Eau lourde

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Eau lourde
Molécule d'eau lourde
Molécule d'eau lourde
Molécule d'eau lourde
Identification
Synonymes oxyde de deuterium
No CAS 7789-20-0
No EINECS 232-148-9
SMILES
InChI
Propriétés chimiques
Formule brute ²H2O
Masse molaire[2] 20,0276 ± 0,0003 g/mol
²H 20,11 %, O 79,89 %,
Moment dipolaire 1,84 D[1]
Propriétés physiques
fusion 3,81 °C[1]
ébullition 101,4 °C[1]
Masse volumique 1,10448 g·cm-3 (25 °C)[1]
Pression de vapeur saturante 2,740 kPa (25 °C)[1]
Point critique 370,74 °C
21,941 MPa
56,3 cm3·mol-1[1]
Propriétés optiques
Indice de réfraction \textit{n}_{D}^{25} 1,32841[1]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou 2H2O). Elle possède les mêmes éléments chimiques que l’eau normale (H2O), mais les atomes d’hydrogène dont elle est composée sont des isotopes lourds, du deutérium, dont le noyau contient un neutron en plus du proton présent dans chaque atome d’hydrogène.

Il existe aussi de l’eau semi-lourde (HDO ou H2HO), d'ailleurs en proportion naturelle bien plus importante que l'eau lourde.

Nota : de l'eau formée à partir d'oxygène 18 et d’hydrogène est sensiblement de même masse que l'oxyde de deutérium, et pourrait donc aussi être désignée sous le nom d'eau lourde ; en pratique c'est rarement le cas, sauf précision explicite. Il ne sera pas ici question de ce composé. De même, l'eau tritiée ou oxyde de tritium T2O ou 3H2O est parfois désigné sous le nom d’eau super-lourde.

Gilbert Newton Lewis isola, en 1933, le premier échantillon d’eau lourde pure.

Propriétés physico-chimiques de l'eau lourde comparées à celles de l'eau (H2O)[modifier | modifier le code]

Propriété D2O (eau lourde) H2O (eau)
Température de fusion 3,81 °C 0,00 °C
Température d'ébullition 101,42 °C 99,995 °C
Densité (à 20 °C) 1,1056 0,9982
Température correspondant à la densité la plus élevée 11,6 °C 4,0 °C
Viscosité (à 20 °C) 1,25×10-3 Pas 1,005×10-3 Pas
Tension superficielle (à 25 °C) 7,193×10-2 Nm-1 7,197×10-2 Nm-1
Enthalpie de formation (gaz) -249,20 kJmol-1 -241,83 kJmol-1
pH (à 25 °C) 7,41 7,00

Sa densité est plus élevée que celle de l'eau, d'où son nom d'eau « lourde ».

Utilisations[modifier | modifier le code]

Résonance magnétique nucléaire[modifier | modifier le code]

L’oxyde de deutérium est utilisé en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire aussi appelée RMN.

Modérateur de neutrons[modifier | modifier le code]

L’eau lourde est utilisée dans certaines filières de réacteurs nucléaires comme modérateur de neutrons dans le but de ralentir les neutrons issus de réactions de fission nucléaire. Les neutrons ralentis ont alors une probabilité plus élevée d'aller provoquer de nouvelles fissions de noyaux d'uranium, permettant ainsi la réaction en chaîne.

Différents types de réacteur utilisent l'uranium naturel à eau pressurisée avec modération à l'eau lourde:

  • Le réacteur CANDU, de conception canadienne, et ses dérivés.
  • Les PHWR argentins de type Atucha, de conception allemande Siemens/KWU.

L’eau classique (H2O) peut aussi ralentir les neutrons d’une réaction de fission, mais elle en absorbe trop pour que la réaction puisse s’auto-entretenir dans un réacteur à uranium naturel. Toutefois, cette eau normale peut être utilisée si de l’uranium enrichi est utilisé.

Détecteur de neutrinos[modifier | modifier le code]

L’observatoire de neutrinos de Sudbury SNO (Ontario, Canada) utilise 1 000 tonnes d’eau lourde dans une cuve enterrée dans une mine à plus de deux kilomètres sous terre afin d’être protégé des rayons cosmiques. Le SNO détecte l’Effet Tcherenkov produit quand un neutrino interagit avec l’eau lourde.

Considérations médicales[modifier | modifier le code]

L’eau lourde n’est pas considérée comme toxique. Cependant quelques réactions métaboliques nécessitent de l’eau classique, c’est pourquoi la consommation exclusive d’eau lourde peut être considérée comme dangereuse pour la santé.

Des expériences sur des souris ont montré que le principal effet de cette consommation est de réduire le nombre de mitoses, causant progressivement la dégradation des tissus qui nécessitent une rapide régénération. Après plusieurs jours d’ingestion d’eau lourde uniquement, les fluides corporels contiennent environ 50 % d’eau lourde. À ce moment, les symptômes commencent à apparaître, dont la réduction des divisions cellulaires, notamment pour les cellules à renouvellement rapide telles que celles des cheveux ou des parois de l’estomac.

