Eau lourde
L'eau lourde est de l'oxyde de deutérium. Chimiquement, elle est semblable à l'eau normale, mais les atomes d'hydrogène dont elle est composée en sont des isotopes lourds, du deutérium, dont le noyau contient un neutron en plus du proton présent...
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Forme de l'eau - Matériau nucléaire - Matériau
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Page(s) en rapport avec ce sujet :
- La bataille de l'eau lourde. L'usine en 1935. La production d'eau lourde se faisait dans le bâtiment sur le devant, actuellement disparu.... (source : rotilom)
- Puisque la production de l'hydrogène s'est fondée sur l'électrolyse chez Vemork, l'eau lourde était un sous-produit courant.... (source : worldlingo)
- Le CEA a étudié les différents procédés de production d'eau lourde en lien avec l'industrie privée. Quatre de ces procédés ont été essayés dans des ... (source : francenuc)
| Eau lourde | |
|---|---|
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| Molécule d'eau lourde | |
| Général | |
| Synonymes | oxyde de deuterium |
| No CAS | |
| No EINECS | |
| SMILES |
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| InChI |
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| Propriétés chimiques | |
| Formule brute | ²H2O |
| Masse molaire[2] | 20, 0276 ± 0, 0003 g·mol-1 ²H 20, 11 %, O 79, 89 %, |
| Moment dipolaire | 1, 84 D [1] |
| Propriétés physiques | |
| T° fusion | 3, 81 °C [1] |
| T° ébullition | 101, 4 °C [1] |
| Masse volumique | 1, 10448 g·cm-3 (25 °C) [1] |
| Pression de vapeur saturante | 2, 740 kPa (25 °C) [1] |
| Point critique | 370, 74 °C 21, 941 MPa 56, 3 cm3·mol-1 [1] |
| Propriétés optiques | |
| Indice de réfraction |  1, 32841 [1] |
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L'eau lourde est de l'oxyde de deutérium (formule : D2O ou ²H2O). Chimiquement, elle est semblable à l'eau normale (H2O), mais les atomes d'hydrogène dont elle est composée en sont des isotopes lourds, du deutérium, dont le noyau contient un neutron en plus du proton présent dans chaque atome d'hydrogène.
Il existe aussi de l'eau semi-lourde (HDO ou H²HO), d'ailleurs en proportion naturelle énormément plus importante que l'eau lourde.
Gilbert Newton Lewis isola, en 1933, le premier échantillon d'eau lourde pure.
Propriétés physico-chimiques de l'eau lourde comparées à celles de l'eau (H2O)
| Propriété | D2O (eau lourde) | H2O (eau) |
|---|---|---|
| Température de fusion (°C) | 3, 81 | 0, 00 |
| Température de vaporisation (°C) | 101, 42 | 100, 00 |
| Densité (à 20 °C) | 1, 1056 | 0, 9982 |
| Température correspondant à la densité la plus élevée (°C) | 11, 6 | 4, 0 |
| Viscosité (à 20 °C, Pa·s) | 1, 25.10-3 | 1, 005.10-3 |
| Tension superficielle (à 25 °C, N·m-1) | 7, 193·10-2 | 7, 197·10-2 |
| Enthalpie de formation (gaz, kJ/mol) | -249, 20 | -241, 83 |
| pH (à 25 °C) | 7.41 nommé aussi pD | 7.00 |
Sa densité est plus élevée que celle de l'eau, d'où son nom d'eau «lourde».
Utilisations
Résonance magnétique nucléaire
L'oxyde de deutérium est utilisé en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire aussi nommée RMN.
Modérateur de neutrons
L'eau lourde est utilisée dans certaines filières de réacteurs nucléaires comme modérateur de neutrons dans l'objectif de ralentir les neutrons issus de réactions de fission nucléaire. Les neutrons ralentis ont alors une probabilité plus élevée d'aller provoquer de nouvelles fissions de noyaux d'uranium, donnant la possibilité d'ainsi la réaction en chaîne.
Le réacteur CANDU est un réacteur nucléaire à uranium naturel à eau pressurisée utilisant ce dispositif de modération.
L'eau (classique H2O) est aussi capable de ralentir les neutrons d'une réaction de fission. Cependant elle les absorbe trop pour que la réaction puisse s'entretenir d'elle-même dans un réacteur à uranium naturel. Cependant, cette eau normale est parfois utilisée si de l'uranium enrichi est utilisé.
Détecteur de neutrinos
L'observatoire de neutrinos de Sudbury SNO (Ontario, Canada) utilise 1 000 tonnes d'eau lourde dans une cuve enterrée dans une mine à plus de deux kilomètres sous terre afin d'être protégé des rayons cosmiques. Le SNO détecte l'Effet Tcherenkov produit lorsque un neutrino traverse l'eau lourde.
