核反应堆里的重水是什么,能喝吗?喝过的勇士竟然都说有点甜?

SME科技故事 2021-04-19 23:45


世界上总是会有一些奇奇怪怪的问题,就比如重水能不能喝,是什么味道的?
 
什么是重水?简单来说就是分子中的氢被替换为氘的水。氢原子在自然界有三兄弟,分别是氢-1、氢-2、氢-3,为了方便一般叫它们氕氘氚。
 
这三兄弟的差别主要在于原子核的中子数量,氕就是我们一般语境中默认的氢,由一个质子和一个电子组成,而氘要比氕多一个中子,氚则多两个。
 


自然界中绝大多数氢都是以氕的形式存在,相对丰度达到99.9844%,而氘的丰度相对较低,约0.0156%,至于氚,由于丰度低于0.001%,一般记为痕量。
 
最近日本福岛的核废水事件中,氚的含量就是重点讨论的问题。
 
氚具有放射性,发生β衰变,半衰期为12.43年,衰变产物氦-3太轻会逃逸到宇宙中。氚在自然界中含量极少,一般认为是宇宙辐射与上层大气中的氢相互作用产生,总量大概只有7.3千克,而自核技术诞生以来,人类制造出的氚已经超过了自然存量的5倍。

日本福岛百万吨的核废水

氕氘氚三兄弟虽然在原子组成上有所不同,但是它们的化学性质差距却微乎其微,三者与氧反应都能生成水,称为H2O、D2O(Deuterium oxide)和T2O(Tritium oxide),D2O和T2O俗称重水和超重水。

也正因为三者的很多性质都一样,氚也是核废水中最难分离去除的物质。含有氚的超重水有什么危害自然不必过多解释,放射性三个字已经概括了很多。
 
不过,没有放射性的重水要比超重水有意思得多。
 

由于重水密度比水大10%,重水冰块能在水中沉底

重水几乎是伴随着氘的发现而被人所知的,1931年美国科学家哈罗德·克莱顿·尤里(Harold Clayton Urey)发现了氢的同位素氘,之后他也因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。
 
1933年,尤里的导师吉尔伯特·牛顿·路易斯(Gilbert Newton Lewis)通过电解水的方式制得了0.5毫升重水,纯度为65.7%。

哈罗德·克莱顿·尤里

早年间制取重水的方法就是简单粗暴的电解水,从现象上来看,电解水时阴极产生的氢气中所含轻同位素的比例更高一些,留在电解池内的水中氘的含量就变高了。
 
电解法制重水的原理涉及动力学同位素效应,同位素之间虽然化学性质极为相近,但在反应速率上有差异,平衡常数也不同。
 
反应速率的变化与核量子效应有关,简单来说是由于较重的同质异形体拥有更低的震动频率,在大多数情况下需要更多的能量才能使化学键断裂。
 


不过,天然水中的氘并不一定都以D2O的形式存在,更大概率是以HDO(半重水)的形式存在。在电解法制重水的过程中,当HDO分子达到一定比例后,水分子间还会发生交换氢离子的现象,D2O的比例变得更高。
 
当电解制取重水的方法出现后,很快就被应用到实际中。就在路易斯制得高纯度重水的次年,1934年,挪威建起了Venmork水力发电厂,利用丰富的水力资源来电解水制氢,用于生产硝酸盐化肥。
 

挪威Venmork水力发电厂

商机就藏在其中,生产化肥需要的是电解水产生的氢气,而留在电解池里的不就是重水吗?虽然实际的情况没有那么简单粗暴,但方向是正确的。
 
果不其然,制氢厂对电解的残留物进行分析,发现当中氘与氢(氕)的比例为1:48,远远低于天然的1:6400,虽然大多数是以HDO半重水的形式存在,但也极具价值。
 
于是挪威水电公司接受了制氢厂负责人提出的建议,从电解液的副产物中制取重水,虽然过程需要大量联级电解室和消耗大量电力,但这并不妨碍挪威水电公司成为最早向科学界供应重水的厂商。
 

