествий достиг температуры более пяти триллионов градусов. Люди должны понимать, насколько малы атомы и как быстро рассеивается тепло. Если взять плазму с температурой 75 миллионов градусов и поместить в нее кубик льда, то … лед превратится в воду и даже не нагреется. Произойдет просто фазовый переход. Но большинству людей это совершенно непонятно. В реакторе нет расплавления активной зоны. У боро-водорода нет и радиоактивности. Процесс синтеза безопаснее, чем процесс расщепления и это надо донести до общественности. Но если к термоядерному синтезу относиться так же, как к ядерному делению, то регулирование этого направления отрасли будет длительным и сложным. Бюрократическая волокита может добавить лет 10 лет к срокам коммерциализации термоядерной энергии и соразмерно увеличит цену за электричество.

Команда TAE на фоне прототипа Norman

Видео по теме.

В статье использованы фото TAE Technologies и журнала Science.

FES Понимание негабаритных E…

Исследователи используют суперкомпьютер, чтобы понять загадочный «изотопный эффект» для более совершенных термоядерных реакторов.

Предоставлено General Atomics Дополнительные нейтроны (n) в дейтерии и тритии делают их тяжелее обычного водорода, иногда называемого протием.

Наука

Создание термоядерной плазмы требует глубокого понимания поведения различных изотопов водорода. Эти изотопы являются топливом для реакции синтеза. Но плазменных ученых давно озадачило загадочное противоречие. Это противоречие заключается в разрыве между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями того, как удержание энергии синтеза зависит от массы изотопов водорода, используемых для подпитки плазмы.

Новый анализ помог разгадать эту тайну. Исследование выявило улучшенную теоретическую модель, которая включает крошечную, но важную массу электрона.

Удар

Будущие термоядерные реакторы будут использовать смесь 50-50 двух изотопов водорода, дейтерия и трития. Эти изотопы сливаются в атомы гелия и выделяют большое количество энергии. Современные термоядерные токамаки используют только дейтерий, потому что его легче добывать и обрабатывать, чем тритий. Чтобы задействовать будущие реакторы, исследователям необходимо теоретическое моделирование поведения водорода и дейтериево-тритиевого топлива, а не только дейтериевого топлива. Эти знания помогут им спланировать переход реакторов с дейтериевого топлива на дейтериево-тритиевое топливо. Новое моделирование также поможет исследователям в области термоядерного синтеза работать над созданием более эффективных термоядерных реакторов будущего.

Резюме

Каждый изотоп водорода состоит только из одного протона, но эти изотопы отличаются количеством нейтронов, содержащихся в атомах. Дополнительные нейтроны утяжеляют изотопы: дейтерий в два раза тяжелее обычного водорода (иногда его называют протием), а тритий в три раза тяжелее. Прошлые эксперименты по сравнению дейтериевой и водородной плазмы обычно обнаруживали увеличение времени удержания энергии с увеличением массы изотопа водорода. Однако, хотя мы знаем, что дейтерий удерживается лучше, чем водород, это наблюдение противоречит простым теоретическим моделям, которые предсказывают противоположные экспериментальным результатам. Это противоречие между теорией и экспериментом является давней загадкой, известной как «изотопный эффект».

Используя численное моделирование на суперкомпьютере Summit Министерства энергетики в Окриджской национальной лаборатории — самом мощном компьютере в Соединенных Штатах — ученые разработали новую теоретическую основу для описания тонкой роли электронов в поведении плазменной турбулентности, которая вызывает потери тепла и ухудшает удержание в токамаках. Поскольку электроны более чем в 1800 раз легче ионов водорода, простые модели масштабирования предполагают, что электроны не играют никакой роли в удержании энергии.

Новая теория описывает, как малая, но конечная масса электрона сильно влияет на поведение ионов, и может противоречить простой формуле масштабирования. Влияние электронов становится сильнее для более легких изотопов, таких как водород, и уменьшается за счет добавленной массы более тяжелых ионов. В области края плазмы термоядерного устройства эти поправки на массу электрона могут стать доминирующими и обратить масштабирование простых теоретических моделей с массой изотопа в сторону согласия с экспериментальными результатами, так что удержание улучшится для более тяжелых изотопов водорода. В конце концов, это благоприятно для повышения эффективности будущих термоядерных реакторов по мере их перехода с дейтериевого топлива на дейтериево-тритиевое топливо.

