ड्यूटेरियम, ट्रिटियम व जड पाणी

ड्यूटेरियम, ट्रिटियम व जड पाणी : हायड्रोजनाच्या रासायनिक व भौतिक गुणधर्मांतील फरक आणि अणुकेंद्रीय स्थिरता यांबाबत झालेल्या विचारमंथनातून हायड्रोजनाला एखादा समस्थानिक (तोच अणुक्रमांक परंतु भिन्न अणुभार असणारा त्याच मूलद्रव्याचा प्रकार) असावा व त्याचा अणुभार दोन असावा, हा विचार पुढे आला व त्याला जड हायड्रोजन असे नावही देण्यात आले. नेहमीच्या हायड्रोजनाचा अणुभार १·००८१२८ इतका असतो, तर या जड हायड्रोजनाचा अणुभार २·०१४७१९ इतका असतो. हायड्रोजनाचे रासायनिक चिन्ह जसे H तसे जड हायड्रोजनाचे H² किंवा D असे आहे. ड्यूटेरियमाच्या अणुकेंद्रातील सुप्त ऊर्जेचा उपयोग हायड्रोजन बाँब बनविण्याकडे केला जात असल्यामुळे त्याला विशेष महत्त्व प्राप्त झाले आहे. ड्यूटेरियमाप्रमाणेच ट्रिटियम हाही हायड्रोजनाचा समस्थानिक असून त्याचा अणुभार ३·०१७०३ एवढा व रासायनिक चिन्ह H³ किंवा T असे आहे. साधे पाणी म्हणजे साध्या हायड्रोजनाचे डाय-ऑक्साइड होय. तसेच ड्यूटेरियमाचे ऑक्साइड असून ते साध्या पाण्यापेक्षा जड असल्याने त्याला जड पाणी म्हणतात आणि H²₂O वा D₂O या रासायनिक चिन्हाने ते दर्शविले जाते.

ड्यूटेरियम : ड्यूटेरियमाचा शोध अमेरिकन रसायनशास्त्रज्ञ एच्. सी. यूरी यांनी १९३१ साली एफ्. जी. ब्रिक्‌वेदे व जी. एम्. मर्फी यांच्या मदतीने लावला. निसर्गात हायड्रोजनाच्या प्रत्येक ६,७०० भागांमध्ये एक भाग ड्यूटेरियम असतो. घनावस्थेसंबंधी पी. जे. व्ही. डेबाय यांचा सिद्धांत आणि ⇨ ऊष्मागतिकी तील तिसऱ्या नियमाच्या आधारे यूरी यांनी हायड्रोजन आणि हायड्रोजन ड्यूटेराइड (HD) यांच्या बाष्पदाबात फरक असला पाहिजे, असे प्रतिपादन करून हे दोन पदार्थ द्रव हायड्रोजनाच्या ऊर्ध्वपातनाने (प्रथम वाफ करून व नंतर ती थंड करून घटक पदार्थ अलग मिळविण्याच्या क्रियेने) वेगळे करता येतील, असे भाकीत केले. द्रव हायड्रोजनाच्या ऊर्ध्वपातनानंतर मिळालेल्या अवशेषाच्या आणवीय वर्णपटात ड्यूटेरियम आढळला. पाण्याचे विद्युत् विच्छेदन (विजेच्या साहाय्याने घटक वेगळे करून) औद्योगिक पद्धतीने तयार झालेल्या हायड्रोजनामध्ये ड्यूटेरियमाचे प्रमाण कमी असते. ई. डब्ल्यू. वॉशबर्न यांनी संहती (प्रमाण) वाढविण्यासाठी विद्युत् विच्छेदन पद्धती शोधून काढली. तिचा उपयोग करून प्रथम जी. एन्. लेविस यांनी शुद्ध स्वरूपात ड्यूटेरियम वायू बनविला. सोडियम हायड्रॉक्साइडाच्या जल विद्रावाचे विद्युत् विच्छेदन केल्यावर तयार होणाऱ्या हायड्रोजनामध्ये ड्यूटेरियमाचे प्रमाण पाण्यातील ड्यूटेरियमाच्या प्रमाणापेक्षा कमी असते. परिणामी अवशिष्ट पाण्यात ड्यूटेरियमाची संहती वाढलेली असते. हे अवशिष्ट पाणी जर मूळ पाण्याच्या एक लक्षांश इतके कमी केले, तर जे पाणी उरते ते जवळजवळ शुद्ध जड पाणी असते. याच पद्धतीने दुसऱ्या महायुद्धापूर्वी जड पाणी औद्योगिक प्रमाणावर बनविले जात असे. नॉर्वेमध्ये जड पाणी बनविण्याची ही पद्धत नंतर वापरात आली.

युद्धकाळात जड पाणी बनविण्याच्या इतर पद्धतीही शोधून काढल्या गेल्या आणि त्यांचा उपयोग मोठ्या प्रमाणावर होऊ लागला. हायड्रोजन आणि ड्यूटेरियम यांच्या संयुगांच्या रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्मांत जाणवण्याइतका फरक असल्याने या पद्धती त्या फरकांवर आधारित आहेत. एफ्. जी. ब्रिक्‌वेदे यांनी द्रव हायड्रोजनाचे ऊर्ध्वपातन करून हायड्रोजन ड्यूटेराइड बनविले व त्याच्या गुणधर्मांचा अभ्यास केला.

