ضعف الكتلة، وهذا يظهر
نظائر العنصر الواحد قابلة للتبادل عادةً. فالكربون 13 يسلك سلوك الكربون 12 في كل تفاعل يهمّ، بفارق كتلة 8 %.
والديوتيريوم أثقل من البروتيوم بنسبة 100 %. ولا شيء آخر في الجدول الدوري يُظهر تلك النسبة، ولهذا حملت نظائر الهيدروجين أسماءً بدل أرقام.
والعواقب تُقاس. فالماء الثقيل يغلي عند 101,4 °م بدل 100، ويتجمد عند 3,8 °م بدل 0، وكثافته أعلى بنسبة 11 % — فمكعب ثلج من ماء ثقيل يغوص في كأس ماء عادي.
⚠️ والأنفع للكيميائيين: رابطة مع الديوتيريوم تنكسر أبطأ من رابطة مع البروتيوم، بمعامل ستة أو سبعة. فإن أبطأ استبدال هيدروجين بديوتيريوم تفاعلًا، فذلك الهيدروجين كان يشارك في الخطوة البطيئة. وهذا الأثر النظائري الحركي من الأدوات القليلة التي تكشف آلية تفاعل كشفًا مباشرًا.
وحدّد هارولد يوري الديوتيريوم عام 1931 ونال جائزة نوبل في الكيمياء بعد ثلاث سنوات.
تهدئة دون امتصاص
على المفاعل أن يبطّئ نيوتروناته. فالنيوترونات السريعة تعبر اليورانيوم 235 دون أن تحدث انشطارًا؛ وإبطاؤها إلى الطاقات الحرارية يزيد الاحتمال زيادة هائلة.
وأي شيء خفيف يبطّئها، لكن على المهدّئ ألّا يمتصها. والماء العادي يبطّئ جيدًا ويمتص متوسطًا — بما يكفي لأن يقتضي مفاعل يستعمله يورانيومًا مخصّبًا إلى 3 أو 5 %.
والماء الثقيل يمتص نيوترونات أقلّ بكثير، لأن الديوتيريوم يملك أصلًا النيوترون الذي سيلتقطه البروتيوم. ويكفي ذلك الهامش لتشغيل مفاعل باليورانيوم الطبيعي، بلا تخصيب البتة.
⚠️ وهنا تكمن كل الأهمية الاستراتيجية. فالبلد الذي يملك ماءً ثقيلًا يستطيع بناء مفاعل دون بناء مصنع تخصيب، وإنتاج بلوتونيوم في ذلك المفاعل. ومن هنا مراقبة صادرات الماء الثقيل والاهتمام الذي تناله هذه الخطوط.
وقد بنت كندا برنامجها الكهربائي هكذا. والهند كذلك، وقد أنتجت بلوتونيوم سلاحها الأول في مفاعل بحث بالماء الثقيل مورّد لاستعمال مدني.
فيمورك
كان مصنع نورسك هيدرو في فيمورك، قرب ريوكان، ينتج هيدروجينًا بالتحليل الكهربائي لصنع الأسمدة. وكان الماء الثقيل يتراكم في الخلايا ناتجًا ثانويًّا، لأن النظير الخفيف يتحلل كهربائيًّا أسرع قليلًا فتغتني البقية بالديوتيريوم.
وفي 1940 كان المنتج الوحيد المعتبر في أوروبا، وكان برنامج المفاعل الألماني يحتاجه.
فأُنزل كوماندوز نرويجيون بالمظلات، وعبروا هضبة هاردانغر على الزلاجات في عزّ الشتاء، وتسلقوا ممرًّا كان الألمان يعدّونه غير سالك، ودمّروا الخلايا في شباط 1943 دون طلقة واحدة. وتلتها قصفات للحلفاء. وفي 1944 أغرق مخرّبون عبّارة تحمل ما تبقّى في بحيرة تين.
⚠️ ومقدار الأثر الفعلي موضع نقاش — فالبرنامج الألماني كان يعاني عللًا أخرى، منها التخلي عن الغرافيت مهدّئًا بناءً على قياسات أُجريت بمادة ملوّثة. لكن العملية أزالت المصدر الأوروبي الوحيد لمادة راهن عليها ذلك البرنامج.
تتبّع بلا إشعاع
لمّا كان الديوتيريوم مستقرًّا، أمكن إعطاؤه للناس.
فالماء المزدوج الوسم — الحاوي على ديوتيريوم وأكسجين 18 — هو الطريقة المرجعية لقياس الإنفاق الطاقي عند أشخاص يعيشون حياتهم العادية. يشرب الشخص جرعة ويقدّم عينات بول في الأيام التالية؛ ويغادر النظيران الجسم بوتيرتين مختلفتين، والفارق يعطي إنتاج ثاني أكسيد الكربون، ومنه الإنفاق.
وهكذا عرف الميدان أن الإنفاق الطاقي البشري يتباين بين الشعوب وأنماط الحياة أقلّ بكثير مما كان يُفترض.
⚠️ ويُستعمل الديوتيريوم أيضًا في تصميم الأدوية. فاستبدال هيدروجين في الموضع الذي يهاجم فيه إنزيم الجزيء يبطئ تفككه ويطيل مفعوله. وأُجيز أول دواء مديوتَر عام 2017؛ وهي استراتيجية تصميم حقيقية لا طرفة.
شربه
الماء الثقيل ليس مشعًّا وكأس منه غير مؤذية.
أما استبدال جزء كبير من ماء الجسم فأمر آخر. فالانقسام الخلوي يعتمد على تفاعلات تشمل روابط هيدروجينية، وإبطاؤها بمعامل ستة يربك الانقسام الفتيلي. والثدييات التي تُسقى ماءً ثقيلًا وحده تموت حين يبلغ ماء جسمها نحو 25 % ديوتيريوم.
⚠️ وبلوغ ذلك يفترض ألّا يشرب المرء شيئًا آخر تقريبًا أيامًا، والماء الثقيل غالٍ بما يكفي ليكون طريقة باهظة لإيذاء النفس. وتقديم الماء الثقيل سمًّا على نحو مثير صحيح تقنيًّا وعديم الأثر عمليًّا.