重水（也被称为氘水）在二战时期曾被应用于早期核武设计中。重水现在仍被视为核工业的血液。核电站使用重水作为冷却剂，或者用做核裂变反应的中子减速剂。使用重水作为中子减速剂的反应堆就叫重水反应堆，这类反应堆对燃料丰度的要求比传统的轻水堆低，因此可以使用天然状态的铀燃料，而不再需要浓缩铀。比较出名的就是加拿大的坎杜堆-Candu。
——重水或重水产物‘氘气’的其他应用——
重水和氘气也是医药、医学成像和一些分析技术的关键部分。在医药方面，于2017年4月获得美国FDA批准上市的靶向VMAT-2口服抑制剂安泰坦（氘代丁苯那嗪片），就利用了氘代甲氧基在代谢中表现出的高稳定性，从而有效地降低了治疗使用剂量。在半导体行业，氘气被用于芯片的张贴金属退火‘PMA’处理工艺中，可以有效地提高电子元件电性能，延长芯片的使用周期。当然，重水还有很多其他方面的应用，例如核磁共振诊断、水文学、光学纤维以及灯具制造等领域。
——重水产量，制备方法——
重水应用如此广泛，那重水的产量如何？大家可以通过世界整合贸易解决方案数据库-WITS公布的2019年全球重水出口国和进口国的相关数据得出一个大致概念。和其他材料动辄上吨的进出口量相比，重水的计重单位只用了公斤，毫无疑问产量是比较低的。
-2019年，主要重水出口国相关数据：加拿大(34122630美元 , 123269 公斤), 美国(13556350美元 , 183788 公斤), 法国 (4930020美元 , 14921 公斤), 欧盟-德国数据不包含(4109980美金元, 21314 公斤), 德国(864630美元 , 1608 公斤).
– 2019年, 主要重水进口国数据：美国(26807080美元 ，92723公斤), 中国 (5969060美元，重量数据无 ), 欧盟(4513270美元 ，15335公斤), 瑞士 (3587970美元，11849公斤), 新加坡 (3060160美元 , 1095 公斤).
重水-D2O确实是比普通水更重的水，因为重水中的氘是普通水-H2O中氢的同位素。氢原子由一个质子组成，而氘原子则比氢原子多一个中子。重水是自然存在的，随地表水所处地理位置的变化，重水的含量在0.013%（北极）与0.0162%（埃及尼罗河）之间。尽管含量很低，但是地球水体量巨大，因此重水资源其实是很丰富的。然而相比其他元素的同位素，水和重水的性质非常相似。因此水与重水的分离是非常难的。
目前，从自然水中提取重水的主要工业生产方法有：电解法、精蒸馏、冰冻法、化学交换法（水-硫化氢，或水-氨交换）。电解法是最早被采用的方法。它是1933年高纯度的重水第一次被生产出来时采用的方法。不过电解法的效率很低，而且所需能耗极大。精馏法和冰冻法，利用了普通水和重水之间细微的熔点，沸点差别： 普通水的熔点和沸点分别为0 和100 ºC，重水的则是3.82和101.42ºC。这两种方法的缺点是对设备要求高，能耗，成本也相对较高。目前相对经济的方法是化学置换法，其中又以水和硫化氢的双温交换法应用更为广泛。然而，它同样产生大量能耗，而且硫化氢有剧毒和高腐蚀性。因此，亟需一种低能耗，且对环境无害的重水生产方法。
近日，Nature上刊登的一项科研成果引起了各界极大的反响。该项目由由华南理工大学高分子光电材料与器件研究所发光材料与器件国家重点实验室顾成教授团队与日本京都大学综合细胞材料科学研究所北川進教授团体共同完成。技术的核心是一种由铜和碳基聚合物制成的多孔结晶材料。
在适当加热时（数据测试温度范围0-45ºC），材料的碳基部分可以像蜻蜓拍打着翅膀一样“翻转”。作用就像一扇门，使分子能进出材料的孔隙；当材料冷却下来后，被困分子则无法移动。研究人员结合实验观察结果和密度泛函理论计算数据发现，这种‘触发动力学机制’吸收普通水的速度高于重水或半重水。他们的结果显示，在室温条件下，材料对普通水与重水的选择差异依然很明显。这意味着，室温下收集重水变得可行。如果这类技术能够实现工业化生产，那无疑将大大降低重水生产成本。从而可以有效地降低核反应堆和某些药品的生产成本。
——原文链接——
***/10.1038/s41586-022-05310-y
Su, Y., Otake, Ki., Zheng, JJ. et al. Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials. Nature 611, 289–294 (2022).
参考资料：
1. Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa, Cheng Gu. Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials. Nature, 2022; 611 (7935): 289
2. 《国际原子能机构通报》1989年第3期，重水堆的先进技术和设计。
3. D. Lavrencic, “Heavy water production industrial process and plants” 1974年第二版。
4. Shin, HJ., Eadi, S.B., An, YJ. et al. Effect of high-pressure D2 and H2 annealing on LFN properties in FD-SOI pTFET. Sci Rep 12, 18516 (2022).
5. 专利：CN105776437A，罗烈明，‘重水生产设备及其重水生产方法’，2016
6.WITS 主页：Heavy water (deuterium oxide) imports by country in 2019
7.WITS主页： Heavy water (deuterium oxide) exports by country in 2019
8.国际安全组织主页：heavy water production
11. A.I.Miller，‘Heavy water: A manufacturers guide foe the hydrogen century’, 2001.
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