ड्यूटेरियमचा उपयोग मुख्यत : जड पाण्याच्या स्वरूपातच केला जातो. शुद्ध स्वरूपातील ड्यूटेरियमाचा उपयोग केवळ संशोधनाचे एक साधन म्हणून होतो. ड्यूटेरियमाच्या अणुकेंद्राला ड्यूटेरॉन असे म्हणतात. अणूंच्या केंद्राचे स्वरूप समजण्यास ड्यूटेरॉनाचा फार उपयोग झाला. ड्यूटेरॉनामध्ये एक प्रोटॉन व एक न्यूट्रॉन असतो.  त्यामुळे ज्याप्रमाणे हायड्रोजन अणूचा अभ्यास करताना एक प्रोटॉन आणि एक इलेक्ट्रॉन असा द्विपिंड समस्येचा (दोन कणांतील परस्परक्रियांचा) अभ्यास सुकर झाला. त्याच सैद्धांतिक समस्येच्या आधारे प्रयोगसिद्ध निष्कर्ष आणि गणिती निष्कर्ष यांची तुलना करता येऊन सैद्धांतिकतेला प्रायोगिक आधार मिळाला. सैद्धांतिक उपपत्तीनुसार न्यूट्रॉन आणि प्रोटॉन यांच्यातील आकर्षण प्रेरणा सूक्ष्म अतंरापर्यंतच कार्यकारी असल्यामुळे त्यांच्यात व्यस्त-वर्गनियम (आकर्षणाची प्रेरणा त्यांच्यातील अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात असते हा नियम) आढळून येत नाही. एच्. यूकावा यांनी प्रस्थापित केलेली मेसॉन (प्रोटॉन व इलेक्ट्रॉन यांच्या दरम्यानचे वस्तुमान असणाऱ्या मूलकणांसंबंधीची) प्रेरणा कार्य करीत असते. ड्यूटेरॉनामधील प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांच्यात २१,८६,००० इलेक्ट्रॉन व्होल्ट (१ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १·६०२०३ x १०^-१२ अर्ग) इतकी बंधन ऊर्जा असते. त्याचे सामान्य स्थिती 3S₁ या चिन्हाने दाखविता येते व त्याचा अर्थ त्यांच्या परिवलनाची दिशा एकच असून समांतर असते. त्या दोघांची परिवलने एकत्रित होऊन परिवलनाचे एकक बनते, ही त्याची स्थिर स्थिती होय.

कोठी तापमानास (सर्वसाधारण तापमानास) ड्यूटेरियम वायुस्थितीत असतो. तो जड पाण्याच्या जस्त, लोह, कॅल्शियम व युरेनियम यांसारख्या धातूंवर होणाऱ्या) विक्रियेचा उपयोग करून बनविता येतो. तसेच तो द्रव हायड्रोजनाच्या भागशः ऊर्ध्वपातन [⟶ ऊर्ध्वपातन] पद्धतीनेही बनविता येतो. ड्यूटेरियमाची ऑर्थो व पॅरा अशी दोन रूपे आहेत. सामान्य ड्यूटेरियमामध्ये दोन-तृतीयांश ऑर्थो व एक-तृतीयांश पॅरा-ड्यूटेरियम असे प्रमाण असते. २०^० के. तापमानास ऑर्थो-ड्यूटेरियमाचे प्रमाण ९७·८ टक्के असते. ऑर्थो- व पॅरा-ड्यूटेरियमाचे रासायनिक व भौतिक गुणधर्म सारखेच असतात. ड्यूटेरियमाचे तापमान ७७^o के. असताना त्याची औष्णिक संवाहकता मापून ऑर्थो व पॅरा यांचे प्रमाण ठरविता येते. ड्यूटेरियम आणि हायड्रोजन यांच्यातील बऱ्याच रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्मांत साधर्म्य असते. ड्यूटेरियम हा हायड्रोजनापेक्षा बहुधा कमी विक्रियाशील असतो. ड्यूटेरियम आणि हायड्रोजन यांच्या काही भौतिक गुणधर्मांची तुलना कोष्टक क्र. १ मध्ये दिली आहे.  

ड्यूटेरियमवायू बहुधा हायड्रोजन डयूटेराइडाने किंचित दूषित झालेला असतो. या वायूच्या विश्लेषणाकरिता औष्णिक संवहन पद्धतीप्रमाणेच द्रव्यमान वर्णपटमापकाचाही [⟶ द्रव्यमान वर्णपटविज्ञान] उपयोग केला जात असे. या वायूंचे एका सूक्ष्म छिद्रातून अभिस्यंदन करून (वायूच्या रेणूंतील अंतरापेक्षा ज्याचा व्यास कमी आहे अशा छिद्रातून वायूचा प्रवाह जाऊ देऊन) आणि त्यांची अभिस्यंदन गती मोजून ड्यूटेरियम व हायड्रोजन यांचे प्रमाण काढता येते. वायूचे पाण्यात रूपांतर करून त्याचे अवरक्त (वर्णपटातील तांबड्या रंगाच्या अलीकडील अदृश्य किरणांचा) वर्णपट, घनता, प्रणमनांक (प्रकाशाचा माध्यमातील वेग व निर्वातातील वेग यांचे गुणोत्तर) व अणुकेंद्रीय चुंबकीय अनुस्पंदनाचे [⟶ अनुस्पंदन] मापन यांवरून वायुमिश्रणाचे विश्लेषण करता येते.

ड्यूटेरियमाची आघात वारंवारता (रेणू एकमेकांवर आदळण्याची संख्या) हायड्रोजनाच्या आघात वारंवारतेपेक्षा कमी असते. त्याचप्रमाणे त्याची शून्यांश ऊर्जाही (निरपेक्ष शून्य तापमानाला, –२७३^° से., शिल्लक राहणारी ऊर्जाही) हायड्रोजनाच्या शून्यांश ऊर्जेहून कमी असते. त्यामुळे ड्यूटेरियमाची रासायनिक विक्रियाशीलता हायड्रोजनाच्या विक्रियाशीलतेपेक्षा कमी असते. कोठी तापमानास पाण्याचे विद्युत् विच्छेदन चालू असता हायड्रोजनाच्या अणुनिर्मितीच्या वेगापेक्षा ड्यूटेरियमाच्या अणुनिर्मितीचा वेग आठव्या हिश्शाने असतो.

ड्यूटेरॉन या ड्यूटेरियमाच्या अणुकेंद्राचा उपयोग सायक्लोट्रॉनामध्ये [⟶ कणवेगवर्धक] एका मूलद्रव्याचे दुसऱ्या मूलद्रव्यात रूपांतर करण्यासाठी केला जातो. त्यामुळे अणुकेंद्राच्या अभ्यासाला चांगली मदत झाली आहे. अणुकेंद्रावर ड्यूटेरॉनाचा आघात झाल्यावर त्यातील प्रोटॉन किंवा न्यूट्रॉन केंद्रामध्ये अडकतो आणि केंद्रातील न्यूट्रॉन किंवा प्रोटॉन (अनुक्रमे) सुटा होऊन निसटतो. या विक्रियेत जादा ऊर्जा बाहेर पडते [⟶ अणुऊर्जा].

