Ağır Su Nedir?

Ağır hidrojen veya döteryum içeren suya ağır su denir. Döteryum bildiğimiz hidrojenden farklıdır, çünkü protium (normal hidrojen) atom çekirdeği bir proton içerirken döteryum atomu bir proton ve bir nötron içerir. Kaba tabirle bir döteryum atomu bir protium atomunun yaklaşık iki katı ağırlıktadır. Ancak bir ağır su molekülünün ağırlığı normal su molekülünün ağırlığından önemli ölçüde farklı değildir, çünkü suyun moleküler ağırlığının yaklaşık %89’u iki hidrojen atomu tarafından değil tek oksijen atomu tarafından belirlenir. Ağır su döteryum oksit (D2O ) veya döteryum protium oksit (DHO) olarak adlandırılabilir.  Daha ağır hidrojen izotopunun varlığı suya farklı nükleer özellikler verirken, su molekülünün kütlesinin artması normal suya göre daha farklı fiziksel ve kimyasal özellikler verir.

Normal sudan daha az bulunmasına rağmen ağır su kendiliğinden oluşur. Yirmi milyon su molekülüne karşı bir ağır su molekülüne rastlanır.

ÖNEMLİ NOT: Ağır su sıradan sudan daha fazla nötron içeren bir izotoptur. Bu durumun ağır suyu radyoaktif yapması beklenirken, ağır su radyoaktif değildir.

CANDU reaktörlerinde kullanılan ağır su, hidrojen atomu ile %99,75 oranında zenginleştirilmiştir yani hidrojen atomlarının %99,75’i ağır tiptedir. Sıradan su molekülü ile karşılaştırıldığında bir milyon hidrojen atomu başına yalnızca 156 döteryum atomu bulunur, yani hidrojen atomlarının %0,0156’sı ağır tiptedir.

 İnsan vücudu zararsız olan yaklaşık beş gram ağır suya eşdeğer döteryum içerir. Daha yüksek organizmalardaki büyük su fraksiyonu (>% 50) ağır su ile değiştirildiğinde hücreler işlevini kaybeder ve canlının ölümü ile sonuçlanır.

1932’de döteryumun keşfedilmesinden birkaç ay sonra ilk kez ağır su üretildi. 1938’in sonlarında nükleer fisyonun keşfedilmesi ve nötron yakalayan bir nötron moderatörüne ihtiyaç duyulması nedeni ile ağır su, erken nükleer enerji araştırmalarının bir parçası haline geldi. O zamandan itibaren, ağır su hem güç üreten hem de nükleer silahlar için izotoplar üretmek üzere tasarlanmış bazı reaktör türlerinin önemli bir bileşeni olmuştur. Bu ağır su reaktörleri uranyum çıkarma aşamasında radyolojik tehlike ve toz patlama tehlikesi oluşturan grafit moderatörleri kullanılmasını gerektirmeden doğal uranyum üzerinde çalışabilme avantajı sunar. Çoğu modern reaktör moderatör olarak sıradan su ile zenginleştirilmiş uranyum kullanır.

Ağır Su Çeşitleri Nelerdir?

Yarı Ağır Su

Yarı ağır su (HDO) hafif hidrojen (protium, 1 H) ve döteryum (D veya 2H) karışımı sudur. Hidrojen atomları (hidrojen-1 ve döteryum) su molekülleri arasında hızla değiş tokuş edilir. Hidrojeninde % 50 H ve % 50 D içeren su dinamik dengede yaklaşık % 50 HDO ve % 25 H2O ve D2O içerir. Normal suda 1 molekülde yaklaşık 3.200 HDO molekülü bulunur (3200 H molekülünde 6.400 D bulunur). 41 milyonda yaklaşık 1 molekül ağır su molekülü (6.4002’de bir molekül D2O) oluşur.  Bu nedenle yarı ağır su molekülleri “saf” (homoizotopik) ağır su moleküllerinden çok daha yaygın olarak bulunur.

Ağır Oksijenli Su

Daha ağır oksijen izotopları 17O ve 18O bakımından zenginleştirilmiş sulardır. Normal sudan daha yoğun olduğu için ağır su denir. (H218O D2O kadar yoğundur, H217O H2O ile D2O arasında bir yoğunluk değerine sahiptir). 17O ve 18O’nun daha zor ayrılması nedeni ile D2O’dan daha pahalıdır. H218O radyofarmasötikler, radyotracerler, flor-18 üretimi ve pozitron emisyon tomografisi için kullanılır.

