ガードラー硫化物プロセス

ガードラー硫化物（GS）プロセス（ガイブ・スペバック（GS）プロセスとも呼ばれる）^{[ 1 ]}は、天然水から重水（重水、D2O _）を抽出する工業生産方法です 。重水は、粒子研究、重水素NMR分光法、陽子NMR分光法用の重水素化溶媒、重水炉（冷却材および減速材として）、重水素化医薬品などに使用されます。

1943年、カール＝ヘルマン・ガイブとジェローム・S・スペバックはそれぞれ独立してこのプロセスを発明した。^{[ 2 ]}このプロセスは、それを実装した最初のアメリカの工場を建設したガードラー社にちなんで名付けられた。

この方法は同位体交換プロセスであり、水素の同位体が硫化水素（H₂S _）と水（H₂O _） （「軽い」水とも呼ばれる）の間で交換され、いくつかの段階を経て重水が生成されます。このプロセスは非常にエネルギー集約的です。^{[ 3 ]}

1997年に閉鎖されるまで、オンタリオ州のブルース重水プラント（ダグラスポイントとブルース原子力発電所と同じ敷地内）は、年間最大生産能力1600トン（プラント1基あたり年間800トン、ピーク時には2基のプラントがフル稼働）を誇る世界最大の重水生産プラントでした。重水の製造にはガードラー硫化物法が用いられ、1単位の重水を生産するには質量で34万単位の原料水が必要でした。^{[ 4 ]}

インドの重水委員会が初めてガードラー法を採用した施設は、ラジャスタン州コタ近郊のラワトバタにある。これに続いて、アンドラプラデーシュ州マヌグルにさらに大きなプラントが建設された。他のプラントは、例えば米国やルーマニアにも存在する。 ^{[ 5 ]}ルーマニア、インド、そしてかつて世界の重水需要の大部分を供給していたカナダは、いずれも重水炉を稼働させており、ルーマニアのチェルナヴォダ原子力発電所にある2基で同国の重水炉の全数を構成し、インド（主にIPHWR）とカナダ（すべてCANDU）にはそれぞれ数基ずつ存在する。

各工程は2つの篩板塔から構成される。一方の塔は30 ℃（86 °F）に保たれ、「低温塔」と呼ばれ、もう一方の塔は130 ℃（266 °F）に保たれ、「高温塔」と呼ばれる。濃縮プロセスは、30 ℃と130 ℃における分離能の差に基づいている。      

関心のあるプロセスは平衡反応であり、

30  °Cでは平衡定数K = 2.33 であり、130  °C では K = 1.82 である。この差は重水中の重水素を濃縮するために利用される。^{[ 6 ]}

硫化水素ガスは、冷塔と温塔の間を閉ループで循環します（これらは別々の塔でも、1つの塔の別々のセクションでも構いません。冷塔は上部にあります）。 脱塩・脱気された水が冷塔に供給され、そこで硫化水素ガスから液体の水へ重水素が優先的に移動します。通常の水が温塔に供給され、そこで液体の水から硫化水素ガスへ重水素が移動します。カスケードシステムでは、両方の入力に同じ水が使用されます。このメカニズムは平衡定数の差によるものです。冷塔では、硫化水素中の重水素濃度が低下し、水中の濃度が上昇します。温ループ内の重水素はわずかに硫化水素中に存在することを好むため、冷塔に比べて硫化水素中の重水素が過剰になります。高温塔への投入水中のプロチウム1モルあたりn モルの重水素が存在する場合、硫化水素中のプロチウム1モルあたりn / 1.82モルの重水素が存在する。低温塔では、この重水素の一部が平衡定数に従って低温塔への投入水に移行する。低温塔への投入時点では、両方の投入流の重水素濃度が等しいため、上記の式における生成物と反応物の比は1.82となる。化学平衡は、この比を修正するために、より多くの重水素を水に押し込もうとする。理想的には、水と硫化水素の量が等しい場合、低温塔からは投入時よりも12%重水素濃度が高い水が出力されるはずである。低温塔からは重水素濃縮水が、高温塔からは重水素枯渇水が出力される。

適切なカスケードシステムを用いることで濃縮が実現する。濃縮された水は別の分離装置に送られ、さらに濃縮される。

通常、このプロセスでは、水は 15 ～ 20% D ₂ O まで濃縮されます。さらに「原子炉グレード」の重水 (> 99% D _{2 O) まで濃縮するには、}蒸留などの別のプロセスが必要です。^{[ 7 ] [ 8 ]}