挪威产安瓿装重水

然而,重水的故事才刚刚开始。德国人在1938年末发现了中子轰击铀能引发核裂变,苏联人在1939年末得出结论,重水和石墨是铀反应堆的仅有的可行缓和剂,反应堆需要大约15吨重水。
 
重水因为能够使链式核反应产生的中子减速而成为了战略级的物质,各国都极其重视。1940年到二战期间,挪威的重水工厂一直处于纳粹德国的控制之下,并大量采购几乎所有的重水。
 
为了阻止纳粹的核研究,盟军发动了一系列针对重水工厂的突袭破坏行动,为世界做出了一定的贡献,当然从马后炮的角度来看,当时挪威重水工厂即便马力全开也很难产出足够反应堆运行的重水。
 

盟军穿越山地高原摧毁纳粹控制下的重水工厂

总之,重水刚刚出现在人们的视野中就与核反应关联上了,以至于很多人对它的第一印象就是极度危险,实际上并非如此。
 
那个年代科学家的好奇心的是无穷的,早在氘被发现后不久就已经有人把重水喝下了肚。
 
乔治·赫维西(GeorgeCharles de Hevesy)和氘的发现者尤里是好朋友,1934年赫维西找尤里搞来了几升重水,当然纯度不是特别高,只有0.6%。
 
赫维西把这些重水喝掉了,目的是将氘作为示踪剂来研究人体对水的代谢,最终得出结论,水分子在人体内平均停留时间为13±1.5天。
 

咋?不信吗?

这不是传说,赫维西是示踪剂研究的先驱,因为这方面的研究获得了1943年的诺贝尔化学奖,后来在纳粹占领丹麦时,他用王水把诺奖金牌溶了,大家感兴趣的话可以单独讲讲老哥的故事。
 
总之,大家一直都对喝重水这件事非常好奇,首先是它是的毒性。
 
可以明确的一点是,现在我们通过合法途径购买到的高纯度重水(氧化氘),在容器的标签上大概率会写有安全性警告,或者是仅用于实验等提醒,这里不建议任何人尝试饮用重水。
 


首先,对于大多数天然同位素而言,它们的差异太小,以至于几乎无法产生生物学效应。氢算是比较特殊的,氘虽然之比氕多了一个中子,但原子量已经翻倍,更何况水是地球生物非常重要的溶剂,一些细微的化学性质差异就可能会对生物体产生影响。
 
目前已知的一些影响,包括对昼夜节律周期变长,现象可以在单细胞生物、绿色植物、昆虫、鸟类、小鼠等生物中观察到。
 
更重要的是对生物体内重要化学反应的影响,由于重水的氢键更强,很多依靠氢键的生化反应会被影响。植物在高浓度重水的环境下会死亡,动物如小鼠、大鼠和狗,在体内D2O达到25%以上会不育,鱼类在90%以上的重水中会迅速死亡。

哺乳动物被投喂重水后约一周后会死亡,此时它们体内的水有50%左右已经被替换为D2O,原因为氘抑制细胞分裂。
 
听起来喝重水还是一件挺可怕的事,不过除了那些为了研究而被饲养的动物外,人类几乎不可能会接触到如此大量的重水。
 
而且,氘作为天然的氢同位素,人体中也含有一定量的氘,以50千克体重算,一个人体内约含有32千克的水,其中约有1.1克的氘,换算过来相当于5.5克的纯重水。
 

而一般认为人体内的水要有一般有25%~50%被替换为D2O才有可能产生毒性,显然这种情况几乎不可能出现,也不用脑洞大开构思一个“重水杀人案”,以今天重水与纯银相当的价格来看,不说了,你们自己算。
 
尽管理论上不建议任何人饮用重水,实际上还是有无数人或公开或非公开地喝过重水,原因说起来很离奇,因为大家都好奇重水究竟是不是甜的。
 
虽然早期,比如氘的发现者尤里本人,以及挪威克劳斯  汉森教授在尝试重水后得出了不太统一的答案,前者认为重水和普通水无异,后者认为重水有点辣嘴。


这些有可能是当时制备重水技术不成熟,纯度不足以及含有杂质等因素造成的。但到了今天,我们可以在购买到纯度达到99.98%的重水,有很多偷尝禁水的人都表示“有点甜”。
 
