Введение. 
Разделение тяжелых изотопов дейтерия (D), трития (T) и кислорода (18О)

Особенности изотопного строения воды определяются входящими в ее состав химическими элементами. Эти элементы — водород и кислород — широко распространены как в Космосе, так и на Земле.

Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной. Его содержание в природе составляет 17 ат.%. Водород составляет более половины массы Солнца и большинства звезд. Он также присутствует в атмосфере некоторых планет, в кометах, газовых туманностях и межзвездном газе.

Атом водорода состоит из одной положительно заряженной элементарной частицы протона, который находится в ядре, и одного отрицательного электрона, который располагается на внешней 1s-электронной орбите атома. В ядре атома водорода может также находиться несколько нейтральных частиц — нейтронов, количество которых определяет нуклеарную массу водорода.

Водород имеет три природных изотопа: протий 1H, дейтерий 2Н (или D) и тритий 3Н (или Т), последний из которых радиоактивен с периодом полураспада 12, 26 лет. В последнее время искусственно синтезированы и более тяжелые, чем тритий радиоактивные изотопы 4H и 5H с периодом полураспада 10−20 сек. Изотопы различаются массовыми числами, обозначаемые верхними индексами, характеризующими количество тяжелых частиц — нуклонов (протонов и нейтронов) — в ядре У протия в ядре один протон, у дейтерия — один протон и один нейтрон, у трития — один протон и два нейтрона. В природной воде протий и дейтерий содержатся в соотношении 1:5500. В среднем, в 1 тонне речной воды содержится 150−200 г дейтерия в виде тяжелой (D2O) воды. Физические свойства тяжелой воды отличаются от таковых для обычной воды [1]. Тяжёлая вода кипит при 101, 44 0С, замерзает при 3, 82 0С, имеет плотность при 20 0С 1, 105 г/см3, причём максимум плотности приходится не на 4 0С, как у обычной воды, а на 11, 2 0С (1, 106 г/см3).

Трития в природе ещё меньше, чем дейтерия. Тритий образуется под действием жёсткого радиои нейтронного излучения в ядерных реакторах. В земных условиях тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где протекают природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота и кислорода нейтронами космического излучения. В небольших количествах тритиевая (сверхтяжелая) вода попадает на Землю в составе осадков. Ежеминутно на каждый 1 см² земной поверхности попадают 8−9 атомов трития. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных [2]. Во всей гидросфере Земли всего насчитывается около 15 кг Т2О. По своим физическим свойствам Т2О еще значительнее отличается от обычной: кипит при 104 °C, замерзает при 4, 9 °C, имеет плотность 1, 33 г/см3.

Согласно расчетам, гравитационное поле Земли недостаточно сильно для удержания Н, и планета постепенно теряет легкий водород, который улетучивается быстрее тяжелых дейтерия и трития, в результате диссоциации в межпланетное пространство. Поэтому в течение геологического времени должно происходить накопление дейтерия и трития гидросфере и поверхностных водах [3]. В планетарном масштабе осуществляется испарительно-конденсационный процесс формирования протиевой воды Н216О и обогащения ею туч и облаков.

Кислород — также очень распространенный в природе элемент. Он составляет более 85% гидросферы, более 45% литосферы и более 23% атмосферы. Кислород стоит на первом месте по числу природных минералов, в живых организмах содержится около 70% кислорода, он входит в состав важнейших природных органических соединений — белков, жиров, аминокислот, а также в состав скелета. Исключительно велика роль кислорода в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. Практически все животные, растения и микроорганизмы (за исключением микробов-анаэробов) получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счет биологического окисления различных веществ при помощи кислорода. Все окислительные процессы в природных водах, приводящие к самоочищению водных объектов, также протекают благодаря присутствию в воде кислорода.

В природе известны три изотопных разновидности кислорода: 16О, 17О и 18О (тяжелый), среднее содержание которых составляет соответственно 99, 759; 0, 204 и 0, 037% от общего числа атомов кислорода в природе. Эти изотопы различаются количеством нейтральных частиц (нейтронов), входящих в состав ядра, при этом количество протонов в ядре одинаково и равно восьми (табл. 1). Два природных стабильных изотопа кислорода — 17O и 18O, формируют тяжелокислородные воды H217O и Н218O. По физическим свойствам тяжелокислородная вода (Н218O) меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее в основном перегонкой природной воды и используют как источник препаратов с меченым кислородом [4]. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа 16O приходится 4 атома изотопа 17O и 20 атомов изотопа 18O.

