Kategori: Natur, vitenskap og teknologi

Søndag 4. januar starter. på NRK, dramaserien «Kampen om tungtvannet», som handler om de alliertes kamp mot at tyskerne skulle få tak i det tungtvannet som ble produsert i Norsk Hydros fabrikk på Vemork ved Rjukan, under den annen verdenskrig.

Men hva er tungtvann?

For å besvare det må vi først se på hva vann er. Rent vann er et kjemisk stoff bestående av vannmolekyler. Vannmolekylene betegnes med formelen H₂O. Det betyr at stoffet er satt sammen av to grunnstoffer, nemlig hydrogen og oksygen. To hydrogenatomer, bundet til ett oksygenatom og vi får en usedvanlig stabil forbindelse, et av de vanligste stoffene på jorden, livets basis osv.

Hydrogen er det enkleste og letteste av alle grunnstoffer, bestående ett proton i kjernen og i elektronskyen rundt holder det seg med kun ett elektron. Nesten alle grunnstoffer kan forekomme i ulike isotoper, eller varianter, avhengig av antall nøytroner i kjernen. Antallet nøytroner i kjernen endrer ikke grunnstoffets kjemiske karakter, siden disse er elektrisk nøytrale og derfor ikke krever ekstra elektroner i skyen rundt. Siden det i hovedsak er elektronene som er årsak til et stoffs kjemiske egenskaper vil antall nøytroner i kjernen kun få enten mindre betydning for dets massetetthet eller for dets nukleære (kjernefysiske) egenskaper. Kjernefysikk er når selve atomkjernen inngår i reaksjoner og interaksjoner, ikke bare elektronskyen.

For hydrogen finnes flere isotoper, blant annet de som kalles protium og deuterium. Protium er den desidert vanligste hydrogenisotopen, med ingen ekstra nøytroner i kjernen, kun protonet. Deuterium inneholder ett ekstra nøytron og kjernen i atomet blir omtrent dobbelt så tung som den i protium. Protoner og nøytoner er nemlig omtrent like tunge, og forskjellen er at protonet har ladning +1 mens nøytronet har ladning 0.

Så er det spennende at i naturen finnes disse to isotopene i blanding, riktignok ikke likt forekommende, men likevel. For hvert 6420. hydrogenatom man har vi ett av den være deuterium, resten hovedsakelig protium.

Hvis vi symboliserer deuterium som D og protium, for enkelhets skyld, som H, så får vi fire tilfeldige varianter, H₂O, DHO, HDO og D₂O. Siden DHO og HDO er det samme så ender vi opp med tre egentlige varianter. DHO/HDO kalles «halvtungt vann», mens D₂O er det egentlige tungtvann, eller deuteriumbasert tungtvann. Det finnens også andre former for tungtvann, men disse ser vi bort fra her.

Selv om hydrogenet i tungtvann er dobbelt så tungt som hydrogenet i vanlig vann er ikke tungtvann dobbelt så tungt som vanlig vann. Oksygenet utgjør det meste av massen i vann, og den er det samme. Tungtvann blir dermed bare ca 10% tyngre enn vanlig vann.

Siden naturlig vann altså er en blanding av «lettvann», halvtungt- og tungtvann kan man altså tenkes separere de tre typene fra hverandre. Det fikk man til på 1920-tallet ved elektrolyse. I 1934 startet Norsk Hydro produksjon av tungtvann i større skala, mest som et biprodukt av den kommersielle amoniakkproduksjonen, i den nye hydrogenfabrikken på Vemork.

Tungtvann er ganske ufarlig, slett ikke eksplosivt og slett ikke radioaktivt, men ser ut som vanlig vann, kan tilmed ganske trygt drikkes og gis planter. Det oppfører seg dog litt ulikt vanlig vann, kan påvirke koppens celler negativt over tid og er derfor ikke sunt i det lange løp, og til slutt dødelig om man ikke får annet vann.

Hva har så tungtvann med atombomber å gjøre?

Dette er det vanskelige. For å kunne lage en «atombombe», en kjernefysisk bombe, basert på akselererende kjernefisjon, en eksponentiell kjedereaksjon, der tunge atomkjerner spaltes og avgir masse, og dermed avgir enorme mengder energi, trenges en konsentrert (anriket) form at et radioaktivt grunnstoff. For å få dette til må man anrike enten uran- eller plutonium-isotoper i en reaktor. En slik reaktor må «modereres» ved at partiklene bremses, samt reaktoren kjøles. Vann er utmerket til det.

Det følgende er omtrentlig, muligens litt misforstått av meg, men la gå: Problemet med vann er dog at vannet i seg selv kan «stjele» partiklene, som er utskutte nøytroner. Hydrogenatomene kan rett og slett ta dem opp og danne deuterium. På 30-tallet fant man derfor ut at om man kunne bruke tungtvann, der alt vanlig hydrogen allerede er erstattet med deuterium, så ville man kunne lage mer effektive reaktorer for anriking. At de var effektive var noe av poenget og frykten her, skulle man bli ferdig med produksjonen innen krigen var over.

Det var trolig derfor professor Heisenberg ønsket seg tungtvann, enten han nå virkelig trodde han skulle kunne, eller ville, lage en atombombe for tyskerne eller ikke.