विश्वाच्या उत्पत्तीच्या महत्स्फोट (बिग बँग) सिद्धांतानुसार विश्वातील सर्व द्रव्य दाबले जाऊन एका अतिशय घन अशा गाभ्यात एकवटले होते आणि सु. १० ते २० अब्ज वर्षांपूर्वी त्याचा प्रचंड स्फोट होऊन विश्व निर्माण झाले व ते अजून प्रसरण पावत आहे. या स्फोटानंतरच्या पहिल्या १,००० सेकंदांमध्ये ड्यूटेरियम तयार झाला असावा. कारण त्यावेळी जलदपणे प्रसरण पावत असणारे विश्व प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांचा संयोग होण्याच्या दृष्टीने पुरेसे थंड झाले असेल. अशा प्रकारे ड्यूटेरियमामुळे आपल्याला काही बाबतींत १० ते २० अब्ज वर्षांपूर्वीच्या काळाबद्दल माहिती मिळू शेकेल. रेडिओ दूरदर्शक आणि इतर आधुनिक साधनांच्या साहाय्याने घेतलेल्या निरीक्षणांवरून अवकाशात हायड्रोजन व ड्यूटेरियम हे दोन वायू विश्वात सर्वत्र पसरलेले असून त्यांचे परस्पर प्रमाणही निश्चित असल्याचे आढळून आले आहे. या प्रमाणावरून विश्वनिर्मितीचा काल १० ते २० अब्ज वर्षांपूर्वीच्या सुमारास असावा, असे अनुमान काढण्यात आलेले आहे.

ट्रिटियम : ट्रिटियम या हायड्रोजनाच्या समस्थानिकाचे वैशिष्ट्य म्हणजे तो किरणोत्सर्गी (भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणारा) आहे. निसर्गात ट्रिटियमाचे प्रमाण अत्यल्प आहे. तो बहुधा वातातरणात अतिशय उंचीवरील नायट्रोजन वायूच्या अणूंवर विश्वकिरणांची (बाह्य अवकाशातून येणाऱ्या अतिशय भेदक किरणांची) विक्रिया होऊन तयार होत असावा. विश्वकिरणांपासून निर्माण होणारे न्यूट्रॉन नायट्रोजनाच्या अणूंवर आदळून कार्बन आणि ट्रिटियम यांचे अणू बनत असावेत.

 N¹⁴ + n¹ = C¹² + H³

डब्ल्यू. एफ्. लिबी व ए. व्ही. ग्रोसे यांनी नैसर्गिक पाण्यात ट्रिटियमाचे अस्तित्व दाखवून दिले. निसर्गात घडणारी ही मूलद्रव्यांतरणाची (एका मूलद्रव्याचे दुसऱ्या मूलद्रव्यांत रूपांतर होण्याची) विक्रिया ई. रदरफर्ड यांनी एम्. एल्. ओलिफंट व पी. हार्टाक यांच्या साहाय्याने ड्यूटेरियम अणूंवर त्याच्याच केंद्रांचा मारा करून कृत्रिमरीत्या करून दाखविली.

 D² + D² = H¹ + H³ + 4·0 Mev

 (Mev = दशलक्ष इलेक्ट्रॉन व्होल्ट)

लिथियम अणुकेंद्रावर न्यूट्रॉनांचा मारा करून ट्रिटियम अतिशय परिणामकारकरित्या बनविता येतो. 

 Li⁶ + n¹ = He⁴ + H³

रासायनिक व जैव संशोधनात ट्रिटियमाचा उपयोग मार्गणद्रव्य (किरणोत्सर्गी गुणधर्मांमुळे ज्याचे स्थान ठरविता येते व ज्याचा भाग काढता येतो असे मूलद्रव्य) म्हणून केला जातो. त्याचप्रमाणे हायड्रोजन बाँबचा तो एक महत्त्वाचा घटक आहे. ट्रिटियमाचा अणुभार जरी तीन असला, तरी त्याचा अणुक्रमांक एक आहे. हायड्रोजनाचा सर्वांत वजनदार समस्थानिक म्हणून ट्रिटियम ओळखला जातो.

हायड्रोजन व ट्रिटियम सर्वसामान्य परिस्थितीत वायुरूप आहेत परंतु ट्रिटियमाच्या वजनामुळे त्याच्या व हायड्रोजनाच्या गुणधर्मांत खूप फरक आहे. रासायनिक दृष्ट्या दोघांचे गुणधर्म सारखेच असले, तरी ट्रिटियमाच्या वजनामुळे त्याची रासायनिक विक्रिया गती व हायेड्रोजनाची रासायनिक विक्रिया गती यांचे गुणोत्तर १ : ६४ इतके आहे. ट्रिटियमाची रासायनिक विक्रिया गती अतिशय मंद असते.

ट्रिटियमाच्या अणुकेंद्राला ट्रिटॉन असे म्हणतात व त्याचे चिन्ह t असे आहे. या अणुकेंद्रात दोन न्यूट्रॉन असतात आणि एक प्रोटॉन असतो. त्याचा अणुभार ३·०१७०३ आहे. आणवीय परिवलन १/२ आहे. ट्रिटियम किरणोत्सर्गी द्रव्य असून त्यातून बीटा कण सतत बाहेर फेकले जात असतात. या बीटा कणांची जास्तीत जास्त ऊर्जा १८·६ Kev (किलो इलेक्ट्रॉन व्होल्ट) इतकी असते आणि केवळ सात मिमी. जाडीच्या हवेच्या थराने ते पूर्णपणे गतिशून्य होतात. हवेऐवजी कागद वापरला, तर ०·०१ मिमी. जाडीच्या पातळ कागदाने किरणोत्सर्गी बीटा कण पूर्णतया थांबतील. त्याचा अर्धायुकाल (मूळ किरणोत्सर्गाची क्रियाशिलता निम्मी होण्यास लागणारा काळ) १२·५ वर्षे असतो.

