Air berat

Air berat adalah air (H2O) yang memiliki isotop H-2 (deuterium). Air biasa sebagian sangat besar didominasi oleh molekul dengan atom H-1 karena intinya memiliki satu proton. Deuterium memiliki tambahan satu neutron pada intinya.

Pada air berat, deuterium mendominasi komposisi molekul-molekul air sehingga air ini memiliki massa yang lebih tinggi pada volume yang sama dibandingkan dengan air biasa. Perbedaan berat mengakibatkan perbedaan sifat fisika dan kimianya dengan air biasa.

Air berat dipakai pada reaktor nuklir sebagai pendingin. Air berat juga digunakan sebagai moderator (pelambat) neutron.

 Komposisi 
Inti deuterium terdiri dari satu neutron dan satu proton; inti atom protium (hidrogen normal) hanya terdiri dari satu proton. Neutron tambahan ini membuat atom deuterium kira-kira dua kali lebih berat daripada atom protium.

Sebuah molekul air berat memiliki dua atom deuterium, bukan dua atom protium pada air biasa. Istilah air berat sebagaimana didefinisikan oleh Buku Emas IUPAC juga dapat merujuk pada air dengan proporsi atom hidrogen deuterium yang lebih tinggi dari biasanya. Sebagai perbandingan, Air Laut Rata-Rata Standar Wina ("air biasa" yang digunakan untuk standar deuterium) mengandung sekitar 156 atom deuterium per juta atom hidrogen; artinya, 0,0156% atom hidrogen adalah H. Dengan demikian, air berat sebagaimana didefinisikan oleh Buku Emas mencakup air semiberat (hidrogen-deuterium oksida, HDO) dan campuran lain dari , , dan HDO dengan proporsi deuterium yang lebih besar dari biasanya. Misalnya, air berat yang digunakan dalam reaktor CANDU adalah campuran air yang sangat diperkaya yang sebagian besar terdiri dari deuterium oksida , tetapi juga sebagian hidrogen-deuterium oksida dan sejumlah kecil air biasa . Air berat ini diperkaya 99,75% oleh fraksi atom hidrogen; artinya, 99,75% atom hidrogen merupakan jenis berat; tetapi, air berat dalam pengertian Buku Emas tidak perlu diperkaya terlalu tinggi. Namun, berat molekul air berat tidak jauh berbeda dengan molekul air normal, karena sekitar 89% massa molekul berasal dari atom oksigen tunggal, alih-alih dua atom hidrogen.

Air berat tidak radioaktif. Dalam bentuknya yang murni, ia memiliki massa jenis sekitar 11% lebih besar daripada air tetapi secara fisik dan kimia serupa. Namun demikian, berbagai perbedaan dalam air yang mengandung deuterium (terutama yang memengaruhi sifat biologisnya) lebih besar daripada senyawa substitusi isotop umum lainnya karena deuterium unik di antara isotop stabil berat karena beratnya dua kali lipat dari isotop paling ringan. Perbedaan ini meningkatkan kekuatan ikatan hidrogen-oksigen air, dan hal ini pada gilirannya cukup untuk menyebabkan perbedaan yang penting bagi beberapa reaksi biokimia. Tubuh manusia secara alami mengandung deuterium setara dengan sekitar lima gram air berat, yang tidak berbahaya. Ketika sebagian besar air (> 50%) pada organisme tingkat tinggi digantikan oleh air berat, hasilnya adalah disfungsi sel dan kematian.

Air berat pertama kali diproduksi pada tahun 1932, beberapa bulan setelah penemuan deuterium. Dengan penemuan fisi nuklir pada akhir tahun 1938, dan kebutuhan akan moderator neutron yang menangkap sedikit neutron, air berat menjadi komponen penelitian energi nuklir awal. Sejak itu, air berat telah menjadi komponen penting dalam beberapa jenis reaktor, baik yang menghasilkan daya dan yang dirancang untuk menghasilkan isotop untuk senjata nuklir. Reaktor air berat ini memiliki keuntungan karena dapat beroperasi pada uranium alami tanpa menggunakan moderator grafit yang menimbulkan bahaya radiologi dan ledakan debu pada fase dekomisioning. Desain RBMK Soviet yang dimoderasi grafit mencoba untuk menghindari penggunaan uranium yang diperkaya atau air berat (didinginkan dengan air biasa sebagai gantinya) yang menghasilkan koefisien rongga positif yang merupakan salah satu dari serangkaian kelemahan dalam desain reaktor yang menyebabkan bencana Chernobyl. Sebagian besar reaktor modern menggunakan uranium yang diperkaya dengan air biasa sebagai moderator.

 Sifat 
+Sifat fisik isotopolog airSifatD2O (Air berat)HDO (Air semiberat)H2O (Air biasa)Titik beku3.82 °C (38.88 °F) (276.97 K)2.04 °C (35.67 °F) (275.19 K)0.0 °C (32 °F) (273.15 K)Titik didih101.4 °C (214.5 °F) (374.55 K)100.7 °C (213.3 °F) (373.85 K)100.0 °C (212 °F) (373.15 K)Kepadatan pada STP (g/mL)1.10561.0540.9982Suhu massa jenis maksimum11.6 °C -3.98 °C Extract of page 15Kekentalan dinamis (pada 20 °C, mPa·s)1.24671.12481.0016Tegangan permukaan (pada 25 °C, N/m)0.071870.071930.07198Kalor peleburan (kJ/mol)6.1326.2276.00678Kalor penguapan (kJ/mol)41.521 -40.657

 Produksi Air Berat, Deuterium, dan Senyawa Deuterium 
jmpl|Girdler sulfide process
jmpl|Reproduksi asli pabrik air berat di Vemork - Rjukan., Norwegia
jmpl|Diagram proses Geib-Spevack untuk memperoleh air berat
Air berat dapat diproduksi melalui berbagai proses. Namun, dua proses yang terbukti layak secara komersial adalah 
 proses pertukaran air-hidrogen sulfida (proses GS) dan https://energyeducation.ca/encyclopedia/Heavy_water
 proses pertukaran amonia-hidrogen.

