Ağır Su Nedir, Nerelerde Kullanılır?

Su dolu iki kap hayal edin ve bu kaplardan ikisine de buz küpleri attığımızı düşünün. Buz küplerinden biri suyun yüzeyinde kalırken, diğeri batıyor. Üstelik, buz küpleri arasında hiçbir fark yokmuş gibi görünüyor. Peki bir tanesi niçin batıyor da öbürü yüzeyde kalıyor? Cevap basit, batan küpün yoğunluğu, sudan daha fazla olduğu için, yani normal su yerine ağır su buzu olduğu için. İsmi her ne kadar uyduruk gibi gözükse de, ağır su diye bir şey gerçekten var ve isminin de belirttiği üzere normal sudan daha ağırdır. Hidrojen yerine, ağır hidrojen olarak bilinen döteryum içerir. Döteryum sayesinde ağır su, sıradan suya kıyasla daha farklı özellikler gösterir.

Döteryum, hidrojenin kararlı izotoplarından biridir. Çekirdeğinde bir nötron ve bir de proton bulundurur. Normalde hidrojen sadece proton bulunduran bir çekirdeğe sahiptir. Çekirdekteki ekstra bir parçacık, döteryumu protyumdan, yani hidrojenin en yaygın doğal izotopundan yaklaşık olarak iki kat daha ağır kılar. Ağır su iki hidrojen atomu yerine iki döteryum atomuna sahiptir. Radyoaktif değildir. Saf hâliyle sıradan sudan %11 oranla daha fazla yoğunluğa sahiptir. Gelgelelim görünüş ve kimya itibariyle sıradan suya benzer. 3.8 °C’de donar ve 101.4 °C’de kaynar. Tuzlar ağır suda genellikle daha az çözünür. Doğal suda 1/6760 oranında ağır su bulunur.

Ağır su, ilk olarak 1932’de, döteryumun keşfinden birkaç ay sonra üretilmiştir. İçeriğinden dolayı, nükleer fisyonun keşfinden beri nükleer enerji ve hatta nükleer silah çalışmalarının bir parçası hâline gelmiştir. Nötronları soğurma olasılığı düşük olduğundan, iyi bir nötron yavaşlatıcısıdır. Ağır su reaktörlerinin sağladığı avantajlardan bir diğeri, grafit moderatörlerine ihtiyaç duymadan doğal uranyum ile çalışabilmesidir. Grafit moderatörler, nükleer istasyonların kapatılma aşamalarında toz patlamaları ve radyolojik felaketler gibi tehlikelerin açığa çıkmasına sebep olur. Hatta Çernobil Felaketi’ne sebep olan aksaklıklardan biri ağır suyun eksikliği ile alakalı olabilir. Çünkü Sovyetler, grafit moderatörlü nükleer reaktör RBMK’de, zenginleştirilmiş uranyum ve ağır su kullanmaktan kaçınıyor, soğutma işlemini sıradan suyla gerçekleştiriyordu.

Elementlerin farklı izotopları arasında kimyasal davranış bakımından ufak çaplı farklılıklar olabilir, ama çoğu element için bu farklılıklar biyolojik açıdan hiçbir etki yaratmayacak kadar küçüktür. Hidrojen için konuşacak olursak, protyum (hafif hidrojen), döteryum ve trityum arasında kimyasal özellikler bakımından daha büyük farklılıklar meydana gelir, çünkü kimyasal bağ enerjisi çekirdek-elektron sisteminin azaltılmış kütlesine bağlıdır; bu, ağır hidrojen bileşiklerinde (hidrojen-döteryum oksit en yaygın türdür), diğer kimyasal elementleri içeren ağır izotop ikamesinden daha fazla değiştirilir. İzotop etkileri, bir çözücü olarak hareket ettiğinde suyun izotopik olarak etkilenen özelliklerinden dolayı daha küçük değişikliklere bile çok duyarlı olan biyolojik sistemlerde özellikle önemlidir.

Örneğin ağır su, canlılarda biyolojik saati etkiler ve her döngünün uzunluğunu sürekli olarak arttırır. Etki, tek hücreli organizmalarda, yeşil bitkilerde, izopodlarda, böceklerde, kuşlarda, farelerde ve hamsterlarda gözlemlenmiştir. Ağır suyun buna nasıl sebep olduğu ise tam olarak bilinmemektedir. Öte yandan enzimler, işlevlerini yerine getirmek için dengeli bir hidrojen ağına ihtiyaç duyar. Fakat döteryumize olmuş bir ortamda işlevlerini yerine getiremez. Fareler ve köpeklerde yapılan deneylerde, ağır suya maruz kalmanın kısırlığa yol açtığı tespit edilmiştir. Yüksek seviyelerdeki ağır su, balıkları, solucanları ve meyve sineklerini anında öldürür. Memeliler, örneğin fareler, ağır su içtikleri zaman bir hafta içinde (vücutlarındaki döteryum seviyesi %50’ye yaklaştıkça) ölürler. Ölüm şekilleri sitotoksik zehirlenmeyi andırır.

İnsanlarda ise ağır su ile zehirlenme daha zordur. Çünkü insan vücudundaki su oranının, ağır su ile %50’ye kadar değişebilmesi için ciddi miktarda ağır su tüketmek gerekmektedir. Bir insanın ağır su zehirlenmesinden ölmesi için yaklaşık olarak iki hafta boyunca tamamen ağır su tüketmesi gerekir. Ağır su zehirlenmesinden endişe etmemize gerek yok, çünkü ağır suyu üretmek oldukça maliyetlidir. Hatta İkinci Dünya Savaşı sırasında, ağır su uğrunda epeyce bir drama yaşanmıştır. Fakat bu başka bir yazının, hatta belki de bir hikâyenin konusudur.

Hazırlayan: Tuğrul Sultanzade