Раньше всего был разработан метод, основанный на разложении воды электрическим током. Как известно, при этом вода распадается на водород и кислород. Опыты показали, что обычная вода Н2О гораздо легче разлагается электрическим током, чем тяжелая вода D2O. Поэтому содержание дейтерия в водороде, выделяющемся при электролизе, примерно в 5 раз меньше, чем его относительное содержание в подвергающейся разложению воде.
Ясно, что при электролизе остающаяся неразложенной вода все больше и больше обогащается дейтерием. Этот метод позволяет в конце концов получить воду, водород которой содержит более 99% дейтерия и лишь около 1% обычного водорода. Такой метод получения тяжелой воды может применяться только в тех странах и районах, где велико производство электроэнергии и она дешевая.
Второй метод основан на том, что обычная вода кипит при несколько более низкой температуре, чем тяжелая вода. Поэтому легкую воду можно отделить от тяжелой воды при помощи многократной перегонки. Таким образом, на опытных установках удавалось повышать содержание дейтерия в водороде воды от 0,014% до 88–92%. Дальнейшее концентрирование дейтерия целесообразнее производить путем электролиза.
Преимуществом метода перегонки является возможность получать большие количества дейтерия, а также простота оборудования. Однако недостатком метода является его дороговизна, связанная с огромным расходом тепла для многократного испарения больших количеств воды.
Также экономически невыгодными оказались методы перегонки при очень низких температурах водорода, полученного из воды и содержащего 0,014% дейтерия.
Наиболее целесообразным методом получения дейтерия оказался химический метод. Этот метод основан на том, что дейтерий из газообразного водорода, где его атомы соединены в пары с атомами протия, стремится соединиться с кислородом и перейти в воду (HDO) по реакции
Эта реакция происходит довольно быстро при 500° C, а в присутствии катализаторов[10] даже при 100° C.
В качестве катализаторов для этой цели применяются металлический палладий, платина, нанесенная на уголь, или никель с окисью хрома.
Схема заводской установки для получения воды, обогащенной дейтерием, показана на рис. 22. Пары воды смешиваются с водородом и поступают в первую колонну, в которой расположены слои катализатора. Проходя через этот аппарат, вода постепенно обогащается дейтерием. Водород входящего в колонну водяного пара содержит 0,014%, а выходящего — 0,02% дейтерия (на рисунке процентное содержание дейтерия в воде всюду дано по отношению к водороду воды).
Зато содержание дейтерия в водороде уменьшается: входящий водород содержит 0,01%, а выходящий — 0,005% дейтерия. Выходящие из колонны пары воды отделяются от водорода при помощи холодильников 3, причем в конденсаторе образуется жидкая вода, а водород уходит. Далее вода поступает в кипятильник 4, где она испаряется, после чего попадает во вторую колонну. Здесь она смешивается с водородом, содержащим 0,03% дейтерия. В результате реакции водород воды обогащается дейтерием до 0,04%, а в свободном водороде содержание дейтерия уменьшается. Процесс обогащения воды дейтерием повторяется в третьей, четвертой и пятой колоннах, как показано на рисунке. Из пятой колонны выходит вода, водород которой содержит 1,5% дейтерия. Эта вода направляется в электролизер 5, в котором путем электролиза содержание дейтерия в водороде воды доводится до 5%. Дальнейшее концентрирование дейтерия производится на электролизном заводе указанным выше методом.
Этот химический метод получения тяжелой воды и дейтерия в настоящее время является самым выгодным. Благодаря большому числу научных работ по выделению дейтерия, проведенных в СССР, США и других странах, стоимость получения дейтерия за последние годы значительно понизилась. По сообщениям американской печати, к моменту начала первых испытаний термоядерного оружия 1 кг тяжелой воды стоил около 5000 долларов. В настоящее время ее цена значительно уменьшилась. По сообщениям печати, стоимость 1 кг тяжелой воды составляет около 200 долларов, а 1 кг газообразного дейтерия — 1000 долларов.
10
Катализаторами называются вещества, которые, сами не изменяясь, изменяют скорость химических процессов.