Sfetcu, Nicolae, « L’eau lourde », dans MultiMedia (20 avril 2023), MultiMedia Publishing, DOI : 10.13140/RG.2.2.33930.34245, https://www.telework.ro/fr/leau-lourde/

Heavy Water

Abstract

An overview of heavy water: definition, properties, uses (with emphasis on the use of heavy water in nuclear reactors as a moderator and coolant). Technologies for obtaining heavy water, detailing the process known as the Girdler sulphide process, or Geib-Spevack (GS). A brief history of the global industrial production of heavy water.

Keywords : heavy water, scientific research, technological research, Girdler sulfide process, Geib-Spevack

Résumé

Un aperçu de l’eau lourde : définition, propriétés, utilisations (avec un accent sur l’utilisation de l’eau lourde dans les réacteurs nucléaires comme modérateur et liquide de refroidissement). Technologies d’obtention d’eau lourde, détaillant le procédé connu sous le nom de procédé de sulfure Girdler, ou Geib-Spevack (GS). Un bref historique de la production industrielle mondiale d’eau lourde.

Mots clés : eau lourde, recherche scientifique, recherche technologique, procédé de sulfure Girdler, Geib-Spevack

L’eau lourde

Nicolae Sfetcu

nicolae@sfetcu.com

L’eau lourde, ou oxyde de deutérium, avec le symbole chimique ²H₂O ou D₂O, est un type d’eau (H₂O) dont les molécules sont constituées d’hydrogène et d’oxygène. (IUPAC 2005, 306) L’hydrogène possède naturellement trois types d’isotopes : ¹H, également appelé protium, dont le noyau est constitué d’un seul proton (l’isotope le plus répandu dans la nature), ²H (ou D), également appelé deutérium, dont le noyau constitué d’un proton et d’un neutron, et ³H (ou T), également appelé tritium, dont le noyau est constitué d’un proton et de deux neutrons. L’hydrogène de l’eau lourde contient un pourcentage de deutérium beaucoup plus élevé que celui de l’eau ordinaire. (PubChem 2022)

Fig. 1. Schéma chimique d’une molécule d’eau lourde, avec les liaisons chimiques associées.

Les principales propriétés de l’eau lourde* : (PubChem 2022)

Formule chimique : D₂O
Masse molaire : 20,0276 g mol⁻¹
Apparence : Liquide incolore
Odeur : Inodore
Densité : 1,107 g mL⁻¹
Point de fusion : 3,82 °C
Point d’ébullition : 101,4 °C
Solubilité dans l’eau : Miscible
log P : −1,38
Indice de réfraction (nD) : 1,328
Viscosité : 1,25 mPa·s (à 20 °C)
Moment dipolaire : 1,87 D

* Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C, 100 kPa).

Les propriétés physiques de l’eau lourde (avec deutérium) par rapport à l’eau légère (avec protium) : (Chaplin 2014)

Propriété	D₂O (Eau lourde)	H₂O (Eau légère)
Point de fusion (pression standard)	3.82 °C	0.0 °C
Point d’ébullition	101.4 °C	100.0 °C
Densité au STP (g/mL)	1.1056	0.9982
Temp. de densité maximale	11.6 °C	3.98 °C
Viscosité dynamique (à 20 °C, mPa·s)	1.2467	1.0016
Tension superficielle (à 25 °C, N/m)	0.07187	0.07198
Chaleur de fusion (kJ/mol)	6.132	6.00678
Chaleur de vaporisation (kJ/mol)	41.521	40.657
pH (à 25 °C)	7.44 (« pD »)	7.0
pK_b (à 25 °C)	7.44 (« pK_b D₂O »)	7.0
Indice de réfraction (à 20 °C, 0.5893 μm)	1.32844	1.33335

Tableau 1. Propriétés physiques de l’eau lourde

Les usages

L’eau lourde a de nombreuses et diverses utilisations, dont je citerai les plus importantes :

En résonance magnétique nucléaire, l’eau lourde est utilisée comme solvant en spectroscopie lorsque le nucléide d’intérêt est l’hydrogène, en raison du moment magnétique différent des deux types d’eau.

En chimie organique, il est utilisé comme source de deutérium.

En spectroscopie infrarouge, l’eau lourde est utilisée dans la collecte de spectres FTIR de protéines en solution, améliorant la résolution par rapport à l’eau légère.

Dans les systèmes de détection de neutrinos, l’eau lourde est utilisée comme solvant pour le milieu absorbant les neutrinos et pour la détection des neutrinos exotiques.

En médecine, l’eau lourde est utilisée mélangée à H₂¹⁸O pour tester le taux métabolique moyen.

Dans l’éclairage autonome et la fusion nucléaire contrôlée, et d’autres utilisations qui utilisent le tritium, il est obtenu dans certains cas dans des réacteurs à eau lourde modérée, ou par des méthodes dans lesquelles le deutérium capture un neutron et se transforme en tritium.

