آب سنگين و بمب هيدروژنی؛ بنيان‌های علمی مجادله

در سخنرانی علی اکبر صالحی، رئیس سازمان انرژی اتمی ايران در جلسه پرتنش مجلس يک واژه چندين بار تکرار ‌شد. دوتريوم. ماده‌ای که نام آن وارد مجادلات سیاسی شده است.  

واژه دوتريوم از اسم يونانی Deuteros آمده که معنای آن دوم يا دومی است. اين اسم را برای شکلی از هيدروژن به کار می‌برند که با هيدروژنی که می‌شناسيم متفاوت است.

هيدروژنی که می‌شناسيم يک عنصر شيميايی‌ست که معروف‌ترين شکل طبيعی آن بصورت ترکيب دو اتم از اين عنصر و يک اتم اکسيژن

است که مولکول آب را تشکيل می‌دهد. در هسته اتم هيدروژن معمولی يک پروتون و در فضای بيرون از هسته که به آن مدار اتم می‌گويند يک الکترون وجود دارد. بار الکتريکی پروتون مثبت (+) و بار الکتريکی الکترون منفی (ـ)ست. به دليل مساوی بودن بارهای مثبت و منفی پروتون و الکترون، اتم هيدروژن از نظر بار الکتریکی خنثی‌ست.

وقتی اتم هيدروژن تحريک می‌شود الکترونی که در مدار هسته آن قرار دارد از دست می‌رود و در نتيجه تنها بار الکتريکی پروتون برای اتم هيدروژن باقی می‌ماند. اتم هيدروژن برای رسيدن دوباره به حالت خنثی با مواد ديگری ترکيب می‌شود تا الکترون از دست رفته‌اش را جايگزين کند. همين تمايل هيدروژن برای خنثی شدن بار الکتريکی باعث توليد مواد تازه شيميايی می‌شود که آب هم يکی از آن‌هاست. بسياری از محلول‌های اسيدی نظير اسيد سولفوريک نيز با تحريک اتم هيدروژن و ترکيب اتم هيدروژن با بار مثبت با مواد ديگری که حامل بار منفی هستند توليد می‌شوند.  

به این شکل از هيدروژن که فراوانی آن معادل ۹۹.۸۸۸۵ درصد تمام هيدروژن موجود در طبيعت است پروتيوم می‌گويند. اگر عدد ۹۹.۸۸۸۵ را از ۱۰۰ کم کنيد به عدد بسيار کوچک ۰.۱۱۱۵ می‌رسيد که کمتر از يک درصد است. اين عدد کوچک ميزان يک شکل ديگر از اتم هيدروژن را نشان می‌دهد که به آن می‌گويند دوتريوم. معنای دوم يا دومی برای دوتريوم از همينجا می‌آيد. يعنی شکل دوم اتم هيدروژن.

دوتريوم شکلی از اتم هيدروژن

است که بجز الکترونی که در مدار آن قرار گرفته در هسته آن يک پروتون و يک نوترون وجود دارد. وجود اين نوترون اضافی که بار الکتريکی هم ندارد باعث سنگين شدن وزن اتم اکسيژن يا همان ايزوتوپ دوتريوم می‌شود. اگر برای توليد آب به شيوه معمولی از ترکيب کردن اتم سنگين هيدروژن يا دوتريوم با اتم اکسيژن استفاده کنيم آبی که از اين ترکيب به دست می‌آيد سنگين‌تر از آب معمولی‌ست. به چنين آبی می‌گويند آب سنگين.

کاربرد آب سنگين در نيروگاه‌های اتمی‌ست. اين نيروگاه‌ها را به نام نيروگاه‌های گداخت يا همجوشی هسته‌ای می‌شناسند. اساس کار اين نيروگاه‌ها شبيه سازی اتفاقی‌ست که در خورشيد رخ می‌دهد، يعنی جوش دادن هسته‌های دو یا چند اتم هيدروژن به يکديگر و توليد انرژی.

اتم هيدروژن يک ايزوتوپ ديگر هم دارد که به نام تريتيوم شناخته می‌شود. نام اين ايزوتوپ هم از واژه يونانی Tritos يا سومی آمده. در هسته تريتيوم يک پروتون و دو نوترون و در مدار آن يک الکترون وجود دارد. مقدار تريتيوم در روی زمين بسيار بسيار کم است و منبع اصلی آن واکنش‌های شيميایی درون خورشيد است.

در خورشيد اتم‌های دوتريوم با تريتيوم با يکديگر ترکيب می‌شوند و اتم هليوم توليد می‌کنند. توليد اتم هليوم همراه با آزاد شدن انرژی و نوترون

است. بنابراين انرژی خورشيد محصول ترکيب اتم‌های دوتريوم و تريتيوم و توليد هليوم است.

تنها روش ايجاد شرايطی شبيه به شرايط خورشيد در روی زمين استفاده از نيروگاه‌های گداخت يا همجوشی هسته‌ای‌ست و بطور طبيعی برای بازسازی شرايط خورشيد بدون وجود تريتيوم می‌بايست از دوتريوم استفاده کرد. برای ايجاد زمينه برخورد اتم‌های هيدروژن با يکديگر بايد سرعت آن‌ها را به اندازه‌ای کند کرد که اتم‌های هيدروژن با دقت زياد با هم برخورد کنند و در هم جوش بخورند. سنگينی اتم دوتريوم باعث می‌شود سرعت برخورد هسته‌های اتم دوتريوم با يکديگر قابل کنترل باشد. اما انرژی که از يک نيروگاه گداخت يا همجوشی هسته‌ای به دست می‌آيد می‌تواند بصورت کنترل نشده نيز استفاده شود. در شکل کنترل نشده تمام فرآيند يک نيروگاه را در يک بسته کوچک جای می‌دهند و شروع واکنش به زبان ساده از طریق ضربه زدن به آن بسته شروع می‌شود.

انرژی محبوس در درون بسته بمحض ضربه خوردن رها می‌شود و انرژی ذخيره شده را به محيط منتقل می‌کند. نام چنين بسته‌ای بمب هيدروژنی‌ست.

‌در نوشته‌های علمی برای معرفی دوتريوم از حرف D2 استفاده می‌شود. ولی در رشته شيمی برای معرفی نوع ايزوتوپ هيدروژن در يک واکنش شيميايی علامت 2H را به کار می‌برند.  

دوتريوم توسط هارولد اوری فيزيک شيميدان امريکايی و استاد دانشگاه کلمبيا کشف شد. کشف دوتريوم برای اوری جايزه نوبل سال ۱۹۳۴ را به ارمغان آورد.