Uranium là một nguyên tố kim loại được hình thành cách đây hơn 6,6 tỷ năm. Tuy không phổ biến trong hệ Mặt Trời nhưng sự phân rã phóng xạ chậm của nó đã cung cấp một nguồn nhiệt chính trong Trái Đất và gây nên hiện tượng trôi dạt lục địa và đối lưu. Để hiểu rõ hơn về uranium là gì, các bạn hãy dành ra ít phút và cùng chúng tôi theo dõi nội dung bài viết sau nhé.
Uranium là gì
Uranium là gì
Uranium hay urani là một kim loại màu trắng thuộc nhóm Actini. Trong bảng tuần hoàn hoá học, nó có số nguyên tử là 92 và được ký hiệu là U. Trong suốt một thời gian dài, U là nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn. Các đồng vị phóng xạ của U có số neutron dao động từ 144 – 146, trong đó, các đồng vị U-238, U-235 và U-234 là phổ biến nhất. Tất cả các đồng vị của uranium đều không bền và có tính phóng xạ yếu.
U-238, U-235 là 2 đồng vị phổ biến nhất của urani
Trong trong tự nhiên, uranium xuất hiện với nồng độ thấp, chỉ khoảng vài ppm trong đất, đá, nước và nó được sản xuất thương mại từ các quặng chứa uranium, ví dụ như uraninit.
Tính chất vật lý của uranium
– Khi được tách ra khỏi quặng, uranium là kim loại có màu trắng bạc, có tính phóng xạ yếu, mềm hơn thép một chút, dẫn điện kém và dễ bị oxy hóa trong không khí.
– Đặc tính của uranium là dẻo, dễ uốn và có tính thuận từ. Trong các nguyên tố tự nhiên, uranium có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2, chỉ xếp sau plutoni-244. Mật độ của uranium không đặc bằng vàng và wolfram nhưng lớn hơn mật độ của chỉ khoảng 70%.
– Uranium tồn tại ở nhiều dạng đồng vị khác nhau và những đồng vị này chỉ khác nhau về số lượng các hạt không tích điện trong hạt nhân. Trong tự nhiên, uranium được tìm thấy dưới dạng hỗn hợp của hai đồng vị là U-238 (99,3%) và U-235 (0,7%).
– Urani-235 là đồng vị đầu tiên được tìm thấy có thể tự phân hạch còn những đồng vị khác thì không thể. Dưới sự bắn phá bằng các neutron chậm, đồng vị U-235 sẽ phân chia thành 2 hạt nhân nhỏ hơn, giải phóng ra năng lượng liên kết hạt nhân và sản sinh nhiều neutron hơn. Nếu các neutron này được các hạt nhân U-235 khác hấp thụ thì chuỗi phân hạch hạt nhân sẽ diễn ra và có thể gây nổ trừ khi phản ứng được làm chậm lại bởi việc điều hòa neutron thông qua việc hấp thụ chúng.
Urani-235 là đồng vị đầu tiên được tìm thấy có thể tự phân hạch
– Nó là một trong những nguyên tố nặng nhất trong số tất cả các nguyên tố xuất hiện tự nhiên
Kim loại uranium có 3 dạng thù hình chính, đó là:
- α (trực thoi): Bền với nhiệt độ lên tới 660 °C
- β (bốn phương): Bền với nhiệt độ dao động từ 660 – 760 °C
- γ (lập phương tâm khối): Bền với nhiệt độ dao động từ 760 °C đến điểm nóng chảy. Đây là trạng thái uranium dẻo và dễ uốn nhất.
Tính chất hóa học của uranium
– Kim loại uranium phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim và hợp chất phi kim với mức phản ứng tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
– Axit HCl và HNO3 có thể hòa tan uranium còn các axit không có khả năng oxy hóa thì phản ứng với nguyên tố này rất chậm.
– Khi chia nhỏ, uranium có thể phản ứng với nước lạnh và khi tiếp xúc với không khí, kim loại này sẽ bị phủ một lớp oxit urani màu đen.
Uranium được lấy từ đâu
Uranium là một nguyên tố tự nhiên có thể được tìm thấy trong tất cả các loại đất đá và nước nhưng chỉ với hàm lượng thấp. Đây là nguyên tố có số nguyên tử cao nhất được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác và có hàm lượng nhất định trong vỏ Trái Đất. Uranium chỉ được tạo ra một cách tự nhiên trong các vụ nổ siêu tân tinh. Phân rã của uranium trong vỏ Trái Đất được xem là một trong những nguồn cung cấp nhiệt chính.
