Schweres Wasser (Deuteriumoxid) ist chemisch gesehen Wasser, mit der chemischen Summenformel D₂O. Von „normalem“ Wasser mit der Summenformel H₂O unterscheidet es sich dadurch, dass die normalen Wasserstoffatome des Protiums (Symbol H) durch schwere Wasserstoffatome des Isotops Deuterium (Symbol D) ersetzt sind. Normaler Wasserstoff hat nur ein Proton im Atomkern, Deuterium hingegen ein Proton und ein Neutron. Dementsprechend ist die Atommasse und auch Dichte schweren Wassers etwas höher als die von normalem.

Halbschweres Wasser mit der Summenformel HDO enthält hingegen ein normales und ein schweres Wasserstoffatom. Es kommt in der Natur viel häufiger vor als schweres Wasser. Auf der Erde findet sich etwa ein Deuteriumatom auf 7000 Wasserstoffatome.

Überschweres Wasser (Tritiumoxid) enthält Tritium anstelle von Wasserstoff.

Gewinnung

Schweres Wasser wird durch Anreicherung aus herkömmlichem Wasser, in dem es in geringer Menge vorkommt, gewonnen. Wird Wasser elektrolysiert bleibt das schwere Wasser eher unzersetzt zurück während leichtes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.

Ein energetisch effizienteres Verfahren verläuft über die Destillation von Ammoniak oder Schwefelwasserstoff.

Eigenschaften

Schweres Wasser ist weniger reaktionsfähig als normales Wasser und hat eine niedrigere Lösefähigkeit. Darum wirkt schweres Wasser auf die meisten Organismen leicht giftig. Experimente mit Mäusen zeigten, dass die Zellteilung (Mitose) unterdrückt wird. Dadurch wird Gewebe, das schnell erneuert werden muss (z. B. Magenwand), bei fortgesetzter Einnahme von schwerem Wasser in Mitleidenschaft gezogen. Diese Effekte wurden sichtbar, als die Mäuse etwa 50 % ihres Wassers durch schweres Wasser ersetzt hatten. Aggressive Krebserkrankungen sollten zwar auch gebremst werden; der Nutzen einer Therapie mit schwerem Wasser würde aber die Nebenwirkungen wahrscheinlich nicht aufwiegen.

Verwendung

Schweres Wasser wird in einigen Kernkraftwerken (nämlich in Schwerwasserreaktoren wie zum Beispiel Reaktoren des Typ Candu) als Moderator eingesetzt, da es im Vergleich zu gewöhnlichem Wasser bei gleich starker Moderationswirkung weniger Neutronen absorbiert. Dadurch kann bei der Brennstoffherstellung auf die für Leichtwasserreaktoren notwendige Anreicherung des Urans verzichtet werden.

Schweres Wasser wird in der NMR-Spektroskopie für die Messung von wasserlöslichen Verbindungen verwendet, insbesondere von Proteinen und Nukleinsäuren für Messungen zur NMR-Strukturaufklärung.

Weiterhin wird schweres Wasser zur gezielten chemischen Synthese selektiv deuterierter Verbindungen verwendet.

Da niedere Organismen auch in reinem schweren Wasser überleben können, gelingt es aus solchen Organismen hochkomplexe Naturstoffe zu isolieren, bei denen alle Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind.

Schweres Wasser kann zur Bestimmung des Körperwassers (Indikatorverdünnung) verwendet werden.

Zweiter Weltkrieg

In den Kriegsjahren 1942 bis 1944 wurde das norwegische Rjukan Schauplatz einer brisanten Auseinandersetzung. Dort befand sich seit 1934 im Wasserkraftwerk Vemork die einzige europäische Fabrik (Norsk Hydro), die durch ihren immensen Energieüberschuss schweres Wasser in nennenswerten Mengen herstellen konnte. Ende der 1930er Jahre hatten deutsche Wissenschaftler unter der Führung von Werner Heisenberg das Prinzip der nuklearen Kettenreaktion entdeckt, woraus nach dem Ausbruch des Zweiten Weltkriegs ein Wettlauf mit den Alliierten um die Kontrolle über die Fabrik begann. Für das deutsche Uranprojekt war dabei die Verwendung von schwerem Wasser als Moderator eines Versuchsreaktors vorgesehen, mit dem unter anderem waffenfähiges Plutonium hätte hergestellt werden können.

Die Anlage in Rjukan geriet somit ins Fadenkreuz der Alliierten, ihre Ausschaltung konnte die deutsche Atomwaffenforschung auf einen Schlag neutralisieren: Nach mehreren Rückschlägen werden am 27. Februar 1943 mit Hilfe von zwölf norwegischen Special Operations Executive Kommandosoldaten, die sich in der Hochebene von Hardangervidda verstecken, die Sprengung an der Hochkonzentrieranlage für schweres Wasser der Norsk Hydro Werke durchgeführt. Nach wenigen Wochen war der Schaden wieder behoben und die Deutschen Besatzer liessen die Produktion wieder anlaufen. Es folgten mehrere alliierte Bombenangriffe auf die danach wiederaufgebaute Anlage bis die Deutschen Besatzer sich entschlossen die Anlage aufzugeben und bereits fertige 50 Fässer mitzunehmen. Die Konzentration des Deuteriumoxids schwankte zwischen einem und 99% und wurde durch eine zweistellige Kennziffer auf den Fässern gekennzeichnet, welche für Außenstehende keinen Rückschluss auf die Konzentration zuließ. Die Eisenbahnfähre namens Hydro, beladen mit einem Zehntel der benötigten Menge an schwerem Wasser für den Bau einer Atombombe, wurde am 20. Februar 1944 durch einen Sprengsatz im Maschinenraum sabotiert. Die Fähre sank innerhalb weniger Sekunden auf den 434 m tiefen Tinnsjø (Tinn-See). Fässer mit stark konzentriertem Inhalt waren nur teilweise befüllt und trieben nach dem Untergang an der Wasseroberfläche. Diese wurden von den Deutschen geborgen und drei Wochen nach dem Untergang zu Werner Heisenbergs Reaktor im baden-württembergischen Haigerloch nach Deutschland versandt.

Werner Heisenberg hatte bis zur letzten Minute des Krieges versucht, eine Kettenreaktion auszulösen. Hierfür versenkte er ein Gittermodell mit 664 Uranwürfeln in einem Metallcontainer befüllt mit schwerem Wasser. Den unkritischen Punkt für eine Kettenreaktion verfehlte das Experiment nur um wenige Prozent. In den Gewölben unterhalb der Schlosskirche in besagter Ortschaft stieß ein amerikanisches Spezialkommando im März 1945 auf den Forschungsreaktor. Zwei Tage zuvor hatte der Forscher das Geheimlabor verlassen und wurde später in Großbritannien interniert.

Israel

Großbritannien hat 1958 nach Recherchen der BBC 20 Tonnen schweres Wasser für das im Aufbau befindliche Nuklearprogramm Israels geliefert. Die Entscheidung über die Lieferung erfolgte ohne Anweisung des Außenministeriums oder der britischen Atombehörde. Das schwere Wasser wurde den Angaben zufolge für die Produktion von Plutonium im streng abgeschirmten Kraftwerk Dimona in der Negev-Wüste verwendet.

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