Deux fois la masse, et cela se voit
Les isotopes d’un même élément sont d’ordinaire interchangeables. Le carbone 13 se comporte comme le carbone 12 dans toute réaction qui compte, pour un écart de masse de 8 %.
Le deutérium est 100 % plus lourd que le protium. Rien d’autre dans le tableau périodique n’affiche une telle proportion, et c’est pourquoi les isotopes de l’hydrogène ont des noms plutôt que des numéros.
Les conséquences se mesurent. L’eau lourde bout à 101,4 °C au lieu de 100, gèle à 3,8 °C au lieu de 0, et sa densité dépasse celle de l’eau ordinaire de 11 % — un glaçon d’eau lourde coule dans un verre d’eau.
⚠️ Plus utile aux chimistes : une liaison avec le deutérium se rompt plus lentement qu’une liaison avec le protium, d’un facteur six ou sept. Si remplacer un hydrogène par un deutérium ralentit une réaction, c’est que cet hydrogène intervenait dans l’étape lente. Cet effet isotopique cinétique est l’un des rares outils qui révèlent directement un mécanisme réactionnel.
Harold Urey a identifié le deutérium en 1931 et reçu le prix Nobel de chimie trois ans plus tard.
Modérer sans absorber
Un réacteur doit ralentir ses neutrons. Les neutrons rapides traversent l’uranium 235 sans provoquer de fission ; les ralentir aux énergies thermiques augmente énormément la probabilité.
Tout ce qui est léger les ralentira, mais le modérateur doit aussi ne pas les absorber. L’eau ordinaire ralentit bien et absorbe moyennement — assez pour qu’un réacteur qui l’emploie exige de l’uranium enrichi à 3 ou 5 %.
L’eau lourde absorbe bien moins de neutrons, car le deutérium possède déjà le neutron que le protium capturerait. Cette marge suffit à faire fonctionner un réacteur à l’uranium naturel, sans aucun enrichissement.
⚠️ C’est tout l’enjeu stratégique. Un pays qui dispose d’eau lourde peut construire un réacteur sans construire d’usine d’enrichissement, et produire du plutonium dans ce réacteur. D’où le contrôle des exportations d’eau lourde et l’attention portée à ces filières.
Le Canada a bâti son programme électrique ainsi. L’Inde aussi, qui a produit le plutonium de sa première arme dans un réacteur de recherche à eau lourde fourni pour un usage civil.
Vemork
L’usine Norsk Hydro de Vemork, près de Rjukan, produisait de l’hydrogène par électrolyse pour la fabrication d’engrais. L’eau lourde s’accumulait dans les cellules comme sous-produit, l’isotope léger s’électrolysant un peu plus vite et le résidu s’enrichissant en deutérium.
En 1940, c’était le seul producteur significatif d’Europe, et le programme allemand de réacteur en avait besoin.
Des commandos norvégiens sont parachutés, traversent à ski le plateau du Hardanger en plein hiver, escaladent une gorge que les Allemands jugeaient infranchissable, et détruisent les cellules en février 1943 sans tirer un coup de feu. Des bombardements alliés suivent. En 1944, des saboteurs coulent un ferry transportant le stock restant sur le lac Tinn.
⚠️ L’ampleur réelle de l’effet est débattue — le programme allemand souffrait d’autres maux, dont l’abandon du graphite comme modérateur sur la foi de mesures faites avec un matériau contaminé. Mais l’opération a supprimé la seule source européenne d’une matière sur laquelle ce programme avait misé.
Tracer sans irradier
Parce que le deutérium est stable, on peut en administrer à des personnes.
L’eau doublement marquée — contenant du deutérium et de l’oxygène 18 — est la méthode de référence pour mesurer la dépense énergétique chez des sujets libres de leurs mouvements. Le sujet boit une dose et fournit des échantillons d’urine les jours suivants ; les deux isotopes quittent le corps à des rythmes différents, et l’écart donne la production de gaz carbonique, donc la dépense.
C’est ainsi que la discipline a appris que la dépense énergétique humaine varie bien moins entre populations et modes de vie qu’on ne le supposait.
⚠️ Le deutérium sert aussi à concevoir des médicaments. Remplacer un hydrogène à l’endroit où une enzyme attaque la molécule ralentit sa dégradation et prolonge son action. Le premier médicament deutéré a été autorisé en 2017 ; c’est une véritable stratégie de conception, pas une curiosité.
En boire
L’eau lourde n’est pas radioactive et un verre est sans danger.
Remplacer une fraction importante de l’eau du corps est autre chose. La division cellulaire dépend de réactions impliquant des liaisons hydrogène, et les ralentir d’un facteur six perturbe la mitose. Des mammifères nourris exclusivement à l’eau lourde meurent lorsque leur eau corporelle atteint environ 25 % de deutérium.
⚠️ Y parvenir suppose de ne boire presque rien d’autre pendant des jours, et l’eau lourde coûte assez cher pour que ce soit une façon dispendieuse de se nuire. La présentation sensationnaliste de l’eau lourde comme poison est techniquement exacte et pratiquement sans objet.