Hàm lượng uranium trung bình trong vỏ Trái Đất thường dao động từ 2 – 4ppm, gấp khoảng 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc. Trong lớp vỏ Trái Đất tính từ bề mặt đến độ sâu 25 km thì có khoảng 1017 kg urani còn trong các đại dương thì khối lượng có thể là 1013 kg. Hàm lượng uranium trong đất thay đổi từ 0,7 – 11 ppm hoặc đến 15 ppm trong đất trồng trọt vì có phosphat từ phân bón còn hàm lượng của uranium trong nước biển là 3 ppm.
Chúng ta có thể tìm thấy uranium trong hàng trăm mỏ khoáng uraninit (quặng uranium phổ biến nhất), carnotite, uranophane, autunit, coffinit và torbernite. Trong đó, hàm lượng uranium có nhiều nhất là trong các mỏ đá có phosphat hoặc các khoáng như lignit và cát monazit.
Uranium trong hàng trăm mỏ khoáng uraninit
Trong tự nhiên, uranium đượᴄ tìm thấу ở dạng U-238, U-235 ᴠà một lượng rất nhỏ U-234 (0,0058%).
Quá trình khai thác uranium
Quặng uranium có thể được khai thác theo nhiều cách, ví dụ như đào mỏ lộ thiên, tách từ đất đá hoặc khoan mỏ. Quặng uranium cấp thấp có chứa từ 0,01 – 0,25% urani oxit U3O8. Cần tiến hành một số đo đạc để lựa chọn được phương pháp phù hợp để tách uranium từ các quặng trên. Các quặng uranium cấp cao được tìm thấy ở bồn trũng Athabasca (Canada) trung bình có thể chứa tới 23% các oxit uranium.
Sau khi khai thác, quặng uranium sẽ được nghiền mịn thành bột và được lọc qua axit hoặc kiềm. Quá trình lọc sẽ có các công đoạn là kết tủa, tách dung môi và trao đổi ion. Hỗn hợp thu được sau cùng được gọi là bánh vàng có chứa ít nhất 75% oxit urani. Phần bánh vàng này sau đó sẽ được xử lý nhiệt để loại bỏ các tạp chất trước khi mang đi tinh chế và chuyển đổi.
Uranium thương mại có thể được tạo ra bằng cách dùng kim loại kiềm hoặc kiềm thổ để khử các muối uranium halide. Ngoài ra, nó cũng có thể được tạo ra bằng các điện phân KU5 hoặc UF4 trong dung dịch CaCl2 và NaCl nóng chảy. Thông qua quá trình nhiệt phân uranium halide trong điện cực nóng, uranium sẽ có độ tinh khiết cao.
Uranium để làm gì
1. Trong quân sự
Uranium giàu U-235
Trong tự nhiên, U-235 là đồng ᴠị duу nhất ᴄó thể phân hạᴄh bằng nơtron nhiệt và làm giàu uranium chính là phương pháp làm tăng tỷ lệ U-235 thông qua táᴄh đồng ᴠị. Theo như nhiều nghiên ᴄứu thì 1kg uranium đượᴄ làm giàu có thể phát ra nguồn năng lượng khổng lồ, tương đương với 15 ngàn tấn thuốᴄ nổ TNT, tứᴄ đủ để máу baу baу 10 000 kilomet ᴠới tốᴄ độ 1300 km/h (bay quanh Trái Đất 2,5 ᴠòng). Trên thế giới có khoảng 2.000 tấn uranium đượᴄ làm giàu và nó được ứng dụng chủ yếu cho việc chế tạo ᴠũ khí hạt nhân, tàu ngầm hạt nhân.
Bom nguyên tử có sức công phá rất mạnh
Trong giai đoạn cuối của cuộc chiến tranh thế giới thứ 2, uranium được sử dụng làm chất nổ để sản xuất vũ khí hạt nhân. Có 2 loại bom phân hạch chính đã được sản xuất, đó là một thiết bị sử dụng U-235 (loại đơn giản) và loại sử dụng plutoni-239 gốc U-238 (loại phức tạp). Sau đó, các loại bom nhiệt hạch mạnh và phức tạp hơn sử dụng plutoni trong vỏ bọc uranium để tạo ra hỗn hợp deuteri và triti có khả năng chịu được phản ứng nhiệt hạch đã ra đời.
