核反應堆里的重水是什么，能喝嗎？喝過的勇士竟然都說有點甜？

世界上總是會有一些奇奇怪怪的問題，就比如重水能不能喝，是什么味道的？

什么是重水？簡單來說就是分子中的氫被替換為氘的水。氫原子在自然界有三兄弟，分別是氫－1、氫－2、氫－3，為了方便一般叫它們氕氘氚，

這三兄弟的差別主要在于原子核的中子數量，氕就是我們一般語境中默認的氫，由一個質子和一個電子組成，而氘要比氕多一個中子，氚則多兩個，

自然界中絕大多數氫都是以氕的形式存在，相對豐度達到99.9844%，而氘的豐度相對較低，約0.0156%，至于氚，由于豐度低于0.001%，一般記為痕量。

最近日本福島的核廢水事件中，氚的含量就是重點討論的問題。

氚具有放射性，發生β衰變，半衰期為12.43年，衰變產物氦-3太輕會逃逸到宇宙中，氚在自然界中含量極少，一般認為是宇宙輻射與上層大氣中的氫相互作用產生，總量大概只有7.3千克，而自核技術誕生以來，人類制造出的氚已經超過了自然存量的5倍，

日本福島百萬噸的核廢水

氕氘氚三兄弟雖然在原子組成上有所不同，但是它們的化學性質差距卻微乎其微，三者與氧反應都能生成水，稱為H2O、D2O（Deuterium oxide）和T2O（Tritium oxide），D2O和T2O俗稱重水和超重水，

也正因為三者的很多性質都一樣，氚也是核廢水中最難分離去除的物質。含有氚的超重水有什么危害自然不必過多解釋，放射性三個字已經概括了很多。

不過，沒有放射性的重水要比超重水有意思得多，

由于重水密度比水大10%，重水冰塊能在水中沉底

重水幾乎是伴隨著氘的發現而被人所知的，1931年美國科學家哈羅德·克萊頓·尤里（Harold Clayton Urey）發現了氫的同位素氘，之后他也因此獲得了1934年的諾貝爾化學獎，

1933年，尤里的導師吉爾伯特·牛頓·路易斯（Gilbert Newton Lewis）通過電解水的方式制得了0.5毫升重水，純度為65.7%。

哈羅德·克萊頓·尤里

早年間制取重水的方法就是簡單粗暴的電解水，從現象上來看，電解水時陰極產生的氫氣中所含氫同位素的比例更高一些，留在電解池內的水中氘的含量就變高了。

電解法制重水的原理涉及動力學同位素效應，同位素之間雖然化學性質極為相近，但在反應速率上有差異，平衡常數也不同，

反應速率的變化與核量子效應有關，簡單來說是由于較重的同質異形體擁有更低的震動頻率，在大多數情況下需要更多的能量才能使化學鍵斷裂。

不過，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，在電解法制重水的過程中，當HDO分子達到一定比例后，水分子間還會發生交換氫離子的現象，D2O的比例變得更高，

當電解制取重水的方法出現后，很快就被應用到實際中。就在路易斯制得高純度重水的次年，1934年，挪威建起了Venmork水力發電廠，利用豐富的水力資源來電解水制氫，用于生產硝酸鹽化肥，

挪威Venmork水力發電廠

商機就藏在其中，生產化肥需要的是電解水產生的氫氣，而留在電解池里的不就是重水嗎？雖然實際的情況沒有那么簡單粗暴，但方向是正確的，

果不其然，制氫廠對電解的殘留物進行分析，發現當中氘與氫（氕）的比例為1:48，遠遠高于天然的1：6400，雖然大多數是以HDO半重水的形式存在，但也極具價值。

于是挪威水電公司接受了制氫廠負責人提出的建議，從電解液的副產物中制取重水，雖然過程需要大量聯級電解室和消耗大量電力，但這并不妨礙挪威水電公司成為最早向科學界供應重水的廠商，

挪威產安瓿裝重水

然而，重水的故事才剛剛開始。德國人在1938年末發現了中子轟擊鈾能引發核裂變，蘇聯人在1939年末得出結論，重水和石墨是鈾反應堆的僅有的可行緩和劑，反應堆需要大約15噸重水。

重水因為能夠使鏈式核反應產生的中子減速而成為了戰略級的物質，各國都極其重視，1940年到二戰期間，挪威的重水工廠一直處于納粹德國的控制之下，并大量采購幾乎所有的重水。

為了阻止納粹的核研究，盟軍發動了一系列針對重水工廠的突襲破壞行動，為世界做出了一定的貢獻，當然從馬后炮的角度來看，當時挪威重水工廠即便馬力全開也很難產出足夠反應堆運行的重水。

盟軍穿越山地高原摧毀納粹控制下的重水工廠

總之，重水剛剛出現在人們的視野中就與核反應關聯上了，以至于很多人對它的第一印象就是極度危險，實際上并非如此，

那個年代科學家的好奇心的是無窮的，早在氘被發現后不久就已經有人把重水喝下了肚。

喬治·赫維西（GeorgeCharles de Hevesy）和氘的發現者尤里是好朋友，1934年赫維西找尤里搞來了幾升重水，當然純度不是特別高，只有0.6%。

赫維西把這些重水喝掉了，目的是將氘作為示蹤劑來研究人體對水的代謝，最終得出結論，水分子在人體內平均停留時間為13±1.5天，

咋？不信嗎？

這不是傳說，赫維西是示蹤劑研究的先驅，因為這方面的研究獲得了1943年的諾貝爾化學獎，后來在納粹占領丹麥時，他用王水把諾獎金牌溶了，大家感興趣的話可以單獨講講老哥的故事，

總之，大家一直都對喝重水這件事非常好奇，首先是它的毒性，

可以明確的一點是，現在我們通過合法途徑購買到的高純度重水（氧化氘），在容器的標簽上大概率會寫有安全性警告，或者是僅用于實驗等提醒，這里不建議任何人嘗試飲用重水。

首先，對于大多數天然同位素而言，它們的差異太小，以至于幾乎無法產生生物學效應。氫算是比較特殊的，氘雖然之比氕多了一個中子，但原子量已經翻倍，更何況水是地球生物非常重要的溶劑，一些細微的化學性質差異就可能會對生物體產生影響。

目前已知的一些影響，包括對晝夜節律周期變長，現象可以在單細胞生物、綠色植物、昆蟲、鳥類、小鼠等生物中觀察到，

更重要的是對生物體內重要化學反應的影響，由于重水的氫鍵更強，很多依靠氫鍵的生化反應會被影響。植物在高濃度重水的環境下會死亡，動物如小鼠、大鼠和狗，在體內D2O達到25%以上會不育，魚類在90%以上的重水中會迅速死亡，

哺乳動物被投喂重水后約一周后會死亡，此時它們體內的水有50%左右已經被替換為D2O，原因為氘抑制細胞分裂。

聽起來喝重水還是一件挺可怕的事，不過除了那些為了研究而被飼養的動物外，人類幾乎不可能會接觸到如此大量的重水。

而且，氘作為天然的氫同位素，人體中也含有一定量的氘，以50千克體重算，一個人體內約含有32千克的水，其中約有1.1克的氘，換算過來相當于5.5克的純重水，

而一般認為人體內的水要有一般有25%~50%被替換為D2O才有可能產生毒性，顯然這種情況幾乎不可能出現，也不用腦洞大開構思一個“重水殺人案”，以今天重水與純銀相當的價格來看，不說了，你們自己算。

盡管理論上不建議任何人飲用重水，實際上還是有無數人或公開或非公開地喝過重水，原因說起來很離奇，因為大家都好奇重水究竟是不是甜的，

雖然早期，比如氘的發現者尤里本人，以及挪威克勞斯 漢森教授在嘗試重水后得出了不太統一的答案，前者認為重水和普通水無異，后者認為重水有點辣嘴。

這些有可能是當時制備重水技術不成熟，純度不足以及含有雜質等因素造成的，但到了今天，我們可以在購買到純度達到99.98%的重水，有很多偷嘗禁水的人都表示“有點甜”。

說起來非常奇怪，水怎么會有甜味呢？根據YouTube Thunderf00t頻道的實驗，他設計了簡單的盲測實驗，被試者將會品嘗不同的水，每次僅有三滴，

為了排除可能因分子量帶來的差異，他還花重金搞來了重氧水，即氫與氧-18生成的水，分子量為20，與重水相當。

結果幾乎所有被試者都能在三種水（普通水、重水、重氧水）中區分出重水，只靠三滴并且非常迅速，可以說比較明顯，

Thunderf00t的頻道主是Phil Mason，他也是下文研究中的作者之一，主要貢獻是提供蒸餾提純的高純度重水，你可以在文末參考中找到他的名字

在另一項由娜塔莉·本·阿布主導的實驗中，28名參與者在開鼻式味覺測試中有22名準確區分出了重水，根據他們的主觀反饋，純重水的甜味顯著，但比較輕微，平均甜度為3.3±0.4（1無感，3輕微，5中等，7非常，9齁甜）。

為了進一步研究重水產生甜味的原因，他們團隊還做了小鼠實驗，但是實驗的結果有些出人意料，已知小鼠對蔗糖水有較強的偏好，但卻對重水沒有偏好，其他的長期喂養實驗甚至觀察到小鼠表現出對重水的厭惡，

也就是說，小鼠可能嘗不出重水的甜味，但也可能通過其他特征分辨出重水，一種猜測是喝下重水后小鼠的身體出現了不適，畢竟它們體型小，重水帶來的影響更為顯著。

不過，這也給研究帶來了方向，重水產生甜味的原因來自于人類特有而嚙齒類沒有的甜味受體，后確定為TAS1R2 / TAS1R3受體。

進一步的實驗通過作用于TAS1R2/ TAS1R3受體的甜味抑制劑也證明了重水甜味的來源。不過實驗仍沒有找到確切的點位和作用機理，但可以確定是由于核量子效應，D2O的氫鍵更強，因此蛋白質在D2O中剛性和致密性也更強，這或許是我們感受到甜味的原因。

正所謂“遇事不決，量子力學“，其實真正的含義是讓你舉棋不定的時候喝一口水冷靜冷靜，用你的TAS1R2 / TAS1R3受體感受那3200分之一的回甘，

最后，恭喜你看完本文，收獲了一條無用知識：當你面前的兩杯水中有一杯是重水，辨別它們的最快方法就是——喝一口（誤），

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).

Curt P. Richter. A Study of Taste and Smell of HeavyWater (99.8%) in Rats1:[J]. Proceedings of the Society for Experimental Biologyand Medicine,2016,152(4).

Michael I. Ojovan,… Stepan N. Kalmykov, Short-Lived Waste Radionuclides[J]. An Introduction toNuclear Waste Immobilisation (Third Edition), 2019.

Sergio Prostak. HeavyWater Has Sweet Taste, New Study Confirms. Sci-News, Jun 1, 2020.

Peter Dockrill. HumanTaste Buds Can Tell The Difference Between Normal And ‘Heavy’ Water. ScienceAlert, April 11 2021.

Norwegian heavywater sabotage. Wikipedia, March 27 2021.

“George deHevesy.” Famous Scientists. famousscientists.org. 26 May. 2018. Web.4/19/2021 .

Thunderf00t. Whydoes Heavy Water taste sweet? YouTube,2021-4-7.

Periodic Videos. Canyou drink Heavy Water? YouTube, 2010-6-11.