पुरेशी ऊर्जा असणाऱ्या ड्यूटेरॉन कणांचा ट्रिटियमावर मारा केला, तर त्यांपैकी काहींचे अणुकेंद्राशी एकीकरण होते. तिला केंद्रीय एकीकरण विक्रिया म्हणतात. या एकीकरण विक्रियेतून मारक ड्यूटेरॉन कणांपेखा किती तरी अधिक ऊर्जा निर्माण होते. हे विक्रिया समीकरण पुढीलप्रमाणे लिहिता येते.

₁H³ + ₁H² = ₂He⁴ + ₀n¹ + 18Mev

अणुबाँबमध्ये अशा विक्रियेचा उपयोग केलेला असतो. नियंत्रित औष्णिक अणुकेंद्रीय (अतिशय उच्च तापमानाला वायूच्या अणुकेंद्रांमध्ये होणाऱ्याअणुकेंद्रीय संघटनाच्या म्हणजे दोन हलके अणू एकत्र येऊन मोठा अणू बनविण्याच्या) विक्रियकांच्या (विक्रिया ज्यामध्ये करण्यात येते त्या उपकरणांच्या) विकासात या विक्रियांचे महत्त्व फार आहे. विद्युत् ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी असे विक्रियक तयार करता आल्यास ट्रिटियमाची आवश्यकता फार मोठ्या प्रमाणावर भासेल. ट्रिटियम व हायड्रोजन यांच्या काही भौतिक गुणधर्मांची तुलना कोष्टक क्र. २ मध्ये दिली आहे.

अण्वस्त्रांच्या चाचण्या सुरू होण्यापूर्वी पावसाच्या पाण्यात १०^१८ हायड्रोजन अणूंमध्ये १ ते १० इतकेच ट्रिटियमाचे अणू असत. या ट्रिटियमाच्या अणूंची उत्पत्ती विश्वकिरणांचा नायट्रोजनाच्या अणूंवर होणाऱ्या भडिमारामधून होत असावी. अणुस्फोटांची चाचणी हवेत होऊ लागल्यानंतर पावसाच्या पाण्यातील ट्रिटियमाच्या अणूंचे प्रमाण १०^१८ हायड्रोजन अणूंमागे ५०० ट्रिटियम अणू इतके वाढले आहे. पृथ्वीवरील एकूण ट्रिटियम अंदाजे (१९५४ सालापूर्वी) १,८०० ग्रॅ. होता.

निर्मिती व उपयोग :  ड्यूटेरियमाच्या संयुगावर गतिमान ड्यूटेरॉन कणांचा मारा करून ट्रिटियमाची निर्मिती प्रयोगशाळेत प्रथम करण्यात आली असली, तरी इतर अणुकेंद्रीय विक्रियांचाही उपयोग ट्रिटियमाच्या निर्मितीसाठी करतो येतो. उदा., लिथियम मूलद्रव्याचा समस्थानिक लिथियम (६) यावर मंदगती न्यूट्रॉनांचा मारा करून ट्रिटियम मिळवता येतो. ही विक्रिया पुढीलप्रमाणे होते.

₃Li⁶ + ₀n¹ = ₁H³ + ₂He⁴

ॲल्युमिनियम किंवा मॅग्नेशियमाची लिथियम (६) बरोबर मिश्रधातू बनवून अणुभट्टीमध्ये न्यूट्रॉनांचा तीवर मारा केला, तर ट्रिटियम मोठ्या प्रमाणात मिळू शकतो.

ट्रिटियमाचा उपयोग अण्वस्त्रांत होऊ लागल्यामुळे त्याचे उत्पादन वाढले व मूल्य उतरले. झिंक सल्फाईडामध्ये अल्प प्रमाणात ट्रिटियम मिसळल्यास अनुस्फुरक (विशिष्ट तरंगलांबीच्या प्रारणाचे शोषण करून जास्त तरंगलांबीच्या प्रारणाचे उत्सर्जन करणारा) रंग बनू शकतो. त्याचा उपयोग घड्याळांच्या तबकडीवरील काटे व आकडे रंगविण्यासाठी होतो. पूर्वी या कामी रेडियमाचा वापर होत असे. तो आता या नव्या रंगामुळे बहुतेक बंद झाला आहे. कायम प्रकाश देणाऱ्या प्रकाशकिरणांचा उगम म्हणून अशा मिश्रणांचा उपयोग करता येतो. धातूवर ट्रिटियमाचे अधिशोषण करून (पृष्ठावर शोषण करून) त्यावर ड्यूटेरॉनांचा मारा करून गतिमान न्यूट्रॉनांची निर्मिती करता येते. पाण्याच्या हालचालीचे निरीक्षण करण्यास ट्रिटियम हा आदर्श मार्गणद्रव्य असल्यामुळे जलविज्ञानात त्याचा फार उपयोग होतो. काही अभ्यासांत नैसर्गिक ट्रिटियमाचा उपयोग होतो, तर काही अभ्यासांत अण्वस्त्र चाचणीमुळे पसरलेल्या ट्रिटियमाचा उपयोग होतो. काही वेळा संशोधनासाठी ट्रिटियम मुद्दाम मिसळला जातो. उदा,. तेलाच्या खाणीमध्ये मुरणारे पाणी, पाण्याचे झरे, तळी, हिमप्रवाहांची दिशा यांचा अभ्यास करताना ट्रिटियमाचा चांगला उपयोग होतो.

