ભારે પાણી (ડ્યૂટેરિયમ ઑક્સાઇડ heavy water)

ભારે પાણી (ડ્યૂટેરિયમ ઑક્સાઇડ, heavy water) : સામાન્ય પાણી(H₂O)માંના હાઇડ્રોજન(¹H)નું તેના એક ભારે સમસ્થાનિક (isotope) ડ્યૂટેરિયમ (D અથવા ²H) વડે પ્રતિસ્થાપન થતાં મળતા પાણીનું એક રૂપ (form). સંજ્ઞા D₂O અથવા ²H2O. આવર્તક કોષ્ટકમાં આવેલા સ્થાયી (બિનરેડિયોધર્મી, non-radioactive) સમસ્થાનિકોનાં યુગ્મો પૈકી ¹H અને ²H વચ્ચે દળનો તફાવત પ્રમાણમાં સૌથી વધુ (એકના કરતાં બીજાનું દળ બમણું) હોવાથી ભારે પાણી(D₂O)ના ભૌતિક તથા રાસાયણિક ગુણધર્મો H₂Oની સરખામણીમાં ઘણા જુદા પડે છે (જુઓ સારણી 1).

સારણી 1 : સામાન્ય તથા ભારે પાણીના ભૌતિક ગુણધર્મો

ગુણધર્મો		1H2O	2H2O (D2O)
અણુભાર, 12C માપક્રમ		18.015	20.028
ગલનબિંદુ, °સે.		0.00	3.81
સામાન્ય ઉત્કલનબિંદુ, °સે.		100.00	101.42
મહત્તમ ઘનત્વ માટેનું તાપમાન, °સે.		3.98	11.23
ઘનત્વ (25° સે.), ગ્રા./સેમી3		0.99701	1.1044
ક્રાંતિક નિયતાંકો :	તાપમાન, °સે.	374.1	371.1
	દબાણ, MPa	22.12	21.88
	કદ, સેમી.3/મોલ	55.3	55.0
શ્યાનતા (55° સે.), mPa.s		0.8903	1.107
વક્રીભવનાંક		1.3330	1.3283

સામાન્ય પાણી કરતાં ભારે પાણી વધુ વિન્યાસિત (structured) પ્રવાહી છે. તે વ્યાપકપણે હાઇડ્રોજન-આબંધિત (hydrogen bonded) હોય છે અને આ બંધ ¹Hને મુકાબલે વધુ પ્રબળ (મજબૂત) હોય છે. સંરચના તોડી નાખે તેવા કેટલાક ક્ષારો ²H₂Oમાં વધુ પ્રવિદારી (disruptive) હોય છે. તાપમાનના વધવા સાથે ¹H₂Oને મુકાબલે ²H₂Oની સંરચના (માળખું) ઝડપથી તૂટે છે. કેટલાંયે આયનિક દ્રાવ્ય પદાર્થો (solutes) H₂O કરતાં D₂Oમાં નોંધપાત્ર રીતે ઓછા દ્રાવ્ય હોય છે.

D₂Oમાં બીજમાંથી અંકુર ફૂટતા નથી તથા પ્રાણીઓ તેના ઉપર જીવી શકે નહિ. ભારે પાણી આપવાથી પ્રાણીઓના શરીરમાં આવેલાં તરલોમાંના ¹⁄₃ જેટલા ¹Hનું ²H વડે પ્રતિસ્થાપન થાય તો તે ઘાતક (lethal) નીવડે છે. ઉચ્ચ વનસ્પતિમાં આ પ્રતિસ્થાપન ²⁄₃ જેટલું થાય તો ઘાતક નીવડે છે.

જોકે હાલમાં કેટલીયે લીલી તથા ભૂરી-લીલી આલ્ગી(શેવાળ)ને 99 ટકાથી વધુ ²H₂Oમાં ઉછેરી શકાઈ છે.

ડ્યૂટેરિયમનો એકમાત્ર સ્રોત પાણી છે જેમાં ડ્યૂટેરિયમનું પ્રમાણ 0.0145 % જેટલું હોય છે. ખૂબ વિશાળ માત્રામાં લીધેલા સામાન્ય પાણીમાંથી અલ્પ પ્રમાણમાં ભારે પાણી મેળવી શકાય છે. આ માટે ત્રણ રીતો વપરાય છે : (i) નિસ્યંદન, (ii) વિદ્યુતવિભાજન, અને (iii) રાસાયણિક વિનિમય.

