重水(核反应堆里的重水是什么，能喝吗？喝过的勇士竟然都说有点甜？)

世界上总是会有一些奇奇怪怪的问题，就比如重水能不能喝，是什么味道的？

什么是重水？简单来说就是分子中的氢被替换为氘的水。氢原子在自然界有三兄弟，分别是氢－1、氢－2、氢－3，为了方便一般叫它们氕氘氚。

这三兄弟的差别主要在于原子核的中子数量，氕就是我们一般语境中默认的氢，由一个质子和一个电子组成，而氘要比氕多一个中子，氚则多两个。

自然界中绝大多数氢都是以氕的形式存在，相对丰度达到99.9844%，而氘的丰度相对较低，约0.0156%，至于氚，由于丰度低于0.001%，一般记为痕量。

最近日本福岛的核废水事件中，氚的含量就是重点讨论的问题。

氚具有放射性，发生β衰变，半衰期为12.43年，衰变产物氦-3太轻会逃逸到宇宙中。氚在自然界中含量极少，一般认为是宇宙辐射与上层大气中的氢相互作用产生，总量大概只有7.3千克，而自核技术诞生以来，人类制造出的氚已经超过了自然存量的5倍。

氕氘氚三兄弟虽然在原子组成上有所不同，但是它们的化学性质差距却微乎其微，三者与氧反应都能生成水，称为H2O、D2O（Deuterium oxide）和T2O（Tritium oxide），D2O和T2O俗称重水和超重水。

也正因为三者的很多性质都一样，氚也是核废水中最难分离去除的物质。含有氚的超重水有什么危害自然不必过多解释，放射性三个字已经概括了很多。

不过，没有放射性的重水要比超重水有意思得多。

重水几乎是伴随着氘的发现而被人所知的，1931年美国科学家哈罗德·克莱顿·尤里（Harold Clayton Urey）发现了氢的同位素氘，之后他也因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。

1933年，尤里的导师吉尔伯特·牛顿·路易斯（Gilbert Newton Lewis）通过电解水的方式制得了0.5毫升重水，纯度为65.7%。

早年间制取重水的方法就是简单粗暴的电解水，从现象上来看，电解水时阴极产生的氢气中所含轻同位素的比例更高一些，留在电解池内的水中氘的含量就变高了。

电解法制重水的原理涉及动力学同位素效应，同位素之间虽然化学性质极为相近，但在反应速率上有差异，平衡常数也不同。

反应速率的变化与核量子效应有关，简单来说是由于较重的同质异形体拥有更低的震动频率，在大多数情况下需要更多的能量才能使化学键断裂。

不过，天然水中的氘并不一定都以D2O的形式存在，更大概率是以HDO（半重水）的形式存在。在电解法制重水的过程中，当HDO分子达到一定比例后，水分子间还会发生交换氢离子的现象，D2O的比例变得更高。

当电解制取重水的方法出现后，很快就被应用到实际中。就在路易斯制得高纯度重水的次年，1934年，挪威建起了Venmork水力发电厂，利用丰富的水力资源来电解水制氢，用于生产硝酸盐化肥。

商机就藏在其中，生产化肥需要的是电解水产生的氢气，而留在电解池里的不就是重水吗？虽然实际的情况没有那么简单粗暴，但方向是正确的。

果不其然，制氢厂对电解的残留物进行分析，发现当中氘与氢（氕）的比例为1:48，远远高于天然的1：6400，虽然大多数是以HDO半重水的形式存在，但也极具价值。

于是挪威水电公司接受了制氢厂负责人提出的建议，从电解液的副产物中制取重水，虽然过程需要大量联级电解室和消耗大量电力，但这并不妨碍挪威水电公司成为最早向科学界供应重水的厂商。

然而，重水的故事才刚刚开始。德国人在1938年末发现了中子轰击铀能引发核裂变，苏联人在1939年末得出结论，重水和石墨是铀反应堆的仅有的可行缓和剂，反应堆需要大约15吨重水。

重水因为能够使链式核反应产生的中子减速而成为了战略级的物质，各国都极其重视。1940年到二战期间，挪威的重水工厂一直处于纳粹德国的控制之下，并大量采购几乎所有的重水。

为了阻止纳粹的核研究，盟军发动了一系列针对重水工厂的突袭破坏行动，为世界做出了一定的贡献，当然从马后炮的角度来看，当时挪威重水工厂即便马力全开也很难产出足够反应堆运行的重水。

总之，重水刚刚出现在人们的视野中就与核反应关联上了，以至于很多人对它的第一印象就是极度危险，实际上并非如此。

那个年代科学家的好奇心的是无穷的，早在氘被发现后不久就已经有人把重水喝下了肚。

乔治·赫维西（GeorgeCharles de Hevesy）和氘的发现者尤里是好朋友，1934年赫维西找尤里搞来了几升重水，当然纯度不是特别高，只有0.6%。

赫维西把这些重水喝掉了，目的是将氘作为示踪剂来研究人体对水的代谢，最终得出结论，水分子在人体内平均停留时间为13±1.5天。

这不是传说，赫维西是示踪剂研究的先驱，因为这方面的研究获得了1943年的诺贝尔化学奖，后来在纳粹占领丹麦时，他用王水把诺奖金牌溶了，大家感兴趣的话可以单独讲讲老哥的故事。

