Eau lourde : qu'est-ce que c'est ?

Rappelons avant tout que les molécules d’eau sont composées d'hydrogène et d'oxygène selon la formule suivante : H₂O. Les physiciensphysiciens appellent eau lourde - ou parfois oxyde de deutérium --, une eau dans laquelle les atomes d'hydrogène de l'eau sont remplacés par des atomes de deutérium noté ²H ou D.

Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène. Sa découverte en 1931 a valu un prix Nobel de chimie à Harold Clayton Urey. Et si les physiciens parlent d'eau lourde lorsque le deutérium vient remplacer l'hydrogène, c'est tout simplement parce que le deutérium est deux fois plus lourd que l'hydrogène. Son noyau, en effet, comporte un neutron en plus du protonproton présent dans les atomes d'hydrogène.

Les moléculesmolécules d'eau lourde naturellement présentent dans l'eau peuvent être séparées de l'eau légère par distillationdistillation ou électrolyseélectrolyse. Mais l'opération, elle aussi, est lourde et surtout coûteuse en énergieénergie. On lui préfère ainsi des procédés chimiques. Profitant du fait que la différence de massemasse qui existe entre hydrogène et deutérium entraîne par exemple une différence dans la vitessevitesse de diffusiondiffusion ou de réaction.

Pendant la Seconde Guerre Mondiale, la bataille de l’eau lourde a fait rage. Les Alliés ont mené des opérations militaires pour détruire une usine de production d’eau lourde en Norvège alors que l’Allemagne ambitionnait de se doter de l’arme nucléaire. © Alchemist-hp, Wikipedia, FAL

Des propriétés physiques presque semblables

Une molécule d'eau sur environ 41.000.000 est en réalité une molécule d'eau lourde, dont la formule s'écrit D₂O ou ²H₂O. Ses propriétés physiques se rapprochent de celles de l'eau légère. L'eau lourde est toutefois environ 10 % plus dense que l'eau légère. Ainsi, un glaçon d'eau lourde tombe au fond d'un verre d'eau légère. Et le point de fusionfusion de l'eau lourde est aussi un peu plus élevé. Il se situe à presque 4 °C.

En revanche, la section efficace de capture des neutrons de l'eau lourde est largement inférieure à celle de l'eau légère : 0,00046 barn contre 0,33 barn. C'est pourquoi l'eau lourde sert de modérateur pour ralentir les neutrons dans certains réacteurs nucléaires. Ainsi, les neutrons peuvent réagir avec l'uraniumuranium-235 qui est fissile et non avec l'uranium-238 qui, lui, produit du plutoniumplutonium-239 sans fissionfission.

L'eau lourde peut aussi servir à la détection de neutrinosneutrinos ou en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire.

Notez qu'il existe également une eau dite semi-lourde ou eau deutérée de formule HDO. Ici, un seul des atomes d'hydrogène est remplacé par un atome de deutérium. Elle est plus fréquente dans la nature que l'eau lourde puisqu'une molécule d'eau sur 3.200 est une molécule d'eau semi-lourde. Mais on trouve aussi une eau super-lourde à base d'oxyde de tritium -- un isotope de l'hydrogène qui possède un proton et deux neutrons -- et de formule T₂O.