વિદ્યુતવિભાજનની રીત ખૂબ મોંઘી હોવાથી નાના પાયા પર D₂O મેળવવા જ તે વપરાય છે. નિસ્યંદનની રીત વધારે પ્રચલિત છે; પરંતુ તે માટે આવશ્યક ઊર્જાને કારણે તે મોંઘી છે. પ્રવાહી હાઇડ્રોજનના નિમ્નતાપિકી (ખૂબ નીચા તાપમાને) નિસ્યંદન દ્વારા ડ્યૂટેરિયમ મેળવવાની રીત ખૂબ અસરકારક છે. સંશ્લેષિત એમોનિયા અથવા કોલસાના પ્રવાહીકરણ માટે મોટા પાયે હાઇડ્રોજન ઉપલબ્ધ થતાં પ્રવાહી હાઇડ્રોજનના નિસ્યંદન દ્વારા હાઇડ્રોજનના પ્રવાહમાંથી ડ્યૂટેરિયમનું નિષ્કર્ષણ ઉપપેદાશરૂપે કરી શકાય છે.

કુદરતી પાણીમાંથી ડ્યૂટેરિયમ સંકેન્દ્રિત કરવા માટે ઘણી રાસાયણિક વિનિમય-પ્રક્રિયાઓ જાણીતી છે (જુઓ સારણી 2).

સારણી 2 : પાણીમાંથી ડ્યૂટેરિયમનું સંકેન્દ્રીકરણ કરવા માટે રાસાયણિક વિનિમય–પ્રક્રિયાઓ

પ્રક્રિયા	સમતોલન–અચળાંક
	નીચું તાપમાન (°સે.)	ઉચ્ચ તાપમાન (°સે.)
H2O(l) + HDS(g) ⇌ HDO(l) + H2S(g)	2.18 (20°)	1.83 (130°)
NH3(l) + HD(g)  NH2D(l) + H2(g)	6.60 (–50°)	4.42 (0°)
H2O(g) + HD(g) HDO(g) + H2(g)	3.62 (25°)	2.43 (125°)

ઔદ્યોગિક ર્દષ્ટિએ H₂O/H₂Sની રાસાયણિક વિનિમય-પ્રવિધિ ખૂબ ઉપયોગી છે. 1 મેટ્રિક ટન D₂O મેળવવા માટે પ્રવિધિમાં 41,000 ટન (37,000 મેટ્રિક ટન) પાણીનું પ્રક્રમણ (process) કરવું પડે તથા 1,35,000 ટન (1,20,000 મેટ્રિક ટન) H₂Sનું ચક્રણ (cycle) કરવું પડે છે. રાસાયણિક વિનિમય એકમ દ્વારા મેળવેલી નીપજ 15 % ડ્યૂટેરિયમ ધરાવે ત્યાં સુધી સમૃદ્ધ કરવામાં આવે છે. તેમાંથી શૂન્યાવકાશી નિસ્યંદન દ્વારા તેનું 99.5 % જેટલું સમૃદ્ધીકરણ કરવામાં આવે છે. પ્રતિવર્ષ 20 મેટ્રિક ટન D₂Oનું ઉત્પાદન કરતા બધા જ ભારે પાણીના એકમો H₂S/H₂O વિનિમયપદ્ધતિ વાપરે છે.

ભારે પાણીમાં રહેલા ડ્યૂટેરિયમનું પ્રમાણ જાણવા માટે ઘનત્વ-પરિમાપન, અધોરક્ત સ્પેક્ટ્રમમિતિ તેમજ અવશોષણ સ્પેક્ટ્રોફોટોમિતિ વપરાય છે. આ ઉપરાંત ભારે પાણીમાંના ¹H/²H પ્રમાણ જાણવા માટે દળ સ્પેક્ટ્રમમિતિ, વ્યતિકરણ-માપન, ન્યૂક્લિયર મૅગ્નેટિક રેઝોનન્સ જેવી રીતો પણ વપરાય છે. નજીકના અધોરક્ત પટ્ટમાં અવશોષણ સ્પેક્ટ્રોફોટોમિતિની રીત ખાસ ઉપયોગી નીવડી છે, કારણ કે તે સામાન્ય સ્પેક્ટ્રોફોટોમિટર દ્વારા પણ માપી શકાય છે.