ट्रिटियम हायड्रोजनाचा मार्गणक म्हणून रासायनिक विक्रियांत जसा उपयोगी पडतो, तसाच जीवविज्ञानातील संशोधनातही ट्रिटियमाचा फार उपयोग होतो. रासायनिक संश्लेषण पद्धतीने एखाद्या कार्बनी पदार्थाशी ट्रिटियमाचा संयोग घडवून आणता येतो. ट्रिटियम किरणोत्सर्गी असल्यामुळे ज्या पदार्थांच्या रेणूंना तो जोडला जातो, ते पदार्थही किरणोत्सर्गी होतात. त्यांचा उपयोग करणे म्हणजेच ट्रिटियमाचा मार्गणद्रव्य म्हणून उपयोग करणे होय. ट्रिटियम कार्बनी पदार्थाशी जोडताना प्लॅटिनमासारखा एखादा उत्प्रेरक (विक्रियेत भाग न घेता तिची गती वाढविणारा वा विक्रिया कमी तापमानास घडवून आणणारा पदार्थ) वापरावा लागतो. असंतृप्त (ज्यातील इतर अणूंशी जोडल्या जाणाऱ्या बंधांपैकी काही बंध मोकळे असतात अशा) कार्बनी संयुगात योग्य उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत ट्रिटियम हायड्रोजनाची जागा घेऊ शकतो. ट्रिटियमवाहक संयुग बनविण्याच्या दुसऱ्या पद्धतीत कार्बनी संयुग व लिथियमाचे लवण यांच्या मिश्रणावर अणुभट्टीमध्ये न्यूट्रॉनांचा मारा करतात. या माऱ्यात जे ट्रिटॉन निर्माण होतात, ते कार्बनी संयुगात पकडले जातात. कार्बनी संयुगास ट्रिटियमवाहकत्व प्रदान करण्याच्या आणखी एका पद्धतीत ट्रिटियम वायू व कार्बनी संयुग एकाच भांड्यात एकत्र कोंडून ठेवतात. ट्रिटियमामधून बाहेर पडणाऱ्या बीटा कणांमुळे कार्बनी संयुगातील हायड्रोजनाबरोबर ट्रिटियमाची अदलाबदल होते व कार्बनी पदार्थास ट्रिटियमाची ‘खूण’ चिकटवली जाते. जीवविज्ञानाच्या दृष्टीने काही लक्षणीय संयुगे ट्रिटियमभारित पाण्यात काही जीवांची वाढ करून बनविली जातात. ऊर्जानिर्मितीसाठी ज्याप्रमाणे ड्यूटेरियमाचा उपयोग होतो, त्याचप्रमाणे ट्रिटियमाचाही होतो पण ट्रिटियमाचा उपयोग करून ऊजार्जानिर्मिती करणे महाग आहे.

ट्रिटियमामधून होणारे बीटा कणांचे उत्सर्जन दुर्बल असल्यामुळे सर्वसाधारण गायगर-म्यूलर गणित्राचा (विद्युत् भारित कण मोजणाऱ्या उपकरणाचा) ट्रिटियम मापनास तितकासा उपयोग होत नाही. त्यापेक्षा गणक नळीत ट्रिटियम वायू भरून ट्रिटियमाचे मापन चांगले होते. दुसरी एक पद्धत म्हणजे बीटा उत्सर्जनामुळे एखाद्या वायूचे होणारे आयनीभवन (विद्युत् भारित अणू वा रेणू तयार होण्याची क्रिया) आयनीकरण कोठीमध्ये मोजणे. अनुस्फुरक असलेल्या योग्य विद्रावकात (विरघळविणाऱ्या पदार्थात) ट्रिटियमाचे संयुग विरघळवून बीटा किरण उत्सर्जनामुळे होणारी चमक, चमक गणित्राने मोजून ट्रिटियमाचे प्रमाण ठरविता येते (गायगर-म्यूलर गणित्र, आयनीकरण कोठी व चमक गणित्र यांसंबंधीची माहिती ‘कण अभिज्ञातक’ या नोंदीत पहावी). ट्रिटियम वायूत थोडा हायेड्रोजन असेल, तर द्रव्यमान वर्णपटमापकातील विश्लेषणाने ट्रिटियमाचे प्रमाण काढता येते. जैव द्रव्यात ट्रिटियम नक्की कोठे आहे, हे ठरविण्यासाठी स्वयंरेडिओलेखन (छायाचित्रण पट्टी किरणोत्सर्गी पदार्थाच्या अगदी संपर्कात ठेवून छायाचित्र घेणे) पद्धत वापरता येते.

ट्रिटियमाचे अणुकेंद्र ट्रिटॉन ही हायड्रोजनाची एकुलती एक अणुकेंद्रजाती (ज्याच्या अणुकेंद्राची संरचना म्हणजे प्रोटॉनांची व न्यूट्रॉनांची संख्या भिन्न असते अशी त्याच मूलद्रव्याच्या अणूची जाती न्यूक्लॉइड) आहे. अणुभट्टीत ड्यूटेरियमामध्ये न्यूट्रॉन शोषला जाऊन ट्रिटॉन बनतो. ट्रिटॉन व प्रोटॉन यांच्या एकीकरणामुळे हीलियम तयार होतो. ही विक्रिया घडत असता २० Mev इतकी प्रचंड ऊर्जा निर्माण होते.

जड पाणी : साधे नैसर्गिक पाणी व जड पाणी यांत फरक इतकाच की, जड पाण्यामध्ये हायड्रोजनाचा समस्थानिक जड हायड्रोजन (H²) याचे प्रमाण जास्त असते. त्याला ड्यूटेरियम ऑक्साइड असेही म्हणतात.

निर्मिती : जड पाण्याची निर्मिती निरनिराळ्या पद्धतींनी करता येते. हायड्रोजन, ड्यूटेरियम व ट्रिटियम या तीनही समस्थानिकांचे भौतिक गुणधर्म निराळे आहेत या गोष्टीचा फायदा घेऊन जड पाणी निराळे करण्याच्या पद्धती विकसित करण्यात आल्या आहेत. मोठ्या प्रमाणावर जड पाणी तयार करण्याच्या पद्धती अशा : (१) विद्युत् विच्छेदन, (२) ऊर्ध्वपातन, (३) रासायनिक विनिमय आणि (४) द्वैत तापमानीय विनिमय.

मोठ्या प्रमाणावर जड पाणी तयार करण्यासाठी १९४३ पूर्वी विद्युत् विच्छेदन पद्धती विशेष प्रचारात होती. विद्युत् विच्छेदनामध्ये जो हायड्रोजन निर्माण होतो, त्यात जड हायड्रोजनाचे प्रमाण अतिशय कमी असते. त्यामुळे विच्छेदन घटात (पात्रात) जे पाणी शिल्लक असते, त्यात जड पाण्याचे प्रमाण वाढलेले असते. अशा प्रकारे जड पाणी तयार होत असले, तरी फक्त थोड्या प्रमाणात जड पाणी तयार करण्यासाठी ही पद्धती चालण्यासारखी आहे. या पद्धतीला खर्च फार येत असल्यामुळे मोठ्या प्रमाणावर जड पाणी तयार करण्यासाठी ही पद्धती व्यापारी दृष्ट्या परवडण्यासारखी नाही.

