Zwaar water kan op verschillende manieren gemaakt worden. Twee procedés zijn commercieel leefbaar, namelijk het zwavelwaterstof – waterstof uitwisselingsproces (GS procedé) en het ammoniak – water uitwisselingsproces.
Het GS procedé berust op de uitwisseling van waterstof en deuterium tussen het water en de zwavelwaterstof in een reeks torens waarvan het onderste gedeelte koud en het bovenste gedeelte warm is. In deze torens loopt het water van boven naar onder en de zwavelwaterstof in de omgekeerde richting. Een reeks doorboorde platen dient om de mengeling tussen het water en het gas te bevorderen. Het deuterium wordt overgedragen aan het water op lage temperatuur en het zwavelwaterstof op hoge temperatuur. Het gas of het water met hogere deuteriumconcentratie wordt onttrokken aan de torens van de eerste trap op de grens tussen het warme en het koude gedeelte, en dit proces wordt herhaald in de torens van de volgende trappen. Het product dat de laatste trap verlaat, dit is water dat 30 % deuterium bevat, wordt gestuurd naar een distillatie-installatie, waar het zwaar water van reactorkwaliteit gemaakt wordt, dit wil zeggen een mengsel dat 99,75 % deuteriumoxide bevat.
Het ammoniak-waterstofuitwisselingsprocedé maakt het mogelijk deuterium te onttrekken aan een gasmengsel door contact met vloeibare ammoniak in aanwezigheid van een katalysator. Het gasmengsel wordt in een uitwisselingstoren gebracht en vervolgens in een ammoniakomvormer. In de torens stroomt het gas van onder naar boven en de vloeibare ammoniak loopt van boven naar onder. Het deuterium wordt aan de waterstof onttrokken in het gasmengsel en geconcentreerd in de ammoniak. De ammoniak gaat vervolgens naar de ammoniakkraakinstallatie onderaan in de toren en het gas wordt naar een ammoniakomzettingsinstallatie gestuurd bovenaan de toren. De verrijking gebeurt in opeenvolgende stappen en het zwaar water met reactorkwaliteit wordt bekomen door de uiteindelijke distillatie. Het gasmengsel kan afkomstig zijn van een ammoniakfabriek, die zelf kan gekoppeld zijn aan een fabriek voor de productie van zwaar water door middel van uitwisseling ammoniakwaterstof. In het ammoniakwaterstof uitwisselingsprocedé kan men ook gewoon water gebruiken als deuterimbron.
Een groot aantal belangrijke onderdelen van fabrieken voor de productie van zwaar water door middel van de hierboven beschreven procedés komen eveneens voor in de scheikundige nijverheid en in de petroleumsector. Dit is zeker het geval voor kleine installaties die het GS procedé gebruiken.
Er zijn echter slechts enkele uitrustingen beschikbaar in de handel. De beide procedés vereisen de behandeling van grote hoeveelheden brandbare, corrosieve en toxische vloeistoffen bij een hoge druk. Als gevolg daarvan moet bij het opstellen van de normen voor ontwerp en uitbating van deze installaties bijzondere aandacht besteed worden aan de materialen om een lange levensduur bij hoge veiligheid en betrouwbaarheid te waarborgen. De graad hiervan wordt bepaald door economische overwegingen en door de behoeften. De meeste uitrustingen worden vervaardigd volgens de voorschriften van de klant.
Uitrustingen die niet speciaal ontworpen of vervaardigd worden voor de productie van zwaar water, kunnen samengevoegd worden in installaties die wel bedoeld zijn voor de productie van zwaar water. Voorbeelden hiervan zijn de vervaardiging van de katalysator die gebruikt wordt in het ammoniakwaterstof uitwisselingsprocedé en de distillatiekolommen gebruikt in beide procedés voor de concentratie van zwaar water om een product te bekomen dat kan gebruikt worden in kernreactoren.
De volgende uitrustingen zijn speciaal ontworpen of vervaardigd voor de productie van zwaar water:
- a)
- Wisseltorens voor het zwavelwaterstofwater procedé:
Wisseltorens vervaardigd uit fijn koolstofstaal (bijvoorbeeld ASTM A 516) met een diameter tussen 6 m en 9 m, bestand tegen een werkdruk van 2 MPa of meer en met een corrosiebestendige laag van minstens 6 mm, speciaal ontworpen of vervaardigd voor de productie van zwaar water door middel van het zwavel water stofwater procedé.
- b)
- Aanjagers en compressoren:
Aanjagers en compressoren bestaande uit één trap die werken bij een lage druk (0,2 MPa) bestemd voor de circulatie van zwavelwaterstof (dit wil zeggen een gas dat meer dan 70 % H2S bevat), speciaal ontworpen of vervaardigd voor de productie van zwaar water door middel van het water-zwavelwaterstofprocédé.
Deze aanjagers en compressoren hebben een debiet van ten minste 56 m3/s wanneer de aanzuigdruk ten minste 1,8 MPa bedraagt en zijn uitgerust met dichtingen bestand tegen een vochtige atmosfeer die H2S bevat.
- c)
- Ammoniak-waterstofwisseltorens:
Wisseltorens met een hoogte van 35 m of meer en een diameter tussen 1,5 m en 2,5 m die bestand zijn tegen een werkdruk van 15 MPa, speciaal ontworpen of vervaardigd voor de productie van zwaar water door middel van het ammoniak-waterstof uitwisselingsprocedé. Deze torens hebben ten minste één axiale opening met dezelfde diameter als het cilindrisch gedeelte, waarlangs de interne delen kunnen ingebracht of verwijderd worden.
- d)
- Inwendige delen en pompen:
Speciaal ontworpen of vervaardigde onderdelen en pompen voor gebruik in ammoniak-waterstofwisseltorens voor de productie van zwaar water. Deze omvatten toestellen die het contact tussen de vloeistof en het gas bevorderen. De pompen omvatten dompelpompen die speciaal ontworpen zijn voor de circulatie van de vloeibare ammoniak in een contactzone van een trap.
- e)
- Ammoniakkrakers:
Speciaal ontworpen of vervaardigde ammoniakkrakers bestemd voor de productie van zwaar water door middel van het ammoniak-waterstofprocedé waarbij de werkingsdruk ten minste 3 MPa bedraagt.
- f)
- Infrarood absorptie-analysetoestellen:
Toestellen die de verhouding waterstof/deuterium kunnen bepalen wanneer de deuteriumconcentratie 90 % of meer bedraagt zonder dat het productieproces hiervoor moet onderbroken worden.
- g)
- Katalytische branders:
Speciaal ontworpen of vervaardigde toestellen voor de omzetting van verrijkt deuterium in zwaar water in het ammoniak-waterstofprocedé.]