ભારે પાણીનો સૌથી વધુ ઉપયોગ નાભિકીય ભઠ્ઠીઓ(nuclear reactors)માં વિમંદક (moderator) તરીકે થાય છે. તે વિમંદક તરીકે ન્યૂટ્રૉનની ગતિ ધીમી પાડી દેવા [તેને જકડી લેવા (capture) માટે નહિ] વપરાય છે. આ ઉપરાંત તે શીતક (coolant) તરીકે પણ તેના નીચા ન્યૂટ્રૉન-અવશોષણ આડછેદને કારણે રિઍક્ટરમાં વપરાય છે. રિઍક્ટર-દીઠ તેની જરૂરિયાત 5થી 200 ટન જેટલી ગણાય છે.

ઊર્જા-ઉત્પાદન માટે ડ્યૂટેરિયમ ખૂબ ઉપયોગી નીવડી શકે તેમ છે; જેમાં નાભિકીય (nuclear) સંગલન(fusion) પ્રક્રિયા

ઉપયોગ થાય છે.

નાના પાયા પર ભારે પાણી ડ્યૂટેરિયમ ધરાવતા અણુઓ (દા.ત., CD₃COOH, ND₃ વગેરે) બનાવવા માટે વપરાય છે. આવા અણુઓ જૈવ વૈજ્ઞાનિક સંશોધનોમાં વપરાય છે.

ભારે પાણીનો ઉપયોગ PHWRs(pressurised heavy water reactors)માં વિમંદક અને શીતક તરીકે થતો હોવાથી પંજાબના નાંગલ ખાતે 1961માં પાણીના વિદ્યુતવિભાજન ઉપર આધારિત એક નાનો એકમ કાર્યરત બનાવાયો હતો. ત્યારબાદ તો સાત ભારે પાણી મેળવવાનાં સંયંત્રો (plants) વડોદરા (ગુજરાત), હજીરા (ગુજરાત), રાવતભાટા (રાજસ્થાન), મનુગુરુ (આંધ્રપ્રદેશ), તાલ્ચર (ઓરિસા), થલ (મહારાષ્ટ્ર) તથા તુતીકોરીન (તમિલનાડુ) ખાતે ઊભાં કરાયાં છે.

હેવી વૉટર બૉર્ડ આ અંગેની ડિઝાઇન, બાંધકામ વગેરેની કામગીરી ઉપરાંત તેની ચલાવવાની કામગીરી પણ સંભાળે છે. આ સંયંત્રો એમોનિયા-હાઇડ્રોજન વિનિમય–પ્રવિધિ તથા પ્રાદેશિક ધોરણે મેળવાતા પાણી-હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડ વિનિમય–પ્રવિધિ ધરાવતાં સંયંત્રો છે. ભારત પોતાની જરૂરિયાત કરતાં વધુ પ્રમાણમાં ભારે પાણી પેદા કરે છે. આથી તે ભારે પાણીની દક્ષિણ કોરિયા જેવા દેશો ખાતે નિકાસ પણ કરે છે. 1962માં રિઍક્ટરોમાંથી વિકૃત થયેલા ભારે પાણીને ફરી પૂર્ણરૂપે ક્રિયાશીલ બનાવવાનો પ્લાન્ટ પણ નખાયો છે. આ અનુભવ પરથી ભાભા એટમિક રિસર્ચ સેન્ટરે (BARC) આવા વિકૃત ભારે પાણીને ફરીથી પૂર્ણ ક્રિયાશીલ બનાવવાનાં 19 પુન:સંકેન્દ્રણ-ટાવરો વિવિધ સ્થળોએ કાર્યરત કર્યાં છે.

જ. પો. ત્રિવેદી

કિશોર પોરિયા