नैसर्गिक पाण्यापासून जड पाणी तयार करण्यास अधिक सोयीची पद्धती म्हणजे ऊर्ध्वपातन पद्धती होय. पाण्यापेक्षा (H₂O) ड्यूटेरियम ऑक्साइड (D₂O) व ड्यूटेरियम हायड्रॉक्साइड (HDO) यांचे आंशिक बाष्पदाब (मिश्रणातील प्रत्येक बाष्पाने त्याच तापमानाला सर्व मिश्रणाच्या घनफळाइतके घनफळ व्यापले असता होणारा त्या बाष्पाचा दाब) कमी आहेत. त्यामुळे ऊर्ध्वपातन पद्धती वापरून पाण्यातील जड पाण्याचे प्रमाण वाढविता येते. निरनिराळ्या तापमानांस आणि दाबांस अलगीकरण (घटक वेगळे होण्याचे) गुणक निरनिराळे आहेत. तापमान आणि दाब जसजसे वाढत जातात तसतसे या गुणकाचे मूल्य कमी होत जाते. या पद्धतीत सुद्धा इंधन जास्त लागत असल्यामुळे तयार झालेले जड पाणी महागच पडते.

द्रव हायड्रोजनाचे ऊर्ध्वपातन करून जड पाणी मिळविण्याची पद्धती वरील दोन पद्धतींपेक्षा अधिक कार्यक्षम समजली जाते. –२५०° से. तापमान असता अलगीकरण गुणक मूल्य १·४ इतके असते. त्यामुळे ९० टक्के ड्यूटेरियम  मिळू शकतो, असे आढळून आले आहे. या पद्धतीचा तोटा असा की, तीसाठी तापमान फार खाली न्यावे लागते व त्याकरिता मोठ्या प्रमाणावर उष्णता बाहेर टाकावी लागते. यासाठी जास्त ऊर्जा खर्च होऊन जड पाण्याची किंमत वाढते. याशिवाय दुसरी अडचण म्हणजे हायड्रोजन व तोही अतिशुद्ध स्वरूपात मोठ्या प्रमाणावर उपलब्ध असला पाहिजे. त्यात नायट्रोजनासारखे अपद्रव्य असल्यास द्रव हायड्रोजनाच्या तापमानास तो घनावस्थेत जातो.

नैसर्गिक पाण्यापासून जड पाणी तयार करण्यास रासायनिक विनिमयासाठी ज्या विक्रिया सुचविल्या गेल्या आहेत, त्या अशा : 

ज्या इतर विनिमय विक्रियांचा या कामासाठी अभ्यास झाला, त्या आयसोप्रोपिलमरकॅप्टन-पाणी विक्रिया, सायक्लोहेक्झेन-बेंझीन-हायड्रोजन विक्रिया या होत. या सर्व विक्रियांत पाणी (किंवा वाफ) व हायड्रोजन यांमधील विक्रिया मोठ्या प्रमाणावर जड पाणी तयार करण्यासाठी उपयोगात आली. या विक्रियेचा अलगीकरण गुणकही तापमानानुसार बदलतो. शून्य अंश से. तापमानास त्याचे मूल्य ४·२ असते, तर १००° से. ला ते २·६ इतके कमी होते. याकरिता उत्प्रेरक म्हणून सक्रियित (जास्त क्रियाशील केलेल्या) कार्बनाबरोबर प्लॅटिनम किंवा निकेल-क्रोमिया वापरण्यात येते. ही विनिमय विक्रिया अनेक मनोऱ्यांत होते आणि त्यासाठी लागणारा हायड्रोजन मनोऱ्याच्या पायथ्याशी पाण्याचे विद्युत् विच्छेदन करून पुरविला जातो.

द्वैत तापमानीय विनिमय पद्धतीत पाण्याचे विद्युत् विच्छेदन करण्याची आवश्यकता नसते. निरनिराळ्या तापमानांस अलगीकरण गुणकाचे मूल्ये बदलते, या निरीक्षणावर ही पद्धत आधारलेली आहे. कोष्टक क्र. ३ मध्ये तीन निरनिराळ्या तापमानांस निरनिराळ्या विनिमय विक्रियांच्या अलगीकरण गुणकांची मूल्ये दिली आहेत.

द्वैत तापमानीय विनिमय विक्रियेसाठी पाण्याची वाफ व हायड्रोजन यांच्यातील विक्रिया वापरल्यास तीत दोन निरनिराळ्या तापमानांस असणाऱ्या, मनोऱ्यांमध्ये हायड्रोजनाचे पुनरावर्तन (पुन:पुन्हा उपयोग करणे) केले जाते. तापमानाची यथायोग्य निवड करून कमी तापमान असलेल्या मनोऱ्यात ड्यूटेरियम हा हायड्रोजनाकडून वाफेकडे जातो आणि उच्च तापमान असलेल्या मनोऱ्यात तो वाफेकडून पुन्हा हायड्रोजनाकडे जातो. अशा प्रकारे अनेक वेळा पुनरावर्तन झाल्यावर उच्च तापमानाच्या वाफेकडून ड्यूटेरियम नीच तापमानाच्या वाफेकडे येत राहतो. अशा प्रकारे ड्यूटेरियमाचे पाण्यातील प्रमाण वाढत जाते पण मोठ्या प्रमाणात व्यापारी दृष्टीने जड पाण्याचे उत्पादन या प्रकारे करीत नाहीत, तर वाफ-हायड्रोजन सल्फाइड ही जोडी वापरतात. उष्ण मनोऱ्यांचे तापमान १२०° ते १४०° से. व थंड मनोऱ्यांचे ३०° ते ३५° से. ठेवले जाते आणि हायड्रोजन सल्फाइडाचे पुनरावर्तन करण्यात येते.