Proses GS didasarkan pada pertukaran hidrogen dan deuterium antara air dan hidrogen sulfida dalam serangkaian menara yang dioperasikan dengan bagian atas dingin dan bagian bawah panas. Air mengalir menuruni menara sementara gas hidrogen sulfida bersirkulasi dari bawah ke atas menara. Serangkaian baki berlubang digunakan untuk mendorong pencampuran antara gas dan air. Deuterium bermigrasi ke air pada suhu rendah dan ke hidrogen sulfida pada suhu tinggi. Gas atau air, yang diperkaya deuterium, dikeluarkan dari menara tahap pertama di persimpangan bagian panas dan dingin, dan proses ini diulangi di menara tahap berikutnya. Produk tahap terakhir, air yang diperkaya hingga 30% deuterium, dikirim ke unit distilasi untuk menghasilkan air berat kelas reaktor, yaitu 99,75% deuterium oksida.

Proses pertukaran amonia-hidrogen dapat mengekstraksi deuterium dari gas sintesis melalui kontak dengan amonia cair dengan adanya katalis. Gas sintesis dialirkan ke menara pertukaran dan ke konverter amonia. Di dalam menara, gas mengalir dari bawah ke atas sementara amonia cair mengalir dari atas ke bawah. Deuterium dipisahkan dari hidrogen dalam gas sintesis dan dikonsentrasikan dalam amonia. Amonia kemudian mengalir ke cracker amonia di bagian bawah menara sementara gas mengalir ke konverter amonia di bagian atas. Pengayaan lebih lanjut terjadi pada tahap-tahap selanjutnya dan air berat kelas reaktor diproduksi melalui distilasi akhir. Umpan gas sintesis dapat disediakan oleh pabrik amonia yang, pada gilirannya, dapat dibangun bersama dengan pabrik pertukaran amonia-hidrogen air berat. Proses pertukaran amonia-hidrogen juga dapat menggunakan air biasa sebagai sumber umpan deuterium.

Banyak peralatan utama untuk pabrik produksi air berat yang menggunakan GS atau proses pertukaran amonia-hidrogen umum digunakan di beberapa segmen industri kimia dan perminyakan. Hal ini khususnya berlaku untuk pabrik kecil yang menggunakan proses GS. Namun, hanya sedikit peralatan yang tersedia secara siap pakai. Proses GS dan amonia-hidrogen memerlukan penanganan cairan yang mudah terbakar, korosif, dan beracun dalam jumlah besar pada tekanan tinggi. Oleh karena itu, dalam menetapkan standar desain dan operasi untuk pabrik dan peralatan yang menggunakan proses ini, perhatian yang cermat terhadap pemilihan dan spesifikasi material diperlukan untuk memastikan masa pakai yang lama dengan faktor keamanan dan keandalan yang tinggi. Pemilihan skala terutama merupakan fungsi ekonomi dan kebutuhan. Dengan demikian, sebagian besar peralatan akan disiapkan sesuai dengan kebutuhan pelanggan.

Baik dalam proses GS maupun proses pertukaran amonia-hidrogen, peralatan yang secara individual tidak dirancang atau dipersiapkan secara khusus untuk produksi air berat dapat dirakit menjadi sistem yang dirancang atau dipersiapkan secara khusus untuk memproduksi air berat. Sistem produksi katalis yang digunakan dalam proses pertukaran amonia-hidrogen dan sistem distilasi air yang digunakan untuk konsentrasi akhir air berat menjadi air berat tingkat reaktor dalam kedua proses tersebut merupakan contoh sistem tersebut.

Peralatan yang dirancang atau dipersiapkan secara khusus untuk produksi air berat menggunakan proses pertukaran air-hidrogen sulfida maupun proses pertukaran amonia-hidrogen meliputi:

 Menara pertukaran air-hidrogen sulfida
 Blower dan Kompresor
 Menara pertukaran amonia-hidrogen
 Internal menara dan pompa bertahap
 Ammonia cracker
 Analisis penyerapan inframerah
 Pembakar katalitik

 Lihat pula 
 Badan Tenaga Atom Internasional (IAEA) 
 Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN)
 Organisasi Riset Tenaga Nuklir (ORTN)
 Pembangkit listrik tenaga nuklir
 Reaktor nuklir
 Bahan bakar nuklir
 Pengisian bahan bakar online
 Inti reaktor nuklir
 Moderator neutron
 Cairan pendingin
 Batang kendali (reaktor nuklir)
 Startup sumber neutron
 Pompa air umpan boiler
 Bejana tekan reaktor
 Reaktor pembiak
 Generator uap (tenaga nuklir)
 Menara pendingin
 Turbin uap
 Generator listrik
 Light water reactor (LWR)
 Boiling water reactor (BWR)
 Pressurized water reactor (PWR)
 Pressurized heavy-water reactor (PHWR)
 Moderator Grafit:
 Magnox
 Advanced gas-cooled reactor' (AGR)
 RBMK
 Tenaga nuklir berbasis thorium

 Rujukan 

Kategori:Fisika
Kategori:Air
Kategori:Pendingin reaktor nuklir
Kategori:Komponen pembangkit listrik tenaga nuklir
Kategori:Pembangkit listrik tenaga nuklir
Kategori:Teknologi nuklir