总之，大家一直都对喝重水这件事非常好奇，首先是它的毒性。

可以明确的一点是，现在我们通过合法途径购买到的高纯度重水（氧化氘），在容器的标签上大概率会写有安全性警告，或者是仅用于实验等提醒，这里不建议任何人尝试饮用重水。

首先，对于大多数天然同位素而言，它们的差异太小，以至于几乎无法产生生物学效应。氢算是比较特殊的，氘虽然之比氕多了一个中子，但原子量已经翻倍，更何况水是地球生物非常重要的溶剂，一些细微的化学性质差异就可能会对生物体产生影响。

目前已知的一些影响，包括对昼夜节律周期变长，现象可以在单细胞生物、绿色植物、昆虫、鸟类、小鼠等生物中观察到。

更重要的是对生物体内重要化学反应的影响，由于重水的氢键更强，很多依靠氢键的生化反应会被影响。植物在高浓度重水的环境下会死亡，动物如小鼠、大鼠和狗，在体内D2O达到25%以上会不育，鱼类在90%以上的重水中会迅速死亡。

哺乳动物被投喂重水后约一周后会死亡，此时它们体内的水有50%左右已经被替换为D2O，原因为氘抑制细胞分裂。

听起来喝重水还是一件挺可怕的事，不过除了那些为了研究而被饲养的动物外，人类几乎不可能会接触到如此大量的重水。

而且，氘作为天然的氢同位素，人体中也含有一定量的氘，以50千克体重算，一个人体内约含有32千克的水，其中约有1.1克的氘，换算过来相当于5.5克的纯重水。

而一般认为人体内的水要有一般有25%~50%被替换为D2O才有可能产生毒性，显然这种情况几乎不可能出现，也不用脑洞大开构思一个“重水杀人案”，以今天重水与纯银相当的价格来看，不说了，你们自己算。

尽管理论上不建议任何人饮用重水，实际上还是有无数人或公开或非公开地喝过重水，原因说起来很离奇，因为大家都好奇重水究竟是不是甜的。

虽然早期，比如氘的发现者尤里本人，以及挪威克劳斯 汉森教授在尝试重水后得出了不太统一的答案，前者认为重水和普通水无异，后者认为重水有点辣嘴。

这些有可能是当时制备重水技术不成熟，纯度不足以及含有杂质等因素造成的。但到了今天，我们可以在购买到纯度达到99.98%的重水，有很多偷尝禁水的人都表示“有点甜”。

说起来非常奇怪，水怎么会有甜味呢？根据YouTube Thunderf00t频道的实验，他设计了简单的盲测实验，被试者将会品尝不同的水，每次仅有三滴。

为了排除可能因分子量带来的差异，他还花重金搞来了重氧水，即氢与氧-18生成的水，分子量为20，与重水相当。

结果几乎所有被试者都能在三种水（普通水、重水、重氧水）中区分出重水，只靠三滴并且非常迅速，可以说比较明显。

在另一项由娜塔莉·本·阿布主导的实验中，28名参与者在开鼻式味觉测试中有22名准确区分出了重水，根据他们的主观反馈，纯重水的甜味显著，但比较轻微，平均甜度为3.3±0.4（1无感，3轻微，5中等，7非常，9齁甜）。

为了进一步研究重水产生甜味的原因，他们团队还做了小鼠实验，但是实验的结果有些出人意料。已知小鼠对蔗糖水有较强的偏好，但却对重水没有偏好，其他的长期喂养实验甚至观察到小鼠表现出对重水的厌恶。

也就是说，小鼠可能尝不出重水的甜味，但也可能通过其他特征分辨出重水，一种猜测是喝下重水后小鼠的身体出现了不适，毕竟它们体型小，重水带来的影响更为显著。

不过，这也给研究带来了方向，重水产生甜味的原因来自于人类特有而啮齿类没有的甜味受体，后确定为TAS1R2 / TAS1R3受体。

进一步的实验通过作用于TAS1R2/ TAS1R3受体的甜味抑制剂也证明了重水甜味的来源。不过实验仍没有找到确切的点位和作用机理，但可以确定是由于核量子效应，D2O的氢键更强，因此蛋白质在D2O中刚性和致密性也更强，这或许是我们感受到甜味的原因。

正所谓“遇事不决，量子力学“，其实真正的含义是让你举棋不定的时候喝一口水冷静冷静，用你的TAS1R2 / TAS1R3受体感受那3200分之一的回甘。

最后，恭喜你看完本文，收获了一条无用知识：当你面前的两杯水中有一杯是重水，辨别它们的最快方法就是——喝一口（误）。

Natalie Ben Abu, Philip E. Mason, Hadar Klein, Nitzan Dubovski, Yaron Ben Shoshan-Galeczki, Einav Malach, Veronika Pražienková, Lenka Maletínská, Carmelo Tempra, Victor Cruces Chamorro, Josef Cvačka, Maik Behrens, Masha Y. Niv & Pavel Jungwirth. Sweet taste of heavy water[J]. CommunicationsBiology,2021,4(1).

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