Trityumlu Su

Trityum su protium (1H) veya döteryum (2H) yerine trityum (3H) içerir ve bu nedenle radyoaktiftir.

Su İzotopologlarının Fiziksel Özellikleri
Özellikler	D2O (Ağır su)	HDO (Yarı ağır su)	H2 O (Hafif su)
Donma noktası	3,82 °C(38,88 °F) (276,97 K)	2,04 °C(35,67 °F) (275,19 K)	0 °C(32 °F) (273,15 K)
Kaynama noktası	101,4 °C (214,5 °F) (374,55 K)	100,7 °C (213,3 °F) (373,85 K)	100,0 °C (212 °F) (373,15 K)
Yoğunluk de (g/ml )	1.1056	1.054	0.9982
Yoğunluğun maksimum olduğu sıcaklık	11.6 °C	–	3,98 °C
Dinamik viskozite (20 °C’de, mPa.s )	1.2467	1.1248	1.0016
Yüzey gerilimi (25 °C’de, N / m )	0,07187	0,07193	0,07198
Füzyon ısısı ( kJ / mol )	6.132	6.227	6.00678
Buharlaşma ısısı (kJ/mol)	41.521	–	40.657
pH (25 ° C’de)	7,44 (“pD”)	7.266 (“pHD”)	7.0
pKb (25 ° C’de)	7,44 (“pK b D2O”)	–	7.0
Kırılma indisi (20 °C’de, 0,5893 de µm )	1.32844	–	1.33335

Ağır Suyun Etkileri

• Kimyasal elementlerin farklı izotopları farklı kimyasal özellikler gösterir, ancak çoğu element için bu farklılıklar biyolojik bir etki göstermeyecek kadar küçüktür. Hidrojen durumunda protium (hafif hidrojen), döteryum ve trityum arasında kimyasal özelliklerde büyük farklılıklar görülür çünkü kimyasal bağ enerjisi çekirdek-elektron sisteminin azaltılmış kütlesine bağlıdır. Ağır hidrojen bileşiklerinde (hidrojen-döteryum oksit en yaygınıdır), diğer kimyasal elementleri içeren ağır izotoplar daha fazla yer değiştirir. İzotop etkileri biyolojik sistemleri oldukça etkiler. Bu nedenle biyolojik sistemler izotop etkisi ile daha küçük etkilere bile tepki gösterebilir.
• Ağır su, her döngünün uzunluğunu sürekli olarak artırır ve sirkadiyen salınımların süresini etkiler. Tek hücreli organizmaları, yeşil bitkileri, izopodları, böcekleri, kuşları, fareleri ve hamsterlerı ağır suyun etkiler ancak etki mekanizmaları henüz bilinmemektedir.
• Enzimler görevlerini yerine getirmek için üçüncül yapılarını stabilize ederek hem aktif merkezdeki substratlara hem de aktif merkezin dışındaki bölgelere hidrojen bağı ile bağlanırlar. Döteryum ile kurulan hidrojen bağı, sıradan hidrojeni içeren bir bağdan biraz daha güçlü olduğu için yüksek oranda döteryumlanmış bir ortamda, hücrelerdeki bazı reaksiyonlar bozulur.
• Ökaryotlarda hücre bölünmesi için gerekli olan mitotik iğ oluşumları hassas oldukları için ağır sudan daha şiddetli etkilenir. Bitkiler büyümeyi durdurur ve ağır su verildiğinde tohumlar filizlenmez çünkü ağır su ökaryotik hücre bölünmesini durdurur. 1972’de yapılan bir çalışmada sudaki döteryum içeriği oranını arttırmanın bitki büyümesini azalttığı kanıtlandı. 
• Prokaryot mikroorganizmaların ağır hidrojen ortamında yapay koşullarda büyümesi üzerine yapılan araştırmalar sonucunda bu ortamdaki suyun tüm hidrojen atomlarının döteryumu ile yer değiştirebileceğini gösterilmiştir. Deneyler sonucunda bakterilerin %98’inin ağır suda yaşayabildiği görüldü. Bitkiler üzerinde yapılan çalışmalar sonucunda %50’nin üzerindeki tüm konsantrasyonların bitkileri öldürdüğü bulunmuştur.