जड पाण्याच्या निर्मितीसाठी वाफ-हायड्रोजन सल्फाइड विनिमय पद्धतीचा उपयोग अमेरिका व कॅनडा या देशांत केला जातो. या देशांची जड पाणी निर्मितीची मक्तेदारी १९६७ साली फ्रान्समध्ये अमोनिया-हायड्रोजन विनिमय पद्धतीचा विकास झाल्यामुळे संपुष्टात आली.

अणुऊर्जेसंबंधीच्या संशोधनात जड पाण्याची अत्यंत आवश्यकता असल्यामुळे भारतीय अणुऊर्जा मंडळाने भारतातच जड पाणी तयार करण्याचे आणि त्याकरिता फ्रान्सच्या अमोनिया-हायड्रोजन विनिमय पद्धतीचा उपयोग करण्याचे ठरविले. अमोनियाच्या पुरवठ्यासाठी खत तयार करणाऱ्या कारखान्याजवळ जड पाणी निर्मितीचे कारखाने उभारणे आवश्यक असल्यामुळे जड पाणी निर्मितीचा पहिला कारखाना गुजरातमध्ये बडोद्याजवळ उभारण्याचे ठरविण्यात आले. गुजरात सरकारचा मोठा खत कारखाना तेथे असून त्याची दररोजची अमोनिया निर्मितीची क्षमता ९५० टन आहे.

अणुऊर्जा मंडळातर्फे जड पाणी तयार करणारे कारखाने बडोदा, तुतिकोरिन, कोटा आणि तालचेर या ठिकाणी उभारण्यात येत आहेत. कोटा येथील कारखान्यात वाफ-हायड्रोजन सल्फाइड विनिमय पद्धती व बाकीच्या तीन कारखान्यात अमोनिया-हायड्रोजन विनिमय पद्धती वारण्यात येईल. अणऊर्जा संशोधनासाठी नैसर्गिक युरेनियम वारावयाचे झाल्यास अणुकेंद्रीय विक्रिया इष्ट त्या गतीने व्हावी यासाठी मंदायक म्हणून जड पाण्याचा उपयोग केला जातो. तारापूरच्या अणुविद्युत् केंद्रात युरेनियम (२३५) हा युरेनियमाचा समस्थानिक वापरला जात असल्याने तेथे जड पाण्याची आवश्यकता नाही पण राजस्थानात चालू झालेले राणाप्रतापसागर अणुविद्युत् केंद्र व तमिळनाडूत कल्पकम येथे आणि उत्तर प्रदेशात नेरोरा येथे जी अणुविद्युत् केंद्रे उभारली जात आहेत, तेथे नैसर्गिक युरेनियमाचा वापर होणार असल्याने भारताला वाढत्या प्रमाणावर जड पाण्याची आवश्यकता भासणार आहे.

सामान्यत: एक मेगॅवॉट विद्युत् निर्मितीसाठी १ टन जड पाणी लागते. सुरुवातीला जे जड पाणी उपयोगात आणले जाते, त्यापैकी साधारण ५ ते ६ टक्के जड पाणी निरुपयोगी होते व तेवढे जड पाणी पुन्हा घालावे लागते. या हिशोबाप्रमाणे वरील अणुविद्युत् केंद्रे सुरू झाल्यावर भारताला ३०० टन जड पाणी प्रतिवर्षी लागेल. सध्या चालू असलेल्या नानगल येथील जड पाणी निर्मिती कारखान्यात फक्त १४ टन जड पाणी तयार होते. बडोदे येथे ६७ टन, तुतिकोरिन येथे ७१ टन, तालचेर येथे ६१ टन आणि कोटा येथे १०० टन अशी एकूण ३१३ टन जड पाण्याची निर्मिती भारतीय कारखान्यांत होऊ लागेल व भारतीची गरज भागेल.

संश्लेषण पद्धतीने (घटक द्रव्ये एकत्र आणून कृत्रिम रीतीने) अमोनिया वायू तयार करताना नायट्रोजन आणि हायड्रोजन या वायूंचे १ : ३ या प्रमाणात असलेले मिश्रण वापरावे लागते. या मिश्रणाला संश्लेषण मिश्रण असे म्हणतात. या मिश्रणात असलेल्या हायड्रोजनामध्ये दशलक्ष हायड्रोजन अणूंमध्ये १२० अणू जड हायड्रोजनाचे असतात. संश्लेषण मिश्रण प्रथम शुद्धीकरण कक्षातून नेले जाते, या कक्षात वायुमिश्रणातील कार्बन मोनॉक्साइड, कार्बन डाय-ऑक्साइड, तेल आणि वाफ काढून टाकली जातात व वायुमिश्रण –२७° से.पर्यंत थंड केले जाते. हे थंड केलेले संश्लेषण वायुमिश्रण द्रव अमोनियाच्या संपर्कात आणले जाते. द्रव आमेनियात पोटॅशियम अमाइड हे रसायन असते. त्याचा उपयोग उत्प्रेरक म्हणून होतो.

संश्लेषण मिश्रणातील ड्यूटेरियम वायू द्रव अमोनियाच्या संपर्कात असताना अमोनियातील हायड्रोजनाची जागा घेतो. अमोनियातील हायड्रोजनाची जागा ड्यूटेरियमाने घेतल्यानंतर त्या अमोनियाचे भंजन होऊन नायट्रोजन आणि ड्यूटेरियम मिश्रण तयार होते. शुद्ध केलेल्या हवेत या मिश्रणातील ड्यूटेरियम जाळल्यावर जड पाणी तयार होते. संश्लेषण वायुमिश्रणातील ड्यूटेरियम जड पाणी निर्मिती कारखान्यात काढून घेतल्यांनतर ते मिश्रण गुजरात राज्य खत कारखान्याकडे परत पाठविले जाईल.

