核反應堆裡的重水是什麼,能喝嗎?喝過的勇士竟然都說有點甜?
2021年04月20日10:20

  來源:SME科技故事

  世界上總是會有一些奇奇怪怪的問題,就比如重水能不能喝,是什麼味道的?

  什麼是重水?簡單來說就是分子中的氫被替換為氘的水。氫原子在自然界有三兄弟,分別是氫-1、氫-2、氫-3,為了方便一般叫它們氕氘氚。

  這三兄弟的差別主要在於原子核的中子數量,氕就是我們一般語境中預設的氫,由一個質子和一個電子組成,而氘要比氕多一個中子,氚則多兩個。

  自然界中絕大多數氫都是以氕的形式存在,相對丰度達到99.9844%,而氘的丰度相對較低,約0.0156%,至於氚,由於丰度低於0.001%,一般記為痕量。

  最近日本福島的核廢水事件中,氚的含量就是重點討論的問題。

  氚具有放射性,發生β衰變,半衰期為12.43年,衰變產物氦-3太輕會逃逸到宇宙中。氚在自然界中含量極少,一般認為是宇宙輻射與上層大氣中的氫相互作用產生,總量大概只有7.3千克,而自核技術誕生以來,人類製造出的氚已經超過了自然存量的5倍。

 日本福島百萬噸的核廢水
 日本福島百萬噸的核廢水

  氕氘氚三兄弟雖然在原子組成上有所不同,但是它們的化學性質差距卻微乎其微,三者與氧反應都能生成水,稱為H2O、D2O(Deuterium oxide)和T2O(Tritium oxide),D2O和T2O俗稱重水和超重水。

  也正因為三者的很多性質都一樣,氚也是核廢水中最難分離去除的物質。含有氚的超重水有什麼危害自然不必過多解釋,放射性三個字已經概括了很多。

  不過,沒有放射性的重水要比超重水有意思得多。

由於重水密度比水大10%,重水冰塊能在水中沉底
由於重水密度比水大10%,重水冰塊能在水中沉底

  重水幾乎是伴隨著氘的發現而被人所知的,1931年美國科學家哈囉德·克萊頓·尤里(Harold Clayton Urey)發現了氫的同位素氘,之後他也因此獲得了1934年的諾貝爾化學獎。

  1933年,尤里的導師吉爾伯特·牛頓·路易斯(Gilbert Newton Lewis)通過電解水的方式製得了0.5毫升重水,純度為65.7%。

 哈囉德·克萊頓·尤里
 哈囉德·克萊頓·尤里

  早年間製取重水的方法就是簡單粗暴的電解水,從現象上來看,電解水時陰極產生的氫氣中所含輕同位素的比例更高一些,留在電解池內的水中氘的含量就變高了。

  電解法製重水的原理涉及動力學同位素效應,同位素之間雖然化學性質極為相近,但在反應速率上有差異,平衡常數也不同。

  反應速率的變化與核量子效應有關,簡單來說是由於較重的同質異形體擁有更低的震動頻率,在大多數情況下需要更多的能量才能使化學鍵斷裂。

  不過,天然水中的氘並不一定都以D2O的形式存在,更大概率是以HDO(半重水)的形式存在。在電解法製重水的過程中,當HDO分子達到一定比例後,水分子間還會發生交換氫離子的現象,D2O的比例變得更高。

  當電解製取重水的方法出現後,很快就被應用到實際中。就在路易斯製得高純度重水的次年,1934年,挪威建起了Venmork水力發電廠,利用豐富的水力資源來電解水製氫,用於生產硝酸鹽化肥。

 挪威Venmork水力發電廠
 挪威Venmork水力發電廠

  商機就藏在其中,生產化肥需要的是電解水產生的氫氣,而留在電解池里的不就是重水嗎?雖然實際的情況沒有那麼簡單粗暴,但方向是正確的。

  果不其然,製氫廠對電解的殘留物進行分析,發現當中氘與氫(氕)的比例為1:48,遠遠高於天然的1:6400,雖然大多數是以HDO半重水的形式存在,但也極具價值。

  於是挪威水電公司接受了製氫廠負責人提出的建議,從電解液的副產物中製取重水,雖然過程需要大量聯級電解室和消耗大量電力,但這並不妨礙挪威水電公司成為最早向科學界供應重水的廠商。

 挪威產安瓿裝重水
 挪威產安瓿裝重水

  然而,重水的故事才剛剛開始。德國人在1938年末發現了中子轟擊鈾能引發核裂變,蘇聯人在1939年末得出結論,重水和石墨是鈾反應堆的僅有的可行緩和劑,反應堆需要大約15噸重水。

  重水因為能夠使鏈式核反應產生的中子減速而成為了戰略級的物質,各國都極其重視。1940年到二戰期間,挪威的重水工廠一直處於納粹德國的控制之下,並大量採購幾乎所有的重水。

  為了阻止納粹的核研究,盟軍發動了一系列針對重水工廠的突襲破壞行動,為世界做出了一定的貢獻,當然從馬後炮的角度來看,當時挪威重水工廠即便馬力全開也很難產出足夠反應堆運行的重水。

 盟軍穿越山地高原摧毀納粹控制下的重水工廠
 盟軍穿越山地高原摧毀納粹控制下的重水工廠

  總之,重水剛剛出現在人們的視野中就與核反應關聯上了,以至於很多人對它的第一印象就是極度危險,實際上並非如此。

  那個年代科學家的好奇心的是無窮的,早在氘被發現後不久就已經有人把重水喝下了肚。

  喬治·赫維西(GeorgeCharles de Hevesy)和氘的發現者尤里是好朋友,1934年赫維西找尤里搞來了幾升重水,當然純度不是特別高,只有0.6%。

  赫維西把這些重水喝掉了,目的是將氘作為示蹤劑來研究人體對水的代謝,最終得出結論,水分子在人體內平均停留時間為13±1.5天。

咋?不信嗎?
咋?不信嗎?

