L'eau lourde

L’eau lourde désigne une molécule d’eau où les atomes d’hydrogène ne sont plus ceux de l’isotope mais du deutérium .

• Un noyau de deutérium est formé à partir d’un proton et d’un neutron.
Il existe plusieurs manières pour désigner une molécule d’eau lourde : ou . On la nomme également oxyde de deutérium.


• Il est également possible qu’un seul des deux atomes d’hydrogène comporte un noyau de deutérium. Il s’agit alors d’eau « semi-lourde », notée par exemple .

• Le terme d’eau « super-lourde » ou d’eau tritiée concerne de l’eau où un ou deux hydrogènes sont sous la forme de tritium (ou ). Un noyau de tritium est constitué d’un proton et de deux neutrons. A la différence du deutérium, le tritium est radioactif, avec une demi-vie de 12,32 ans. Il est émetteur , selon la réaction de désintégration , où est un antineutrino.

D’autre part, il existe aussi la possibilité que le noyau d’oxygène ne soit pas l’isotope stable le plus courant , mais ou . L’isotope 18 est d’ailleurs utilisé pour l’étude des paléoclimats (climats anciens).

Pour la suite, nous nous focaliserons sur l’eau lourde .Concernant ses propriétés physico-chimiques, l’eau lourde se comporte quasiment comme l’eau . Il existe cependant quelques différences figurées dans le tableau ci-dessous:

	Eau non lourde	Eau lourde
Masse molaire (g/mol)	18,015	20,0286
Température d’ébullition	100 °C	101,42 °C
Température de fusion	0 °C	3,82 °C
Densité eau liquide	0,999975 g/mL	1,10589 g/mL
Densité glace à 0 °C	0,917 g/mL	1,014 g/mL
à 25 °C	14,000	14,869
pH à 25 °C	7,00	7,41
Indice optique à 20 °C,	1,33335	1,32844

Remarques : Le terme « d’eau non lourde » désigne un échantillon où n'est présent que la molécule . Pour le pH de l’eau lourde, on parle plutôt de pD, car ce n’est pas qui conditionne l’acidité, mais D^+.
On retiendra surtout que la masse molaire et la densité de l’eau lourde sont plus fortes que celle de l’eau normale.

On ne fabrique pas l’eau lourde, mais on l’extrait :

En effet, l’eau sur Terre contient naturellement une proportion faible d’eau lourde (dans l’eau ordinaire, 1 molécule sur 41 millions est de l’eau lourde). Le processus industriel nommé enrichissement, permet de former une eau dont le taux en eau lourde augmentera progressivement. Le deutérium n’est pas synthétisé pendant l’opération..

Une première étape consiste en une électrolyse de l’eau. Il en résulte une production de O₂ et de H₂. Le deutérium est moins favorable à cette opération que l’hydrogène standard. Ainsi, au fur et à mesure que l’eau ordinaire est transformée, l’eau restante va avoir une concentration croissante en eau lourde. Cette opération sera suivie d’une distillation et d’une congélation pendant lesquelles le taux d'eau lourde augmente. 

La production d’eau lourde est onéreuse car elle demande beaucoup d'énergie. Ainsi, en parallèle, d’autres techniques ont été mises au point, comme le procédé de Girdler. Méthode basée sur un échange isotopique entre le sulfure d’hydrogène et l’eau . L’idée est que le deutérium a tendance à migrer de l’eau vers le sulfure d’hydrogène à des températures de 120-140 °C, alors que la migration se fait du sulfure d’hydrogène vers l’eau à des températures de 30-40 °C. Le principe est ainsi d’enrichir progressivement le sulfure d’hydrogène par de l’eau ordinaire présentant les taux naturels en deutérium. Ensuite, le sulfure d’hydrogène enrichi en deutérium communique celui-ci à de l’eau, qui devient alors de l’eau lourde.

Quelle que soit la méthode, les taux en eau lourde peuvent dépasser les 98 % dans la plupart des cas.

L’eau lourde présente diverses applications :

• En physique nucléaire

L'eau lourde est employée dans le cadre de certains réacteurs nucléaires. En effet, elle ralentit suffisamment les neutrons émis par fission, afin que ces derniers soient aptes à produire d’autres fissions, selon le principe d’une réaction en chaine contrôlée. L’eau lourde a un rôle de modérateur de neutrons. Lorsque l’eau lourde est introduite dans le réacteur, elle n’est pas radioactive. Par contre, quelques neutrons peuvent se fixer sur les noyaux de deutérium.