गुणधर्म : ऑक्सिजनाचे O¹⁶, O¹⁷ व O¹⁸  असे तीन समस्थानिक आहेत. त्यामुळे नैसर्गिक पाण्यातही H₂O¹⁶, H₂O¹⁷, H₂O¹⁸ आणि HDO¹⁶ या सर्व प्रकारच्या पाण्याचे मिश्रण आढळते. नैसर्गिक पाण्यात ०·०१५ टक्के  ड्यूटेरियम असतो. अर्थातच हे ड्यूटेरियमाचे पाण्यातील प्रमाण पाण्याची जागा व पूर्वेतिहासानुसार बदलत असते. H₂O¹⁸ पाणी व H₂O¹⁷ पाणी यांचे प्रमाण अनुक्रमे ०·२ टक्के व ०·०४ टक्के असते.

ज्या इतर संयुगांत हायड्रोजन आहे, त्यांच्यातही ड्यूटेरियमाचे प्रमाण कमी जास्त असणे शक्य आहे. ज्या पाण्यात हायड्रोजन, ऑक्सिजन किंवा दोन्ही वायूंच्या जड समस्थानिकांचे प्रमाण जास्तअसेल, त्यास जड पाणी म्हणता येईल परंतु जड पाणी हा शब्दप्रयोग D₂O साठीच केला जातो नैसर्गिक पाणी व जड पाणी यांचे रासायनिक व भौतिक गुणधर्म भिन्न आहेत. जड पाण्याची घनता जास्त आहे, तर बाष्पदाब कमी आहे आणि उकळबिंदू व वितळबिंदू उच्च आहेत. जड पाणी व नैसर्गिक पाणी यांच्या काही भौतिक गुणधर्मांची तुलना कोष्टक क्र. ४ मध्ये दिली आहे.

पाण्यातील ड्यूटेरियमाचे प्रमाण (१) घनतामापन, (२) द्रव्यमान वर्णपटमापकाचा उपयोग, (३) अवरक्त वर्णपटमापन, (४) प्रणमनांक मापन आणि (५) अणुकेंद्रीय चुंबकीय अनुस्पंदन या पद्धतींनी काढता येते. घनतामापन पद्धतीने ड्यूटेरियमाचे प्रमाण अचूक काढता येते, पण त्यासाठी पाण्याचा नमुना निर्दोष असला पाहिजे आणि पाण्यातील O¹⁸ चे प्रमाण माहीत असले पाहिजे.

द्रव्यमान वर्णपटमापन पद्धतीने पाण्यातील समस्थानिकांचे प्रमाण सरळ काढता येते, पण या पद्धतीत दोन प्रश्न उपस्थित होतात : एक अधिशोषणाचा आणि दुसरा देवाणघेवाणीचा अथवा विनिमयाचा. अवरक्त वर्णपटमापनात हे प्रश्न उपस्थित होत नाहीत. शिवाय त्यात मापन अल्पावधीत होऊन पुरेशा प्रमाणात ते अचूक असते. साध्या पाण्याच्या रेणूत हायड्रोजनाच्या जागीड्यूटेरियमाचे प्रतिष्ठापन झाल्यामुळे वेगवेगळ्या यंत्रणांमुळे उत्सर्जित होणाऱ्या अवरक्त वर्णरेषांच्या तरंगलांबींत लक्षणीय फरक पडतो व वर्णरेषेची जागा बदलते. उदा., साध्या पाण्याच्या बाबतीत असा फरक २·८ ते ३·०μ (μ = मायक्रॉन = १०^-३ मिमी.) या भागात, तर जड पाण्याच्या बाबतीत तो ४·०μ या भागात आढळतो [⟶ वर्णपटविज्ञान].

अणुकेंद्रिय चुंबकीय अनुस्पंदन पद्धती मूलतःच साधी असून तीत पाण्याचा द्रव नमुना वापरता येतो. मापन जलद होते व अधिशोषण अथवा विनिमय असे प्रश्न उपस्थित होत नाहीत.

उपयोग : अणुसंशोधन कार्यात अणुभट्टीचा उपयोग करीत असताना मंदायक (न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करणारे द्रव्य) म्हणून जड पाण्याचा उपयोग होतो. हा त्याचा महत्त्वाचा उपयोग आहे. साध्या पाण्याचा मंदायक म्हणून उपयोग केल्यास न्यूट्रॉन शोषणाचा काटच्छेद (प्रक्षेपित न्यूट्रॉनाला लक्ष्य म्हणून उपलब्ध असलेले अणुकेंद्राचे परिणामी क्षेत्रफळ) ०·६ X १०^-२४ चौ. सेंमी. इतका अल्प होतो आणि न्यूट्रॉन शोषण फार कमी होते. जड पाण्याचा शीतनक (थंड करणारा पदार्थ) म्हणूनही उपयोग होतो. अणुभट्टीसाठी जड पाण्याचा उपयोग मंदायक म्हणून करता येत असल्यामुळे नैसर्गिक युरेनियमाचा उपयोग अणुभट्टीसाठी करता येणे शक्य झाले. यापुढील विकासात न्यूट्रॉनांच्या भडिमाराने ड्यूटेरियमापासून हीलियम अणुकेंद्र बनताना बाहेर पडणारी ऊर्जा नियंत्रित करण्याचे कार्य होईल. सु. ३० लाख किग्रॅ. दगडी कोळसा जाळून मिळणाऱ्या ऊर्जेइतकी ऊर्जा सु. ०·४५ किग्रॅ. जड पाण्यातील ड्यूटेरियमापासून मिळू शकेल. साधे पाणी व जड पाणी यांच्यातील संयुजांच्या (संयोग पावणाऱ्या बंधांतील) बंधनऊर्जेत खूप फरक आहे. १९३१ मध्ये यूरी यांनी  ड्यूटेरियमाचा शोध लावल्याबरोबर जड पाण्याचा रासायनिक आणि जीववैज्ञानिक संशोधनात काय उपयोग होईल, ते पहाण्यासाठी जोरात संशोधन सुरू झाले. जड पाण्यात प्राणी अथवा वनस्पती वाढू शकत नाहीत त्याचप्रमाणे त्याची रासायनिक विक्रियेची गतीही मंद असते. 

पहा : अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी.

संदर्भ : 1. Friedlander, G. Kennedy, J. W. Miller, J. M. Nuclear and Radio-chemistry, New York, 1964.

            2. Sidgwick, N. V. Chemical Elements and their Compounds, Oxford, 1952.

दीक्षित, व. चिं. शेजवलकर, बा. ग.

“