Dans certains types de réacteurs nucléaires, notamment les réacteurs nucléaires de type CANDU, l’eau lourde est utilisée comme modérateur neutronique pour ralentir les neutrons et ainsi augmenter la section efficace de l’uranium 235 fissile, contribuant également à une grande stabilité au sein de la chaîne réaction. L’eau lourde est également utilisée comme agent de refroidissement dans le système de transfert de chaleur en raison de ses propriétés physiques spécifiques.

Les réacteurs nucléaires CANDU (CANada Deuterium Uranium) utilisent de l’eau lourde sous pression (Wang 2012) et de l’uranium (à l’origine, naturel). En octobre 2011, le gouvernement fédéral canadien a accordé une licence pour le projet CANDU à Candu Energy (une filiale en propriété exclusive de SNC-Lavalin), qui fournit des services de soutien pour les sites existants et a également géré les installations précédemment bloquées en Roumanie et en Argentine grâce à un partenariat avec le Société nucléaire nationale de Chine.

L’eau lourde utilisée comme modérateur dans les réacteurs nucléaires CANDU permet de séparer les neutrons et l’uranium car l’²³⁸U a une forte affinité pour les neutrons d’énergie intermédiaire (absorption « par résonance »), mais est facile à fissionner (elle a une meilleure section efficace) uniquement pour quelques neutrons énergétiques au-dessus de ≈1,5–2 MeV. (Rouben 2011) Par modération, la plupart des neutrons atteindront une énergie plus faible et seront plus susceptibles de provoquer une fission, d’où une meilleure « combustion » de l’uranium naturel, et donc une plus grande efficacité[1]. De plus, l’eau lourde permet une plus grande stabilité de la réaction en chaîne.

Production

L’eau deutérée (eau semi-lourde), HDO, est naturellement présente dans l’eau normale dans un rapport d’environ 1 molécule pour 3 200 molécules d’eau légère (H₂O). L’eau deutérée peut être séparée de l’eau normale par distillation, électrolyse, ou par divers procédés d’échange chimique, par échange isotopique. La différence de masse entre les deux isotopes de l’hydrogène se traduit par une légère différence de vitesse de réaction. La production d’eau lourde pure par distillation ou électrolyse nécessite une grande cascade d’alambics ou de chambres d’électrolyse et consomme de grandes quantités d’énergie, de sorte que les méthodes chimiques sont généralement préférées. Le procédé le plus rentable pour produire de l’eau lourde est le procédé d’échange de sulfure à double température (connu sous le nom de procédé de sulfure Girdler) développé en parallèle par Karl-Hermann Geib et Jerome S. Spevack en 1943. (Waltham 2011) L’eau lourde obtenue peut avoir des degrés de pureté variables, de 98% à 99,75–99,98% pour une utilisation dans les réacteurs nucléaires, et parfois une pureté isotopique plus élevée.

Marius Peculea, dans Apa grea, procese industriale de separare (Eau lourde, procédés industriels de séparation), (Peculea 1984) résume les principales technologies d’obtention d’eau lourde :

Processus	Capacité	Facteur de séparation	Taux de transfert de masse	Énergie nécessaire	Matière première	Complexité de l’équipement
Distillation d’eau	Illimité	1.015 – 1.055	Modéré	Très haut	Eau	Moyenne
Distillation de H₂ liquide	Limité	~ 1.5	Petit	Modéré	Hydrogène très pur	Moyenne
Électrolyse de l’eau	Illimité	5 – 10	Haut	Très haut	Eau	Moyenne
Échange isotopique eau – H₂S	Illimité	1.8 – 2.3	Haut	Haut	Eau	Moyenne
Échange isotopique NH₃ – H₂S	Limité	2.8 – 6.0	Petit – Un catalyseur est requis	Modéré	Hydrogène	Haut
Échange isotopique H₂O – H₂	Illimité	2.0 – 3.8	Très petit – Un catalyseur est nécessaire	Modéré	Eau	Haut

Tableau 2 : Les principales technologies d’obtention d’eau lourde. Source: (Peculea 1984)

Par le processus connu sous le nom de procédé au sulfure de Girdler, ou Geib-Spevack (GS), (Keyser, Mader, et O’Neill 1986) inventé par Karl-Hermann Geib et Jerome S. Spevack indépendamment et en parallèle en 1943, (Castell et Ischebeck 2013) l’eau lourde est produite industriellement à partir d’eau naturelle. La méthode utilise l’échange isotopique entre H₂S et H₂O, en plusieurs étapes (étages). Un étage est constitué de deux tours à plateaux tamis, l’une maintenue à environ 30 °C (tour froide) et l’autre à 130 °C (tour chaude). Le processus d’enrichissement est basé sur la différence de séparation entre 30 °C et 130 °C, avec la réaction d’équilibre :

H₂O + HDS <—> HDO + H₂S

Fig. 2. Processus de sulfure de Girdler (Geib-Spevack, GS) simplifié.