Considérations médicales
L'eau lourde n'est pas reconnue comme toxique. Cependant quelques réactions métaboliques nécessitent de l'eau classique, c'est pourquoi la consommation exclusive d'eau lourde peut être reconnue comme dangereuse pour la santé.
Des expériences sur des souris ont montré que le principal effet de cette consommation est de diminuer le nombre de mitoses, causant progressivement la dégradation des tissus qui nécessitent une rapide régénération. Après plusieurs jours d'ingestion d'eau lourde seulement, les fluides corporels contiennent à peu près 50 % d'eau lourde. Dès lors, les symptômes commencent à apparaître, dont la réduction des divisions cellulaires, surtout pour les cellules à renouvellement rapide telles que celles des cheveux ou des parois de l'estomac.
Production
Sur Terre, l'eau semi-lourde (HDO) est naturellement présente dans l'eau avec une proportion de 0, 03125 %, soit une molécule pour 3 200 molécules d'eau. Elle peut être scindée de l'eau classique par distillation ou électrolyse, mais également par divers procédés chimiques d'échange qui exploitent les affinités différentes du deutérium et de l'hydrogène pour différents composés. Ces réactions chimiques sont basées sur la légère différence de poids moléculaire, qui produit une légère différence dans la vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent.
Produire de l'eau lourde pure par distillation ou électrolyse exige une grande cascade de distillateurs ou de chambres d'électrolyse et consomme de grandes quantités d'électricité, c'est pourquoi les méthodes chimiques sont le plus souvent préférées.
Norvège
En 1934, Norsk Hydro construit à Vemork, en Norvège, la première installation de production d'eau lourde commerciale, d'une capacité de 12 tonnes par an. Au cours de la seconde Guerre mondiale, les Alliés décidèrent de détruire l'usine afin d'empêcher l'Allemagne de développer des armes nucléaires. En 1942, un raid de parachutistes anglais échoue dans cette mission, leur planeur s'écrasant près du site. Tous ses membres décèdent dans l'accident ou sont tués par les Allemands. En février 1943, un groupe de douze agents britanniques est parachuté en Norvège ; le commando parvient à perturber la production pendant deux mois, en dynamitant les installations.
Le 16 novembre 1943, les Alliés larguent plus de quatre cents bombes sur le site de production, incitant le gouvernement nazi à déplacer en Allemagne toute la production. Le 20 février 1944, Knut Haukelid, un partisan norvégien, coule le bac convoyant l'eau lourde sur le lac Tinn (Tinnsjå en norvégien). Ce sabotage coûta la vie à quatorze civils norvégiens ; il fut prouvé après la guerre que l'eau lourde produite en Norvège n'aurait pas suffi à permettre la fabrication d'uranium enrichi en quantités suffisantes pour la fabrication d'une arme nucléaire. L'histoire a servi de fil conducteur au film Les Héros de Télémark produit en 1965 et interprété entre autres par Kirk Douglas.
France
La France a produit de l'eau lourde dans des proportions particulièrement faibles entre 1958 et 1963. La première usine productrice fut celle de l'ONIA (Office National des Industries de l'Azote) à Toulouse, en face d'AZF. Des quantités de 2 à 3 tonnes d'eau lourde par an ont été produites sur ce site toulousain que les Allemands avaient choisi en 1943 en construisant une grande enceinte souterraine au centre du site industriel en prévision d'une production dès fin 1944 qui n'eut jamais lieu. La production fut poursuivie sur le site frère de Mazingarbe (Pas de Calais) jusqu'en 1971. Le principal client était le Commissariat à l'énergie atomique pour ses besoins expérimentaux et pour la centrale nucléaire expérimentale des Monts d'Arrée à Brennilis arrêtée et en cours de déconstruction actuellement. Une partie de cette production fut stockée au sud de Toulouse dans l'ancien camp militaire de Clairfont en bordure de Garonne (un des sites toulousains de Véolia aujourd'hui).
Canada
Énergie atomique du Canada Limitée (EACL) a conçu un réacteur nucléaire nécessitant de grandes quantités d'eau lourde utilisée comme modérateur de neutrons. EACL a commandé deux installations de production d'eau lourde qui ont été construites à Glace Bay ainsi qu'à Port Hawkesbury, en Nouvelle-Écosse. Ces usines se sont avérées avoir des défauts de conception, construction et production. Par la suite Ontario Hydro a développé le plan eau lourde de Bruce de sorte qu'il ait un approvisionnement interne fiable pour les centrales actuelles et futures. Ces deux unités ont été arrêtées en 1985 lorsque leur production s'est avérée inutile.
