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piscine nucléaire avec radiation de cherenkov
Tout le monde sait que l’eau est une molécule qui se note $\text{H}_2\text{O}$ : deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène.

L’hydrogène est l’élément le plus simple, constitué d’un proton et d’un électron. Certains atomes d’hydrogène sont différents : ils ont un neutron en plus. Les éléments avec plus ou moins de neutrons sont appelés des isotopes. L’isotope de l’hydrogène est appelée deutérium — symbole $\text{D}$ ou $^2\text{H}$. Le deutérium est un atome stable qui possède globalement les mêmes propriétés chimiques que l’hydrogène (ce qui est normal car ça reste de l’hydrogène). Il peut donc se retrouver dans les molécules ordinaires, comme l’eau.

Ainsi, en formant une molécule d’eau avec deux atomes de deutérium, soit du $\text{D}_2\text{O}$, la molécule possède deux neutrons en plus et elle pèse donc plus lourd : on parle alors d’eau lourde. La différence en de masse par rapport à une molécule d’eau normale est tout de même de 10 %.

Cette différence est suffisante pour être visible : par exemple, un glaçon d’eau lourde coule dans de l’eau normale (alors que les glaçons normaux flottent).

Dans la nature, seulement 0,015 6 % de l’hydrogène est du deutérium. Statistiquement, donc, une molécule d’eau sur 41 000 000 est de l’eau lourde, et une molécule d’eau sur 3 200 voit un seul hydrogène remplacé par du deutérium. On appelle cette dernière eau semi-lourde.

Des procédés, existent pour extraire l’eau lourde à partir d’eau normale : la température d’ébullition de l’eau lourde est très légèrement supérieure à l’eau normale et on peu le distiller ainsi. On utilise aussi des systèmes de centrifugeuses.
Pour finir sur le deutérium et vous donner une idée, sachez que vous trouverez un peu moins de deux grammes d’eau semi-lourde dans un pack d’eau de source. Et votre corps, constitué majoritairement d’eau, contient également 5 à 10 grammes d’eau semi-lourde (et seulement quelques milligrammes d’eau lourde) !

Maintenant, de même qu’il existe des isotopes d’hydrogène, il existe des isotopes d’oxygène, eux aussi plus lourds que la normale : par exemple l’oxygène 18 avec deux neutrons supplémentaires.
Si on a deux hydrogènes normaux sur un atome de $^{18}\text{O}$, on obtient de l’eau lourde aussi, mais pas pour les mêmes raisons et elle n’est pas vraiment considérée comme de « l’eau lourde » (en fait on le désigne sous le nom « eau à oxygène lourd »).

Vous l’aurez compris : il est également de faire de l’eau super-lourde : avec deux atomes de deutérium sur un atome $^{18}\text{O}$. Cette molécule d’eau possède 4 neutrons supplémentaires et pèse 20 % de plus que l’eau normale.

Enfin, il se trouve que l’hydrogène a un second isotope naturel, beaucoup plus rare (et instable) : le tritium — symbole $\text{T}$ ou $^3\text{H}$ — avec deux neutrons en plus.
Là aussi, il est imaginable d’avoir une molécule contenant un atome $^{18}\text{O}$ et deux atomes de tritium. Une telle molécule serait excessivement rare dans la nature : statistiquement, on a seulement une chance sur 50 milliard de milliard de milliard de la trouver. Cette molécule a un excès de masse de 30 %

Il est impensable de produire des quantités d’eau super-super-lourde avec du tritium et un isotope d’oxygène. Mais l’eau lourde classique, le $\text{D}_2\text{O}$ n’est pas un produit rare (tout est relatif, hein) et est utilisé dans le domaine médical et l’industrie nucléaire.

image du Oak Ridge National Laboratory

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

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