Le sulfure d’hydrogène gazeux circule en boucle fermée entre la tour froide et la tour chaude. Dans les deux tours, l’eau entre de haut en bas et le sulfure d’hydrogène circule de bas en haut. L’échange isotopique a en fait lieu sur les plateaux tamis. Dans la tour froide, le deutérium migre du sulfure d’hydrogène gazeux vers l’eau liquide. Dans la tour chaude, le transfert de deutérium s’effectue de l’eau au sulfure d’hydrogène gazeux. Dans un système en cascade (plusieurs étages), l’eau enrichie du premier étage est acheminée vers l’étage suivant et encore enrichie. Grâce à ce processus, l’eau est enrichie à 15-20% de D₂O. Un enrichissement supplémentaire en eau lourde, au-dessus de 99 % de D₂O, est effectué dans un autre procédé, généralement par distillation. (Rae 1978)

Le sulfure d’hydrogène (H₂S) utilisé dans l’échange isotopique pour obtenir de l’eau lourde est un gaz incolore, toxique, corrosif et inflammable, avec des traces dans l’atmosphère ambiante ayant une odeur nauséabonde caractéristique d’œufs vieux. (Greenwood et Earnshaw 1997) L’hydrogène sulfuré est obtenu en le séparant de mélanges gazeux plus complexes à forte teneur en H₂S, en traitant l’hydrogène avec du soufre élémentaire, ou à partir d’hydrocarbures. (Faraji et al. 1998)

Histoire

En 1934, Norsk Hydro a construit la première usine d’eau lourde à Vemork, Tinn, produisant 4 kilogrammes par jour. (Feilberg 2018) À partir de 1940 et tout au long de la Seconde Guerre mondiale, l’usine était sous contrôle allemand. En 1943, grâce à l’opération Gunnerside, les commandos norvégiens parviennent à détruire partiellement l’usine et les réserves d’eau lourde. (Gallagher 2002) Des raids aériens en 1943 ont conduit le gouvernement nazi à déplacer toute l’eau lourde vers l’Allemagne, une opération déjouée en 1944 par un partisan norvégien.

Aux États-Unis, le projet Manhattan a construit trois usines d’eau lourde dans le cadre du projet P-9, et d’autres quantités ont été achetées au Canada. Les usines de production nationales ont été fermées en 1945. Les États-Unis ont développé le processus de fabrication par déplacement chimique à l’usine de Dana, Indiana en 1945, puis à l’usine de Savannah River, Caroline du Sud en 1952.

Canada a construit et exploité une usine d’eau lourde électrolytique à Trail, en Colombie-Britannique en 1943. (US Dep. of Energy 1947) Le projet d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL) a construit deux usines d’eau lourde avec des problèmes de conception, puis Bruce, Ontario, eau lourde nucléaire (Canadian Nuclear Safety Commission 2018) d’une capacité effective maximale de 1600 tonnes par an. Ontario Hydro a construit, à partir de 1971, une usine dont la capacité nominale a été atteinte en avril 1974, puis trois autres usines d’eau lourde pour le site de Bruce, mises en service en 1979. En 1993, Ontario Hydro avait produit suffisamment d’eau lourde, fermant définitivement les usines en 1997. (Davidson 1978, 27–39)

En Union soviétique, en 1943, il n’y avait que 2 à 3 kg d’eau lourde dans tout le pays, obtenant par importation des États-Unis un autre kg d’eau lourde en 1939 et 100 kg en février 1945. Après avoir remporté la Seconde Guerre mondiale avec les autres Alliés, les Russes ont déporté en Union soviétique, depuis l’Allemagne, des scientifiques allemands qui avaient travaillé sur la production d’eau lourde, dont Karl-Hermann Geib, l’inventeur du procédé de sulfure Girdler, (Sadovsky 2016) construisant une usine avec laquelle ils ont produit de grandes quantités d’eau lourde jusqu’en 1948. (Waltham 2011)

La Suède a produit 2 300 litres par an d’eau lourde de la Seconde Guerre mondiale, qui a ensuite été vendue à l’Allemagne et au projet américain Manhattan. (Edfast 2015)

Il y avait une petite usine d’eau lourde en France dans les années 1950 et 1960.

Israël a exploité un réacteur à eau lourde acheté à la Norvège en 1959.

Depuis 1996, une usine de production d’eau lourde a été construite en Iran à Khondab près d’Arak, (GlobalSecurity 2011) agrandie en 2006. L’Iran exporte la production excédentaire conformément aux accords.

Argentine utilise une usine basée sur l’échange d’ammoniac/hydrogène pour la production d’eau lourde, env. 180 tonnes d’eau lourde par an. (Ecabert 1984)

En Inde, l’eau lourde produite est exportée vers des pays comme la République de Corée, la Chine et les États-Unis. (Laxman 2007)

Au Pakistan, il existe un réacteur de recherche à eau lourde à uranium naturel de 50 MWth à Khushab, dans la province du Pendjab, pour la production de plutonium, de deutérium et de tritium. (Fas.org 2000)

Bibliographie

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Notes

[1] Le modérateur ralentit les neutrons rapides, idéalement sans les capturer, les amenant à l’état de neutrons thermiques avec une énergie cinétique minimale. L’uranium naturel utilisé comme combustible est introduit, sous forme de faisceaux, dans une cuve (calandre) contenant l’eau lourde.

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