L’eau lourde s’enrichit alors en tritium qui lui est radioactif. Inconvénient majeur : prix de l’eau lourde.

• Détection de neutrinos

Les étoiles sont émettrices de neutrinos. En particulier, l’explosion de certaines, comme les supernovae, libère un nombre colossal de ces particules. Cependant, le neutrino est une particule qui interagit très peu avec la matière. En effet, la grande majorité des neutrinos émis par le Soleil traverse la Terre sans réagir avec la matière qui la compose. L’eau lourde peut être employée dans des détecteurs de neutrinos, car ils interagissent un peu avec elle.

• En spectroscopie par résonance magnétique nucléaire

On rappelle qu’une résonance magnétique nucléaire, RMN, est basée sur le fait que des noyaux, plongés dans un champ magnétique, peuvent absorber (puis réémettre) un rayonnement électromagnétique. L’intérêt est que chaque noyau, et même chaque isotope, a sa propre fréquence dite de résonance. L’eau lourde peut être employée en RMN. En effet, la fréquence de résonance du deutérium est très différente de celle de l’hydrogène ordinaire (proton). D’ailleurs, des solvants deutérés (on remplace l’hydrogène par le deutérium) sont également utiles. C’est le cas par exemple pour le chloroforme deutéré (au lieu de ). Ainsi, en RMN du proton, les solvants deutérés sont « invisibles » et ne perturbent donc pas la mesure effectuée.

• En biologie

Comme l’eau lourde n’est pas radioactive, elle ne présente pas de risque pour la santé et pour l’environnement lorsqu’elle est mélangée avec de l’eau ordinaire. Le deutérium peut être utilisé comme marqueur isotopique. Mais, des études ont montré qu' une proportion d’eau lourde supérieure à 50 % par rapport à l’eau totale de l’organisme, bloque la réplication cellulaire (mitose), pouvant entrainer des problèmes de santé.

→ En 1931, le deutérium fut découvert par Harold Urey. Il fut récompensé en 1934 par le Prix Nobel de Chimie et la médaille Franklin en 1943.

→ En 1933, Gilbert Lewis (connu pour avoir découvert la structure des atomes) parvint à produire un échantillon d’eau lourde et procéda à des expériences afin de voir si des organismes vivants pouvaient survivre dans un milieu riche en eau lourde.

→ En 1938, la fission nucléaire fut découverte. Cela donna une nouvelle application à l’eau lourde: une fission de l’uranium 235 émet quelques neutrons, pouvant induire à leur tour d’autres fissions. C’est le principe de la réaction en chaîne, proposé par Frédéric Joliot-Curie en janvier 1939. Le principe de la bombe à fission est une application directe du principe de la réaction en chaine. Cependant, les neutrons émis sont trop rapides. En conséquence, pour étudier la faisabilité de la bombe, Frédéric Joliot-Curie proposa des expériences où les neutrons seraient ralentis par de l’eau lourde (rôle de modérateur).

→ Début 1940, quelques mois après le début de la seconde guerre mondiale, il réussit à acquérir 185 kg d’eau lourde que la Norvège avait produite dans son usine de Vemork. A cette époque, cela représentait le stock mondial d’eau lourde concentrée. Avec l’arrivée des Nazis en France en Juin 1940, cette eau fut alors embarquée pour l’Angleterre afin que l’Allemagne ne puisse pas s’en servir pour son programme de fabrication de la bombe. Les recherches Françaises, les matières fissiles dont disposait l’équipe de Joliot-Curie et l’eau lourde furent alors intégrées dans le projet de recherche Britannique Tube Alloys. Lui-même fut plus tard incorporé dans le projet Manhattan, c'est-à-dire le projet Américain visant à construire la bombe A. Toujours afin d’empêcher le programme Allemand de recherche de la bombe, l’usine de Vemork, qui était entretemps passée aux mains des Nazis, fut attaquée par les Alliés en 1943, et sa production détruite en 1944. Cet épisode de la guerre est nommé « bataille de l’eau lourde ».