Production[modifier | modifier le code]

Sur Terre, l’eau semi-lourde (HDO) est naturellement présente dans l’eau avec une proportion de 0,03125 %, soit une molécule pour 3 200 molécules d’eau. Elle peut être séparée de l’eau classique par distillation ou électrolyse, mais également par divers procédés chimiques d’échange qui exploitent les affinités différentes du deutérium et de l’hydrogène pour différents composés. Ces réactions chimiques sont basées sur la légère différence de poids moléculaire, qui produit une légère différence dans la vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent.

Produire de l’eau lourde pure par distillation ou électrolyse exige une grande cascade de distillateurs ou de chambres d’électrolyse et consomme de grandes quantités d’électricité, c’est pourquoi les méthodes chimiques comme le procédé de Girdler sont généralement préférées.

Norvège[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Bataille de l'eau lourde.

En 1934, Norsk Hydro construit à Vemork, en Norvège, la première installation de production d’eau lourde commerciale, d’une capacité de 12 tonnes par an. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les Alliés décidèrent de détruire l’usine afin d’empêcher l’Allemagne de développer des armes nucléaires.

En 1942, un raid de parachutistes anglais échoue dans cette mission, leur planeur s'écrasant près du site. Tous ses membres décèdent dans l’accident ou sont tués par les Allemands.

En février 1943, un groupe de douze agents britanniques est parachuté en Norvège ; le commando parvient à perturber la production pendant deux mois, en dynamitant les installations. Le , les Alliés larguent plus de quatre cents bombes sur le site de production, incitant le gouvernement nazi à déplacer en Allemagne toute la production.

Le , Knut Haukelid, un partisan norvégien, coule le bac convoyant l’eau lourde sur le lac Tinn (Tinnsjå en norvégien). Ce sabotage coûta la vie à quatorze civils norvégiens ; il fut prouvé après la guerre que l'eau lourde produite en Norvège n'aurait pas permis la fabrication d'uranium enrichi en quantités suffisantes pour la fabrication d'une arme nucléaire.

L’histoire a servi de fil conducteur au film Les Héros de Télémark produit en 1965 et interprété entre autres par Kirk Douglas.

France[modifier | modifier le code]

La première usine productrice fut celle de l'ONIA (Office national des Industries de l'azote) à Toulouse, en face d'AZF. Des quantités de deux à trois tonnes d'eau lourde par an ont été produites sur ce site toulousain que les Allemands avaient sélectionné en 1943 en construisant une grande enceinte souterraine au centre du site industriel en prévision d'une production dès fin 1944 qui n'eut jamais lieu.

La France a produit de l'eau lourde dans des proportions très faibles entre 1958 et 1963.

La production fut poursuivie sur le site frère de Mazingarbe (Pas-de-Calais) jusqu'en 1971. Le principal client était le Commissariat à l'énergie atomique pour ses besoins expérimentaux et pour la centrale nucléaire expérimentale des Monts d'Arrée à Brennilis arrêtée et en cours de déconstruction [3]. Aucun des bidons d'eau lourde ne fut stocké sur le site de Toulouse. Toute la fabrication par brûlage et le conditionnement en bidon Inox de 50 litres soigneusement lavé et purgé fut réalisé par l'auteur de cette affirmation. Ils ont été effectivement envoyés au CEA ainsi qu'une quantité non négligeable de bouteilles de deutérium.

Canada[modifier | modifier le code]

L'Énergie atomique du Canada Limitée (EACL) a conçu un réacteur nucléaire nécessitant de grandes quantités d’eau lourde utilisée en tant que modérateur de neutrons. Après avoir connu des difficultés d'approvisionnement lors de la mise en service de la centrale nucléaire de Pickering, Ontario Hydro construit l'usine d'eau lourde de Bruce afin de s'assurer d'un approvisionnement domestique fiable pour les centrales actuelles et futures. Les deux unités de l'usine ont été arrêtées en 1985 quand leur production s’est avérée inutile.

EACL a commandé deux installations de production d’eau lourde qui ont été construites à Glace Bay et à Port Hawkesbury, en Nouvelle-Écosse. Ces usines se sont avérées avoir des défauts de conception, de construction et de production. La construction d'une autre usine, l'usine de La Prade, près de la centrale nucléaire de Gentilly, au Québec, a été arrêtée en août 1978 en raison d'un surplus d'eau lourde.

L’installation de production d’eau lourde du comté de Bruce en Ontario était la plus grande usine d’eau lourde du monde avec une capacité de 700 tonnes par an. 340 000 tonnes d’eau normale étaient nécessaires pour produire une tonne d’eau lourde grâce au procédé de Girdler. Cette installation faisait partie d’un complexe qui incluait les huit réacteurs CANDU qui ont fourni la chaleur et la puissance pour la production d’eau lourde. Les installations ont été construites à Point Douglas dans le comté de Bruce au-dessus du lac Huron où elles avaient accès aux eaux des Grands Lacs américano-canadiens.