说起来非常奇怪,水怎么会有甜味呢?根据YouTube Thunderf00t频道的实验,他设计了简单的盲测实验,被试者将会品尝不同的水,每次仅有三滴。
 
为了排除可能因分子量带来的差异,他还花重金搞来了重氧水,即氢与氧-18生成的水,分子量为20,与重水相当。
 
结果几乎所有被试者都能在三种水(普通水、重水、重氧水)中区分出重水,只靠三滴并且非常迅速,可以说比较明显。
 

Thunderf00t的频道主是Phil Mason,他也是下文研究中的作者之一,主要贡献是提供蒸馏提纯的高纯度重水,你可以在文末参考中找到他的名字

在另一项由娜塔莉·本·阿布主导的实验中,28名参与者在开鼻式味觉测试中有22名准确区分出了重水,根据他们的主观反馈,纯重水的甜味显著,但比较轻微,平均甜度为3.3±0.4(1无感,3轻微,5中等,7非常,9齁甜)。


为了进一步研究重水产生甜味的原因,他们团队还做了小鼠实验,但是实验的结果有些出人意料。已知小鼠对蔗糖水有较强的偏好,但却对重水没有偏好,其他的长期喂养实验甚至观察到小鼠表现出对重水的厌恶。
 


也就是说,小鼠可能尝不出重水的甜味,但也可能通过其他特征分辨出重水,一种猜测是喝下重水后小鼠的身体出现了不适,毕竟它们体型小,重水带来的影响更为显著。
 
不过,这也给研究带来了方向,重水产生甜味的原因来自于人类特有而啮齿类没有的甜味受体,后确定为TAS1R2 / TAS1R3受体。
 


进一步的实验通过作用于TAS1R2/ TAS1R3受体的甜味抑制剂也证明了重水甜味的来源。不过实验仍没有找到确切的点位和作用机理,但可以确定是由于核量子效应,D2O的氢键更强,因此蛋白质在D2O中刚性和致密性也更强,这或许是我们感受到甜味的原因。
 
正所谓“遇事不决,量子力学“,其实真正的含义是让你举棋不定的时候喝一口水冷静冷静,用你的TAS1R2 / TAS1R3受体感受那3200分之一的回甘。
 


最后,恭喜你看完本文,收获了一条无用知识:当你面前的两杯水中有一杯是重水,辨别它们的最快方法就是——喝一口(误)。
 


Natalie Ben Abu, Philip E. Mason, Hadar Klein, Nitzan Dubovski, Yaron Ben Shoshan-Galeczki, Einav Malach, Veronika Pražienková, Lenka Maletínská, Carmelo Tempra, Victor Cruces Chamorro, Josef Cvačka, Maik Behrens, Masha Y. Niv & Pavel Jungwirth. Sweet taste of heavy water[J]. CommunicationsBiology,2021,4(1).
Curt P.  Richter. A Study of Taste and Smell of HeavyWater (99.8%) in Rats1:[J]. Proceedings of the Society for Experimental Biologyand Medicine,2016,152(4).
Michael I. Ojovan,... Stepan N. Kalmykov, Short-Lived Waste Radionuclides[J]. An Introduction toNuclear Waste Immobilisation (Third Edition), 2019.
Sergio Prostak. HeavyWater Has Sweet Taste, New Study Confirms. Sci-News, Jun 1, 2020.
Peter Dockrill. HumanTaste Buds Can Tell The Difference Between Normal And 'Heavy' Water. ScienceAlert, April 11 2021.
Norwegian heavywater sabotage. Wikipedia, March 27 2021.
"George deHevesy." Famous Scientists. famousscientists.org. 26 May. 2018. Web.4/19/2021 .
Thunderf00t. Whydoes Heavy Water taste sweet? YouTube,2021-4-7.
Periodic Videos. Canyou drink Heavy Water? YouTube, 2010-6-11.