L'installation de production d'eau lourde du comté de Bruce en Ontario était la plus grande usine d'eau lourde du monde avec une capacité de 700 tonnes par an. 340 000 tonnes d'eau normale étaient nécessaires pour produire une tonne d'eau lourde grâce au procédé au sulfure d'hydrogène de Girdler. Cette installation faisait partie d'un complexe qui incluait les huit réacteurs CANDU qui ont apporté la chaleur et la puissance pour la production d'eau lourde. Les installations ont été construites à Point Douglas dans le comté de Bruce au-dessus du lac Huron où elles avaient accès aux eaux des Grands Lacs américano-canadiens. L'usine de Bruce a été chargée en 1979 d'apporter de l'eau lourde pour satisfaire l'augmentation de la production d'énergie nucléaire en Ontario. Les usines se sont avérées sensiblement plus efficaces que prévu et uniquement trois des quatre unités ont été construites. En 1993 le programme nucléaire d'Ontario Hydro a été ralenti puis arrêté en raison d'une surproduction d'électricité.
Une consommation plus parcimonieuse et un recyclage de l'eau lourde mais aussi la surproduction à Bruce a laissé le Canada avec d'important stocks d'eau lourde suffisants pour satisfaire ses besoins futurs. L'usine de Bruce a été fermée en 1997, pour être progressivement démantelée et le site dépollué.
Le procédé de Girdler utilise de grandes quantités de sulfure d'hydrogène, soulevant des inquiétudes environnementales en cas de libération dans l'atmosphère. EACL recherche aujourd'hui d'autres procédés plus efficaces et plus écologiques pour produire de l'eau lourde. Cette production est principale pour les futurs réacteurs CANDU, puisque l'eau lourde représente à peu près 20 % de l'investissement financier de chaque réacteur.
Inde
L'Inde est le second producteur d'eau lourde du monde grâce a son Heavy Water Board .
Autres pays
L'Argentine est un autre producteur déclaré d'eau lourde, ce volet figurant dans le plan de réactivation du programme nucléaire argentin annoncé en août 2006 par le président Nestor Kirchner. La Roumanie quant à elle est un producteur et exportateur.
Le Traité de non-prolifération nucléaire impose aux gouvernements signataires un contrôle volontaire, via l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) de Vienne, sur la production et l'utilisation d'eau lourde, ainsi qu'une protection physique efficace pour prévenir des vols.
Le plutonium est un sous-produit normal du fonctionnement d'un réacteur à eau lourde, pouvant permettre, après retraitement (raffinage), un programme militaire de fabrication d'armes nucléaires, comme le firent l'Inde, Israël, le Pakistan et la Corée du Nord, pour ne citer que ceux connus ou soupçonnés d'avoir mené leur programme au but.
L'Iran, signataire du traité en 1970 (avant la révolution), possède des usines d'eau lourde et travaille aujourd'hui (2005) sur les technologies donnant la possibilité de la construction et l'exploitation de réacteurs à eau lourde, en plus de ses centrales à eau légère.
Filmographie & Jeux video
- L'eau lourde joue un rôle important dans quelques films :
- Les Héros de Télémark
- Bon voyage, où les Nazis veulent s'en saisir pour fabriquer une bombe atomique. Voir l'article sur la Bataille de l'eau lourde pour les faits réels de la Deuxième Guerre mondiale.
- La bataille de l'eau lourde de Jean Dréville (1948). L'histoire relate une mission de sabotage en 1943, contre l'usine qui distillait l'eau lourde pour les Allemands, en Norvège. Le film alterne images d'archives et scènes reconstituées.
- Mais aussi dans quelques séries :
- Stargate SG-1 : épisode 4x02 L'autre côté, une civilisation utilise le deutérium afin d'alimenter des générateurs.
- Papa Schultz : épisode 1x09 L'eau lourde, Hogan doit faire disparaître un tonneau d'eau lourde provenant de Norvège, et qui est gardé dans le camp.
- Eleventh Hour : épisode 1x11 Miracle, tournant entièrement autour d'une investigation sur la synthèse d'eau lourde
- Documentaire :
- Le secret englouti de Hitler , fouille archéologique dans le lac Tinn en Norvège (lac de Tinnsojen ou Tinnsjå en norvégien) pour retrouver le ferry d'eau lourde des Nazis censé rapatrier les stocks en Allemagne suite aux attaques des alliés. Le documentaire relate le sabotage des partisans norvégiens qui ont coulé le ferry.
- Jeux video :
- Ogame : Ressource indispensable au développement.
- Imperion : Ressource indispensable au développement.
Lien externe
- (fr) Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds, Kushner D. J., Baker A., Dunstall T. G., Canadian journal of physiology and pharmacology, 1999, vol. 77, no 2, pp. Ai-Aviii (2 p. 1/4), pp. 79-88 (résumé en français)
Notes et références
- (en) Yitzhak Marcus, The Properties of Solvents, vol. 4, John Wiley & Sons Ltd, England, 1999, 239 p. (ISBN 0-471-98369-1)
- Masse molaire calculée selon Atomic weights of the elements 2007 sur www. chem. qmul. ac. uk
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 09/12/2010.
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