L’usine de Bruce a été chargée en 1979 de fournir de l’eau lourde afin de satisfaire l’augmentation de la production d’énergie nucléaire en Ontario. Les usines se sont avérées sensiblement plus efficaces que prévu et seulement trois des quatre unités ont été construites. En 1993 le programme nucléaire d’Ontario Hydro a été ralenti puis arrêté en raison d’une surproduction d’électricité.

Une consommation plus parcimonieuse et un recyclage de l’eau lourde ainsi que la surproduction à Bruce a laissé le Canada avec d’important stocks d’eau lourde suffisants pour satisfaire ses besoins futurs. L’usine de Bruce a été fermée en 1997, pour être progressivement démantelée et le site dépollué.

Le procédé de Girdler utilise de grandes quantités de sulfure d'hydrogène, soulevant des inquiétudes environnementales en cas de libération dans l’atmosphère. EACL recherche actuellement d’autres procédés plus efficaces et plus écologiques pour produire de l’eau lourde. Cette production est essentielle pour les futurs réacteurs CANDU, puisque l’eau lourde représente environ 20 % de l’investissement financier de chaque réacteur.

Inde[modifier | modifier le code]

L’Inde est le second producteur d’eau lourde du monde grâce à son Heavy Water Board (en).

Argentine[modifier | modifier le code]

L’Argentine est un producteur déclaré d’eau lourde, ce volet figurant dans le plan de réactivation du programme nucléaire argentin annoncé en août 2006 par le président Nestor Kirchner. Ils utilisent la technologie Sulzer dans l'usine de Arroyito.

Autres pays[modifier | modifier le code]

La Roumanie quant à elle est un producteur et exportateur.

Le Traité de non-prolifération nucléaire impose aux gouvernements signataires un contrôle volontaire, via l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) de Vienne, sur la production et l'utilisation d'eau lourde, ainsi qu'une protection physique efficace afin de prévenir des vols.

Le plutonium est un sous-produit normal du fonctionnement d'un réacteur à eau lourde, pouvant permettre, après retraitement (raffinage), un programme militaire de fabrication d'armes nucléaires, comme le firent l'Inde, Israël, le Pakistan et la Corée du Nord, pour ne citer que ceux connus ou soupçonnés d'avoir mené leur programme au but.

L'Iran, signataire du traité en 1970 (avant la révolution), possède des usines d'eau lourde et travaille actuellement (2005) sur les technologies permettant la construction et l'exploitation de réacteurs à eau lourde, en plus de ses centrales à eau légère.

Filmographie et jeux vidéo[modifier | modifier le code]

  • L'eau lourde joue un rôle important dans quelques films :
  • Ainsi que dans quelques séries :
    • Stargate SG-1 : épisode 4x02 L'autre côté, une civilisation utilise le deutérium afin d'alimenter des générateurs.
    • Papa Schultz : épisode 1x09 L'eau lourde, Hogan doit faire disparaître un tonneau d'eau lourde provenant de Norvège, et qui est gardé dans le camp.
    • Eleventh Hour : épisode 1x11 Miracle, tournant entièrement autour d'une investigation sur la synthèse d'eau lourde
  • Documentaire :
    • Le secret englouti de Hitler, fouille archéologique dans le lac Tinn en Norvège (lac de Tinnsojen ou Tinnsjå en norvégien) pour retrouver le ferry d'eau lourde des Nazis censé rapatrier les stocks en Allemagne suite aux attaques des alliés. Le documentaire relate le sabotage des partisans norvégiens qui ont coulé le ferry.
  • Jeux vidéo :
    • Ogame : Ressource nécessaire au développement.
    • Alone in the Dark III: la montagne de Slaughter Gulch contient une nappe phréatique contaminée.
    • Imperion : Ressource nécessaire au développement.
    • EVE Online : Carburant de bases spatiales
    • Iron Storm : Dans un univers uchronique où la (Première) Guerre mondiale commencée en 1914 ne se serait jamais terminée, le Lt Anderson doit saboter une usine d'eau lourde en Allemagne de l'Est en 1964 pour empêcher l'empire russo-mongol de mettre au point la bombe atomique
    • Battlefield 1942 : Secret Weapons of WWII : L'usine du Télémark est un terrain jouable. En entrant dans l'usine, on peut voir des turbines tourner. Des tuyaux derrière l'usine sont visibles.
    • Secret Weapons Over Normandy : L'une des missions du jeu consiste à couvrir le commando envoyé pour détruire l'usine.

Lien externe[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f et g (en) Yitzhak Marcus, The Properties of Solvents, vol. 4, England, John Wiley & Sons Ltd,‎ 1999, 239 p. (ISBN 0-471-98369-1)
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. EDF reçoit le feu vert pour démanteler la centrale nucléaire de Brennilis - 28 juillet 2011