Контакт

Эмили Белли
General Atomics
[email protected]

Финансирование

Эта работа финансировалась Управлением науки Министерства энергетики, Управлением термоядерной энергетики. Вычислительный центр Oak Ridge Leadership Computing Facility, в котором находится Summit, является пользовательским центром Министерства энергетики США.

Публикации

Белли, Э.А., Кэнди, Дж., и Вальс, Р.Е., Обращение простых законов масштабирования водородных изотопов в краевой турбулентности токамака. Physical Review Letters

, 125 , 015001 (2020) [DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.015001]

Основные категории

Программа: ФЭС

Исполнитель: Удобства для пользователей SC , Удобства для пользователей ASCR , ОЛКФ , Удобства для пользователей ФЭС , ДIII-Д

[Решено] Протий, дейтерий и тритий составляют ______ водорода.

1. Изобар
2. Идеотип
3. Изотопы
4. Изотропы

Вариант 3: Изотопы

Бесплатно

Ячейка

7 тысяч пользователей

10 вопросов

10 баллов

7 минут

Концепция – 

ИЗОТОПЫ :

• Атомы с одинаковым числом протонов , но различным числом нейтронов называются изотопами.
  • Это элементы с одинаковыми атомами 9Число 0034, но различные массовые числа , поскольку атомный номер равен количеству протонов, а атомная масса равна сумме протонов и нейтронов.
• Изотопы — это различные формы одного и того же элемента.
• Протий 1h2, дейтерий 1h3 или D и, наконец, тритий 1h4 или T — это три изотопа водорода .
• В протии нет нейтронов, но в дейтерии присутствует один нейтрон, а в тритии два нейтрона.
• Протий является наиболее распространенным типом водорода, при этом дейтерий составляет 0,0156% всего водорода на поверхности планеты.
• Концентрация трития составляет один атом на 1018 атомов протия.
•  Единственный тритий из этих трех изотопов водорода является радиоактивным по своей природе и испускает низкоэнергетические b-частицы.

 

• ДРУГОЙ ПРИМЕР ИЗОТОПА –
  • углерод – 12, углерод -13, углерод – 14 — это три изотопа углерода .

Объяснение – 

• Изотопы – это различные формы одного и того же элемента, которые имеют одинаковый атомный номер , но разную атомную массу из-за одинакового количества протонов, но разного количества нейтронов .
• Протий, дейтерий и тритий — это изотопы водорода, поэтому правильный ответ — ИЗОТОП.  

Дополнительная информация

• ИЗОБАРКИ:
  •  Изобары представляют собой химические атомы различных элементов. Изобар происходит от греческих слов isos, что означает «равный», и bars, что означает «вес». Изобары имеют одинаковое количество нуклонов, что означает, что они имеют одну и ту же массу числа. Однако они различаются по атомному номеру (это число протонов).
  • 40S, 40Cl, 40Ar, 40K и 40Ca являются примерами последовательности изобар.
  • Хотя все эти нуклиды имеют 40 нуклонов, количество протонов и нейтронов в их ядрах различается.

Скачать решение PDF

Поделиться в WhatsApp

Последние обновления группы D RRB

Последнее обновление: 14 апреля 2023 г.

Уведомление о возврате средств RRB Group D было выпущено. Комиссия по найму сотрудников железной дороги инициировала возврат платы за подачу заявления RRB Group B. Кандидаты могут обновить свои банковские реквизиты с 14 апреля 2023 года по 30 апреля 2023 года. Экзамен проводился с 17 августа по 11 октября 2022 года. RRB (Железнодорожная комиссия по найму) провела экзамен группы D RRB для найма на различные должности ремонтника пути, и помощник / ассистент в различных технических отделах, таких как электрический, механический, научно-технический и т. Д. Процесс отбора на эти должности включает 4 этапа: компьютерный тест, тест на физическую эффективность, проверка документов и медицинский тест.