  這不是傳說,赫維西是示蹤劑研究的先驅,因為這方面的研究獲得了1943年的諾貝爾化學獎,後來在納粹占領丹麥時,他用王水把諾獎金牌溶了,大家感興趣的話可以單獨講講老哥的故事。

  總之,大家一直都對喝重水這件事非常好奇,首先是它是的毒性。

  可以明確的一點是,現在我們通過合法途徑購買到的高純度重水(氧化氘),在容器的標籤上大概率會寫有安全性警告,或者是僅用於實驗等提醒,這裏不建議任何人嚐試飲用重水。

  首先,對於大多數天然同位素而言,它們的差異太小,以至於幾乎無法產生生物學效應。氫算是比較特殊的,氘雖然之比氕多了一個中子,但原子量已經翻倍,更何況水是地球生物非常重要的溶劑,一些細微的化學性質差異就可能會對生物體產生影響。

  目前已知的一些影響,包括對晝夜節律週期變長,現象可以在單細胞生物、綠色植物、昆蟲、鳥類、小鼠等生物中觀察到。

  更重要的是對生物體內重要化學反應的影響,由於重水的氫鍵更強,很多依靠氫鍵的生化反應會被影響。植物在高濃度重水的環境下會死亡,動物如小鼠、大鼠和狗,在體內D2O達到25%以上會不育,魚類在90%以上的重水中會迅速死亡。

  哺乳動物被投喂重水後約一週後會死亡,此時它們體內的水有50%左右已經被替換為D2O,原因為氘抑製細胞分裂。

  聽起來喝重水還是一件挺可怕的事,不過除了那些為了研究而被飼養的動物外,人類幾乎不可能會接觸到如此大量的重水。

  而且,氘作為天然的氫同位素,人體中也含有一定量的氘,以50千克體重算,一個人體內約含有32千克的水,其中約有1.1克的氘,換算過來相當於5.5克的純重水。

  而一般認為人體內的水要有一般有25%~50%被替換為D2O才有可能產生毒性,顯然這種情況幾乎不可能出現,也不用腦洞大開構思一個“重水殺人案”,以今天重水與純銀相當的價格來看,不說了,你們自己算。

  儘管理論上不建議任何人飲用重水,實際上還是有無數人或公開或非公開地喝過重水,原因說起來很離奇,因為大家都好奇重水究竟是不是甜的。

  雖然早期,比如氘的發現者尤里本人,以及挪威克勞斯 漢森教授在嚐試重水後得出了不太統一的答案,前者認為重水和普通水無異,後者認為重水有點辣嘴。

  這些有可能是當時製備重水技術不成熟,純度不足以及含有雜質等因素造成的。但到了今天,我們可以在購買到純度達到99.98%的重水,有很多偷嚐禁水的人都表示“有點甜”。

  說起來非常奇怪,水怎麼會有甜味呢?根據YouTube Thunderf00t頻道的實驗,他設計了簡單的盲測實驗,被試者將會品嚐不同的水,每次僅有三滴。

  為了排除可能因分子量帶來的差異,他還花重金搞來了重氧水,即氫與氧-18生成的水,分子量為20,與重水相當。

  結果幾乎所有被試者都能在三種水(普通水、重水、重氧水)中區分出重水,只靠三滴並且非常迅速,可以說比較明顯。

Thunderf00t的頻道主是Phil Mason,他也是下文研究中的作者之一,主要貢獻是提供蒸餾提純的高純度重水
Thunderf00t的頻道主是Phil Mason,他也是下文研究中的作者之一,主要貢獻是提供蒸餾提純的高純度重水

  在另一項由娜塔莉·本·阿布主導的實驗中,28名參與者在開鼻式味覺測試中有22名準確區分出了重水,根據他們的主觀反饋,純重水的甜味顯著,但比較輕微,平均甜度為3.3±0.4(1無感,3輕微,5中等,7非常,9齁甜)。

  為了進一步研究重水產生甜味的原因,他們團隊還做了小鼠實驗,但是實驗的結果有些出人意料。已知小鼠對蔗糖水有較強的偏好,但卻對重水沒有偏好,其他的長期喂養實驗甚至觀察到小鼠表現出對重水的厭惡。

  也就是說,小鼠可能嚐不出重水的甜味,但也可能通過其他特徵分辨出重水,一種猜測是喝下重水後小鼠的身體出現了不適,畢竟它們體型小,重水帶來的影響更為顯著。

  不過,這也給研究帶來了方向,重水產生甜味的原因來自於人類特有而囓齒類沒有的甜味受體,後確定為TAS1R2 / TAS1R3受體。

  進一步的實驗通過作用於TAS1R2/ TAS1R3受體的甜味抑製劑也證明了重水甜味的來源。不過實驗仍沒有找到確切的點位和作用機理,但可以確定是由於核量子效應,D2O的氫鍵更強,因此蛋白質在D2O中剛性和緻密性也更強,這或許是我們感受到甜味的原因。

  正所謂“遇事不決,量子力學“,其實真正的含義是讓你舉棋不定的時候喝一口水冷靜冷靜,用你的TAS1R2 / TAS1R3受體感受那3200分之一的回甘。

  最後,恭喜你看完本文,收穫了一條無用知識:當你面前的兩杯水中有一杯是重水,辨別它們的最快方法就是——喝一口(誤)。

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