Что такое дейтерий?

Дейтерий — это стабильный изотоп водорода, который, в отличие от «обычных» атомов водорода или протия, также содержит нейтрон.

Дейтерий имеет в своем составе один протон, один нейтрон и один электрон.

Только один из 6420 атомов водорода является дейтерием. Дейтерий встречается в молекулах, которые содержат водород, в том числе, во всех формах воды, включая воду в наших телах. В океане содержится огромное количество этого изотопа — в каждом кубическом метре морской воды содержится 33 грамма дейтерия.

Естественное содержание дейтерия различается в зависимости от источника воды. Вода состоит из атомов водорода и кислорода, поэтому, зная содержание дейтерия в том или ином водоеме, можно узнать много нового о его происхождении и истории. Это ключевой принцип науки, известной как изотопная гидрология. Дейтерий имеет множество других применений, например может использоваться для оценки питания, а также в качестве топлива на термоядерных электростанциях будущего.

Отслеживание с помощью дейтерия и круговорота воды

Дейтерий можно отследить в круговороте воды (также известном как гидрологический цикл) — процессе непрерывного перемещения воды в ходе ее испарения с поверхности Земли и выпадения обратно в виде осадков (см. инфографику).

Изотопный состав воды указывает на источник ее происхождения, а также позволяет отследить ее перемещение по круговороту. Например, ученые могут определить недавно пополненные и ископаемые подземные воды по концентрации изотопов дейтерия и кислорода. Имея эти данные, ученые могут оценить время, необходимое для восполнения запасов подземных вод, а также дать рекомендации директивным органам о том, как правильно заботиться об их источнике и защищать его. Узнайте больше из этой статьи.

Молекулы воды, потребляемые живыми существами, имеют естественную дейтериевую сигнатуру — «отпечаток пальца» или «метку», указывающую на источник воды. Эту изотопную сигнатуру можно отследить в пищевой цепи и обнаружить в органических материалах представителей различных видов. Например, перья и когти птиц содержат изотопные сигнатуры, по которым можно проследить происхождение источника потребляемой воды. Ученые могут определить происхождение животного и отследить его миграцию, измерив содержание дейтерия в органическом материале и сопоставив его с заранее составленными картами осадков.

Отслеживание миграции различных видов с помощью изотопных сигнатур дейтерия и других стабильных изотопов используется для создания карт межконтинентальной миграции, что помогает поддерживать усилия по охране природы и защищать места размножения животных.

Мировая карта миграции животныхМАГАТЭ

Узнайте, как были обнаружены пути миграции бабочек.

Использование дейтерия для оценки качества питания в целях углубления понимания проблем в области питания и их последствий для здоровья

При поддержке МАГАТЭ специалисты из девяти стран Южной и Восточной Европы были обучены применению метода разбавления дейтериевой метки для оценки состава телаМАГАТЭ

Дейтерий может быть использован в исследованиях для того, чтобы усовершенствовать процесс оценки качества питания; чтобы понять, происходит ли увеличение (или снижение) веса за счет жира или за счет мышц; эффективны ли кампании по продвижению грудного вскармливания; подвержены ли некоторые группы населения риску повышенного потребления витамина A. Эта информация позволяет специалистам в области здравоохранения корректировать существующие программы и мероприятия в области питания или разрабатывать новые, более эффективные.

Для оценки состава тела и определения доли жира в массе тела человека, используется метод разбавления дейтериевой метки. Вода в организме человека содержит естественное количество дейтерия. Выпив небольшое количество оксида дейтерия — воды, меченной дейтерием, можно измерить концентрацию дейтерия в слюне или моче и определить соотношение жировой и нежировой ткани в организме. Более подробно о том, как работает эта методика, можно узнать по этой ссылке.

Дейтерий может также быть использован для оценки количества потребляемого грудного молока и определения того, полностью ли ребенок находится на грудном вскармливании. Из этой статьи вы можете подробнее узнать о том, как работает метод приема матерью оксида дейтерия.

Кроме того, витамин А также может быть помечен дейтерием, что позволяет точно определить его содержание в организме человека.

Производство термоядерной энергии с помощью дейтерия

Термоядерный синтез — это реакция, при которой два легких атомных ядра объединяются в одно, выделяя при этом огромное количество энергии. Этот процесс питает звезды и представляет собой долгосрочный, устойчивый, экономичный и безопасный вариант производства электроэнергии. Узнайте больше из этой статьи.

Смесь дейтерия и трития — другого изотопа водорода с двумя дополнительными нейтронами — планируется использовать в качестве топлива для будущих термоядерных электростанций, чтобы создать «мини-солнце» на Земле.

В 2025 году планируется ввести в эксплуатацию ИТЭР — экспериментальный международный термоядерный токамак, собираемый на юге Франции. Цель ИТЭР состоит в том, чтобы доказать возможность выработки нетто-энергии в результате термоядерной реакции. Следующим важным шагом станет демонстрация возможности производства нетто-электроэнергии из термоядерной энергии. Именно для этого нужны DEMO — демонстрационные термоядерные энергетические установки. В конечном же счете термоядерные реакторы должны будут генерировать огромное количество энергии чистым и устойчивым способом, обеспечивая альтернативу существующим источникам энергии.

Чтобы узнать больше, читайте выпуск Бюллетеня МАГАТЭ, посвященный энергии термоядерного синтеза.

Какую роль играет МАГАТЭ?

• МАГАТЭ и Всемирная метеорологическая организация управляют глобальной сетью «Изотопы в осадках», которая предоставляет данные о временных и пространственных вариациях для использования изотопов в гидрологических исследованиях в рамках инвентаризации, планирования и развития водных ресурсов.
• Сайт для совместной работы в области изотопной гидрологии дает пользователям возможность взаимодействовать с МАГАТЭ, а также предоставляет доступ к публикациям, программному обеспечению, проектам, материалам и лабораторным тестам, связанным с использованием дейтерия, а также других изотопов водорода.
• МАГАТЭ предоставляет обучение, оборудование и экспертные знания, необходимые для создания потенциала в применении методов, основанных на использовании дейтерия, для оценки качества питания. МАГАТЭ также поддерживает исследования, направленные на оптимизацию и разработку новых методов, основанных на использовании дейтерия.
• МАГАТЭ активно участвует в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах , связанных с термоядерным синтезом. Агентство содействует международной координации и обмену передовым опытом в рамках проектов по всему миру, проводит различные форумы, связанные с термоядерным синтезом, в том числе Конференцию по энергии термоядерного синтеза, которая проводится раз в два года. МАГАТЭ также способствует обсуждению DEMO, издает журнал «Ядерный синтез» и сотрудничает с организацией ИТЭР.
• МАГАТЭ также управляет Информационной системой по термоядерным устройствам, которая предоставляет информацию о термоядерных устройствах по всему миру, и базами цифровых данных, которые содержат основные данные об исследованиях в области энергии термоядерного синтеза.
• МАГАТЭ ввело в эксплуатацию свой первый нейтронный генератор — систему, создающую нейтроны путем слияния атомов дейтерия. Эти компактные и нередко портативные нейтронные генераторы полезны для ряда применений, таких как анализ элементов, содержащихся в различных образцах и объектах, неразрушающих испытаний и нейтронной радиографии/томографии, производства радиоизотопных индикаторов, а также для проведения исследований и деятельности по наращиванию потенциала.
• Публикации об использовании дейтерия и деятельности по проведению связанных с ним анализов, являются частью работы МАГАТЭ по наращиванию потенциала стран.