Hayvanlar üzerindeki etkisi

• Fareler, sıçanlar ve köpeklerle yapılan deneylerde %25’lik döteryumlama derecesinin kısırlığa (bazen geri döndürülemez) neden olduğunu görülmüştür. Bunun nedeni ne gamet ne de zigot gelişme göstermemiştir. 
• Yüksek ağır su konsantrasyonları (% 90) balıkları, kurbağa yavrularını, yassı kurtları ve böcekleri hızla öldürür. İçmek için ağır su verilen memeliler (örneğin, sıçanlar) vücut suyu yaklaşık %50 döterasyona yaklaştıktan bir hafta sonra ölürler.
• Ölüm şekilleri sitotoksik zehirlenme (kemoterapi) veya akut radyasyon sendromu (döteryum radyoaktif olmasa da akut radyasyon sendromu görülür) ile gerçekleşir. Bunun nedeni döteryumun hücre bölünmesini engellemesidir. 
• Döteryumla zehirlenmiş memelilerde kemik iliğinde kanama ve enfeksiyon nedeni ile veya bağırsaklardaki ishal ve sıvı kaybına neden olan işlev bozukluğu nedeni ile ölebilirler.

ÖNEMLİ NOT: Döteryum oksit, bor nötron yakalama tedavisini geliştirmek amacı ile kullanılır. Ancak bu etki döteryumun biyolojik veya kimyasal etkilerine değil, döteryumun nötronları yakalamadan hafifletme yeteneğine dayanır.

İnsanlarda Toksisite

İnsanın vücut suyunun %25 ile %50’sinin ağır su ile değiştirilmesi çok büyük miktarda ağır su gerektireceği için ağır su ile kazara veya kasıtlı zehirlenme olasılığı düşüktür. İnsan vücudunda kişinin kendi ağırlığının %50’si ile %75’i civarında su bulunur. Bu nedenle zehirlenme, kazazedenin gözle görülür toksik etkilere yol açması için uzun süre önemli miktarda normal su alımı olmadan büyük miktarlarda ağır su yutulmasını gerekir.

Ağır Su ve Radyasyon Karmaşası

Çoğu insan ağır suyu nükleer reaktörlerdeki kullanımıyla ilişkilendirip radyoaktif olduğunu düşünse de saf ağır su radyoaktif değildir. Ticari sınıftaki ağır su çok az miktarda da olsa doğal trityum içerdiği için hafif radyoaktiftir, ancak aynı şey sıradan su için de geçerlidir. Nükleer santrallerde soğutucu olarak kullanılan ağır su, ağır sudaki döteryumun nötron bombardımanı sonucu önemli sayılabilecek düzeyde daha fazla trityum içerir. Trityum, büyük miktarlarda alındığında sağlık açısından risklidir.

1990’da Kanada’daki Point Lepreau Nükleer Üretim İstasyonu’ndaki bir çalışan nükleer reaktörün birincil ısı taşıma döngüsünden yaklaşık yarım fincan ağır su numunesi aldı ve kafeteryada ortak kullanılan içecek dağıtıcısına yükledi. Sekiz çalışan kirli suyun bir kısmını içti. Olay, çalışanların yüksek trityum seviyelerine sahip biyolojik idrar örnekleri incelendiğinde farkedildi. Örnekler incelendiğinde idrarlarda bulunan ağır su miktarı ağır su toksisitesine neden olabilecek seviyelerin çok altındaydı ancak birkaç çalışan sudaki trityum ve nötronla aktive olan kimyasallardan dolayı yüksek radyasyon dozları aldı. Bu, ağır su zehirlenmesi değil ağır sudaki diğer izotoplardan dolayı radyasyon zehirlenmesiydi.

Ancak insanlar bu olaydan sonra ağır suyun normalde radyoaktif ve gerçekte olduğundan daha şiddetli zehirli olduğunu düşünmeye başladı. Su soğutucusunda süresiz olarak saf ağır su kullanılmış olsa dahi hiçbir çalışanın günlük içme suyunun %25’inden fazlasını böyle bir kaynaktan alması olası bir durum olmadığı için suyun böyle bir zarar vermesi mümkün değildir.

Kaynak: 1 (Erişim: ) 2 (Erişim: )