Таблица 1. Изотопы воды.

Кроме природных, существуют 10 искусственно созданных изотопов с массовыми числами от 12 до 24. Из них: 12O, 13O, 14O и 15O — легкие, 19O, 20O, 21O, 22O и 23O — тяжелые, а сверхтяжелый изотоп — 24O получен в 1975 году. Как и искусственные изотопы водорода, они недолговечны и радиоактивны. Большинство радиоактивных изотопов кислорода имеют периоды полураспада от несколько десятков секунд до наносекунд. Наиболее стабильные изотопы 14O и 15О с периодом полураспада 122 и 50 сек.

С учетом этих данных количество возможных изотопных разновидностей воды (изотопологов) с химической формулой Н20 составляет 135, в которых атомы Н, D, T, 16O, 17O и 18O представлены в различных сочетаниях. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (иключением является тритий, период полураспада которого составляет 12 лет). За это короткое время никакие химические связи просто не успевают образоваться, поэтому молекул воды с такими изотопами в природных условиях не существует, хотя молекулы таких вод могут быть получены в условиях современных ускорителей изотопов — в синхрофазотронах.

Если подсчитать все возможные изотопные разновидности воды, существующие в природе с общей формулой Н2О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» получится 18 (поскольку существует два стабильных изотопа водорода и три — кислорода). Из них 9 вариантов — нерадиоактивные (стабильные) и 9 радиоактивных с участием трития [5].

Стабильные:

Н2 16O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.

Радиоактивные:

T216O, T217O, T218O, DT16O, DT17O, DT18O, HT16O, HT17O, HT18O.

Таким образом, в природе возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из трех водородных изотопов (Н. D и Т) и 3 изотопа кислорода (17O и 18O) в любом сочетании. Однако 99, 97% всей водs — в гидросфере представлено обычной водой химической формулы 1Н2160, доля тяжелой воды 2Н2160 составляет менее 0, 02%. В среднем в природных водах в 10 000 молекул содержится 9973 молекул H216O, 3 молекулы HD16O, 4 молекул H217O, 20 молекул H218O и около 2 молекул D216O [6]. Еще реже, чем D216O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий.

По международному стандарту SMOW, соответствующему глубинной воде Мирового океана, которая весьма стабильна по изотопному составу, абсолютное содержание D и 18O в океанической воде составляет: D SMOW/1H SMOW=(155, 76±0, 05) Ч10−6 (155, 76 ppm), 18O SMOW/16O SMOW =(2005, 20±0, 45) Ч10−6 (2005 ppm) [7]. Для международного стандарта природной воды из Антарктики SLAP концентрации в воде составляют: для D D/H=89Ч10−6 (89 ppm), для 18O — 18O/16O=1894Ч10−6 (1894 ppm). Содержание самого лёгкого изотополога H216O в воде, соответствующей по изотопному составу SMOW, составляет 997, 0325 г/кг (99, 73 мол.%), а по изотопному составу SLAP — 997, 3179 г/кг (99, 76 мол.%). Для природных вод СНГ чаще всего характерны отрицательные отклонения от SMOW на (1, 0−1, 5).10−5, в отдельных случаях до (6, 0−6, 7).10−5, но встречаются и положительные отклонения до 2, 0.10−5.

Изотопологи воды различаются друг от друга по физическим свойствам (табл. 2). Химическое строение молекул изотопологов воды аналогично строению молекул Н2O, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов между ними. Однако разница атомных масс изотопов в природной воде велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H > 100%, 18O/16O >12, 5%. Наиболее эффективно изотопы водорода и кислорода фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды. Равновесное давление паров у изотопологов воды cущественно различается. При этом чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, поэтому пар, равновесный с водой, обогащён лёгкими изотопами водорода 1Н и кислорода 16О, что позволяет осуществлять изотопное фракционирование воды.

Таблица 2. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении.