Chủ nhật, 01/11/2026
Logo Cơ quan thường trực 81 (SOVNPA 81) Cơ quan đầu mối quốc gia Việt Nam
về phòng, chống phổ biến vũ khí hủy diệt hàng loạt
Cơ quan thường trực 81

6.Nhà máy sản xuất hoặc làm đậm đặc nước nặng, đơteri và các hợp chất đơteri và thiết bị được thiết kế đặc biệt hoặc chế tạo đặc biệt cho nhà máy đó

Danh mục
NSG – Danh mục kích hoạt (Phần 1) – INFCIRC/254/Rev.15/Part 1 (21/4/2026)
CHÚ THÍCH MỞ ĐẦU
Nước nặng có thể được sản xuất bằng nhiều quy trình khác nhau. Năm quy trình được trình bày ở đây. Các quy trình cũ hơn đã được chứng minh là khả thi về mặt thương mại gồm quy trình trao đổi nước – hydro sulfua, quy trình Girdler-Sulphide (GS) và quy trình trao đổi amoniac – hydro. Ba quy trình mới hơn, được trình diễn lần đầu vào đầu những năm 2000, dựa trên trao đổi hydro – nước có xúc tác và đã được chứng minh là có tiềm năng sản xuất hoặc nâng cấp nước nặng ở quy mô công nghiệp với hiệu quả kinh tế thuận lợi. Các quy trình đó là: Điện phân kết hợp trao đổi xúc tác (CECE), Reforming công nghiệp kết hợp trao đổi xúc tác (CIRCE) và Trao đổi hydro – nước hai nhiệt độ (BHW).
Quy trình GS dựa trên sự trao đổi hydro và đơteri giữa nước và hydro sulfua trong một dãy tháp được vận hành với phần trên lạnh và phần dưới nóng. Nước chảy xuống theo các tháp trong khi khí hydro sulfua tuần hoàn từ dưới lên trên các tháp. Một dãy các khay đục lỗ được sử dụng để tăng cường sự hòa trộn giữa khí và nước. Đơteri di chuyển sang nước ở nhiệt độ thấp và sang hydro sulfua ở nhiệt độ cao. Khí hoặc nước đã được làm giàu đơteri được lấy ra khỏi các tháp bậc thứ nhất tại điểm nối giữa phần nóng và phần lạnh, và quy trình được lặp lại trong các tháp của các bậc tiếp theo. Sản phẩm của bậc cuối cùng, là nước đã được làm giàu đơteri đến 30% theo khối lượng, được đưa sang một tổ chưng cất để sản xuất nước nặng cấp lò phản ứng; tức là đơteri oxit (D₂O) 99.75% theo khối lượng.
Quy trình trao đổi amoniac – hydro có thể chiết đơteri từ khí tổng hợp thông qua tiếp xúc với amoniac lỏng (NH₃) trong sự có mặt của chất xúc tác. Khí tổng hợp được nạp vào các tháp trao đổi và vào một thiết bị chuyển đổi amoniac. Trong các tháp, khí đi từ dưới lên trên trong khi NH₃ lỏng chảy từ trên xuống dưới. Đơteri được tách khỏi hydro trong khí tổng hợp và được làm đậm đặc trong NH₃. Sau đó NH₃ chảy vào một thiết bị cracking amoniac ở đáy tháp trong khi khí đi vào một thiết bị chuyển đổi amoniac ở đỉnh tháp. Việc làm giàu tiếp theo diễn ra ở các bậc sau và nước nặng cấp lò phản ứng được sản xuất thông qua chưng cất cuối cùng. Khí tổng hợp nạp vào có thể được cung cấp bởi một nhà máy amoniac, mà nhà máy này lại có thể được xây dựng cùng với một nhà máy nước nặng theo quy trình trao đổi amoniac – hydro. Quy trình trao đổi amoniac – hydro cũng có thể sử dụng nước thường làm nguồn nạp đơteri.
Nhiều hạng mục thiết bị chủ yếu của nhà máy sản xuất nước nặng sử dụng quy trình GS hoặc quy trình trao đổi amoniac – hydro cũng được dùng phổ biến trong nhiều phân ngành của công nghiệp hóa chất và dầu khí. Điều này đặc biệt đúng với các nhà máy nhỏ sử dụng quy trình GS. Tuy nhiên, rất ít hạng mục có sẵn ‘trên thị trường’. Quy trình GS và quy trình amoniac – hydro đòi hỏi phải xử lý khối lượng lớn các chất lỏng dễ cháy, ăn mòn và độc ở áp suất cao. Do đó, khi xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế và vận hành cho nhà máy và thiết bị sử dụng các quy trình này, cần hết sức chú ý đến việc lựa chọn vật liệu và các đặc tính kỹ thuật để bảo đảm tuổi thọ làm việc dài với hệ số an toàn và độ tin cậy cao. Việc lựa chọn quy mô chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố kinh tế và nhu cầu. Do đó, phần lớn các hạng mục thiết bị sẽ được chế tạo theo yêu cầu của khách hàng.
Cuối cùng, cần lưu ý rằng, trong cả quy trình GS và quy trình trao đổi amoniac – hydro, các hạng mục thiết bị mà riêng lẻ không phải được thiết kế đặc biệt hoặc chế tạo đặc biệt cho việc sản xuất nước nặng vẫn có thể được lắp ghép thành những hệ thống được thiết kế đặc biệt hoặc chế tạo đặc biệt để sản xuất nước nặng. Hệ thống sản xuất chất xúc tác được sử dụng trong quy trình trao đổi amoniac – hydro và các hệ thống chưng cất nước được sử dụng để làm đậm đặc nước nặng ở bước cuối cùng lên cấp lò phản ứng trong cả hai quy trình là những ví dụ về các hệ thống như vậy.
Trong ba quy trình sản xuất nước nặng chủ yếu sử dụng trao đổi hydro – nước, hai quy trình (CECE và CIRCE) chỉ khả thi khi được tích hợp vào các quy trình sản xuất hydro quy mô lớn, nơi hydro được sản xuất cho các mục đích thương mại khác. Quy trình thứ ba là Trao đổi hydro – nước hai nhiệt độ (BHW) có thể được sử dụng trong một nhà máy độc lập. Tất cả các quy trình này đòi hỏi khối lượng lớn chất xúc tác mạ bạch kim chống thấm ướt chuyên dụng được lắp đặt trong các cột cao để bảo đảm tiếp xúc tốt với nước chảy xuống. Quy trình CECE đòi hỏi các cột trao đổi chứa chất xúc tác mạ bạch kim chống thấm ướt đó phải được cấp hydro từ một thiết bị điện phân nước nhận nước nạp từ các cột trao đổi. Theo cách này, đồng vị nặng hơn (đơteri) sẽ tích tụ nồng độ trong thiết bị điện phân nhận nước nạp từ các cột trao đổi. Hệ thống điện phân có thể tích tụ nồng độ đơteri của nó lên tới mức gần như nước nặng tinh khiết. Trên thực tế, quy trình sẽ được chia bậc và bậc thứ nhất quy mô lớn thường làm tăng nồng độ đơteri lên từ 5 đến 20 lần. Quy trình CIRCE tương tự, nhưng sử dụng thiết bị reforming hydrocacbon bằng hơi nước làm nguồn hydro, đồng thời cung cấp cho thiết bị reforming nguồn nước để tạo hơi. Trong tất cả các nhà máy này, quy trình CECE thường được sử dụng làm bậc cuối cùng để sản xuất nước nặng cấp lò phản ứng. Cần lưu ý rằng các nhà máy sản xuất hydro lớn nhất trên thế giới sản xuất đủ hydro để chiết khoảng 20-60 Mg nước nặng mỗi năm bằng quy trình CECE hoặc CIRCE. Quy trình BHW về mặt nguyên lý giống như quy trình GS, nhưng sử dụng hydro thay cho hydro sulfua cùng với một chất xúc tác để tăng cường sự chuyển đơteri. Theo cách bố trí tương tự quy trình GS, quy trình BHW khai thác ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tỷ lệ cân bằng đơteri giữa nước và hydro. Cân bằng giảm khi nhiệt độ tăng. Khi nước chảy xuống qua các tháp lạnh ở trên và các tháp nóng ở dưới, đơteri được làm giàu giữa các tháp đó trong khi hydro lần lượt tuần hoàn lên qua các tháp nóng và tháp lạnh. Nước được lấy ra từ khoảng giữa tháp lạnh và tháp nóng được đưa lên các bậc cao hơn để làm giàu đơteri tiếp. Quy trình BHW có thể được xây dựng ở bất kỳ quy mô sản xuất nào.
Linh kiện then chốt trong các quy trình này rõ ràng là chất xúc tác mạ bạch kim chống thấm ướt chuyên dụng, loại đã được chứng minh là tương đối khó sản xuất ở quy mô lớn với chi phí hợp lý. Điều kiện vận hành là ôn hòa, với các chất lỏng và chất xúc tác không độc, áp suất từ áp suất khí quyển đến khoảng 4 MPa và nhiệt độ trong khoảng từ 293 K (20 °C) đến 473 K (200 °C). Không có thiết bị nào khác biệt đáng kể so với thiết bị được sử dụng trong các phân ngành khác nhau của công nghiệp quy trình hóa học, ngoài chất xúc tác mạ bạch kim chống thấm ướt.
Các hạng mục thiết bị được thiết kế đặc biệt hoặc chế tạo đặc biệt cho việc sản xuất nước nặng sử dụng bất kỳ công nghệ nào được mô tả trên đây bao gồm:
Nguyên văn tiếng Anh
INTRODUCTORY NOTE
Heavy water can be produced by a variety of processes. Five processes are demonstrated here. Older processes that have proven to be commercially viable are the waterhydrogen sulphide exchange process, the Girdler-Sulphide (GS) process, and the ammonia-hydrogen exchange process. Three newer processes first demonstrated in the early 2000s, are based on catalysed hydrogen-water exchange and have been shown to have the potential for production or upgrading of heavy water on an industrial scale with favourable economics. These processes are: Combined Electrolysis and Catalytic Exchange (CECE), Combined Industrial Reforming and Catalytic Exchange (CIRCE) and Bithermal Hydrogen-Water exchange (BHW).
The GS process is based upon the exchange of hydrogen and deuterium between water and hydrogen sulphide within a series of towers which are operated with the top section cold and the bottom section hot. Water flows down the towers while the hydrogen sulphide gas circulates from the bottom to the top of the towers. A series of perforated trays are used to promote mixing between the gas and the water. Deuterium migrates to the water at low temperatures and to the hydrogen sulphide at high temperatures. Gas or water, enriched in deuterium, is removed from the first stage towers at the junction of the hot and cold sections and the process is repeated in subsequent stage towers. The product of the last stage, water enriched up to 30% by weight in deuterium, is sent to a distillation unit to produce reactor grade heavy water; i.e., 99.75% by weight deuterium oxide (D₂O).
The ammonia-hydrogen exchange process can extract deuterium from synthesis gas through contact with liquid ammonia (NH₃) in the presence of a catalyst. The synthesis gas is fed into exchange towers and to an ammonia converter. Inside the towers the gas flows from the bottom to the top while the liquid NH₃ flows from the top to the bottom. The deuterium is stripped from the hydrogen in the synthesis gas and concentrated in the NH₃. The NH₃ then flows into an ammonia cracker at the bottom of the tower while the gas flows into an ammonia converter at the top. Further enrichment takes place in subsequent stages and reactor grade heavy water is produced through final distillation. The synthesis gas feed can be provided by an ammonia plant that, in turn, can be constructed in association with a heavy water ammonia-hydrogen exchange plant. The ammonia-hydrogen exchange process can also use ordinary water as a feed source of deuterium.
Many of the key equipment items for heavy water production plants using GS or the ammonia-hydrogen exchange processes are common to several segments of the chemical and petroleum industries. This is particularly so for small plants using the GS process. However, few of the items are available ‘off-the-shelf’. The GS and ammoniahydrogen processes require the handling of large quantities of flammable, corrosive and toxic fluids at elevated pressures. Accordingly, in establishing the design and operating standards for plants and equipment using these processes, careful attention to the materials selection and specifications is required to ensure long service life with high safety and reliability factors. The choice of scale is primarily a function of economics and need. Thus, most of the equipment items would be prepared according to the requirements of the customer.
Finally, it should be noted that, in both the GS and the ammonia-hydrogen exchange processes, items of equipment which individually are not especially designed or prepared for heavy water production can be assembled into systems which are especially designed or prepared for producing heavy water. The catalyst production system used in the ammonia-hydrogen exchange process and water distillation systems used for the final concentration of heavy water to reactor-grade in either process are examples of such systems.
Of the three main heavy water production processes employing hydrogen-water exchange, two (CECE and CIRCE) are only practical when integrated into large hydrogen production processes where hydrogen is being made for other commercial uses. The third process Bithermal Hydrogen-Water exchange (BHW) could potentially be used in a stand-alone plant. All these processes require large quantities of specialised wet-proofed platinised catalysts installed in long columns to provide good contact with the water flowing down. The CECE process requires such wet-proofed platinised catalyst exchange columns to be provided with hydrogen from a water electrolyser that receives its water feed from the exchange columns. In this way, the heavier isotope (deuterium) will build up a concentration in the electrolyser that receives its water feed from the exchange columns. The electrolyser system may potentially build up its deuterium concentration to almost pure heavy water. In practice the process will be staged and the large first stage typically raises the deuterium concentration by a factor between 5 and 20. The CIRCE process is similar, but uses a steam-hydrocarbon reformer as the source of hydrogen, providing the reformer with its source of water for steam. In all these plants, the CECE process is typically used as the final stage to produce reactorgrade heavy water. It should be noted that the largest hydrogen production plants in the world produce enough hydrogen to extract about 20-60 Mg per year of heavy water using a CECE or CIRCE process. A BHW process is conceptually the same as the GS, but using hydrogen instead of hydrogen sulphide with a catalyst to promote the deuterium transfer. In an arrangement analogous to the GS process, the BHW process exploits the effect of temperature on the equilibrium ratio of deuterium between water and hydrogen. The equilibrium falls with rising temperature. As water flows down through upper cold and lower hot towers, deuterium is enriched between them while hydrogen is circulated up through the hot and cold towers in turn. Water taken from between cold and hot towers is sent on to higher stages for further deuterium enrichment. A BHW process could be built for any scale of production.
The key component in these processes is clearly the specialised wet-proofed platinised catalyst that has proven to be relatively difficult to manufacture on a large scale at reasonable cost. Operating conditions are benign, with non-toxic fluids and catalysts, pressure between atmospheric and about 4 MPa and temperatures in the range 293 K (20 °C) to 473 K (200 °C). None of the equipment is significantly different from that used in various part of the chemical process industry other than the wet-proofed platinised catalyst.
The items of equipment which are especially designed or prepared for the production of heavy water utilising any of the technologies described above include the following:

Các mục trong nhóm