Uranium được sử dụng làm chất nổ để sản xuất vũ khí hạt nhân trong chiến tranh thế giới thứ 2
Uranium nghèo U-238
– U-238 ᴄòn lại ѕau quá trình làm giàu đượᴄ gọi là uranium nghèo (DU). Mặc dù có tính phóng хạ yếu hơn ᴄả uranium tự nhiên nhưng nó ᴠẫn rất độᴄ. Trong quân sự, uranium được sử dụng để làm các đầu đạn tỷ trọng cao. Loại đạn này bao gồm hợp kim DU và 1-2% các nguyên tố khác. Khi bắn ra với vận tốc tác động cao, mật độ, độ cứng và tính tự cháy của loại đạn này có thể phá hủy các mục tiêu bọc sắt hạng nặng. Các loại xe bọc sắt có thể di chuyển cũng được làm từ các mảnh DU.
– Vì có tính phóng xạ và mật độ cao nên DU có khả năng bắt giữ phóng xạ từ các nguồn phóng xạ mạnh như radi hiệu quả hơn chì. Do đó nó được sử dụng làm vật liệu chống đạn trong các container chứa và vận chuyển các vật liệu phóng xạ.
DU có khả năng bắt giữ phóng xạ từ các nguồn phóng xạ mạnh
– DU cũng được sử dụng làm đối tượng cho các bề mặt kiểm soát của phi thuyền, vật liệu khiên và bệ phóng cho các phương tiện phóng trở lại Trái Đất. Do có tỉ trọng cao nên DU được ứng dụng trong các hệ thống truyền động quán tính và la bàn dùng con quay hồi chuyển.
2. Trong dân dụng
– Ứng dụng dân dụng chủ yếu của uranium là làm nguồn nhiệt điện khổng lồ trong các nhà máy điện hạt nhân. 1kg U-235 có thể tạo ra 8×1013 J năng lượng nếu chúng phân hạch hoàn toàn và mức năng lượng này tương đương với việc đốt 3000 tấn than. Khoảng 10% lượng điện năng được tạo ra trên thế giới hiện nay đến từ uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Con số này lên đến hơn 2500 TWh mỗi năm, tương đương với tất cả các nguồn điện trên thế giới vào năm 1960. Nguồn điện này đến từ hơn 440 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động tại 30 quốc gia với tổng công suất đầu ra là khoảng 390.000 megawatt (MWe).
Nhà máy điện hạt nhân
– Trước khi phát hiện ra có tính phóng xạ thì một lượng nhỏ uranium được sử dụng trong thủy tinh vàng với vai trò là chất tạo màu cho thủy tinh phát ra ánh sáng màu vàng lục trong ánh sáng đen. Huỳnh quang phát ra là do ánh sáng UV đã kích thích hợp chất uranyl trong thủy tinh và làm cho nó phóng ra các photon khi lắng xuống.
Thủy tinh uranium
– Urani cũng được dùng làm hóa chất nhiếp ảnh, điển hình là uranium nitrat dùng làm nước cân bằng da.
– Chu kỳ bán rã dài của U-238 (4,51×109 năm) được sử dụng để xác định tuổi của các loại đá macma cổ nhất và các phương pháp định tuổi phóng xạ có thể nhắc đến là định tuổi uranium-chì, định tuổi uranium-thori.
– Kim loại uranium được sử dụng trong các loại máy chụp X- quang để tạo ra tia X mang năng lượng cao.
– Việc Marie Curie phát hiện và tách thành công radi trong các quặng uranium đã thúc đẩy quá trình khai thác mỏ để tách radi. Radi được sử dụng để làm các loại sơn dạ quang trên các con số đồng hồ và bàn số của máy bay. Việc tách radi đã tạo ra một lượng lớn chất thải uranium vì 3 tấn uranium chỉ tách được 1 gram radi. Lượng chất thải này sẽ được dùng trong ngành công nghiệp thủy tinh và điều này đã làm cho thủy tinh uranium rất rẻ và phổ biến.
– Ngoài thuỷ tinh thì các loại gạch uranium với nhiều màu khác nhau như đen, lục, lam, đỏ,…cũng rất phổ biến trong nhà tắm và bếp.
Cách làm giàu uranium
Làm giàu uranium chính là bước quan trọng nhất để có thể chế tạo ra vũ khí hạt nhân. Trong các đồng vị của uranium thì chỉ có duy nhất U-235 là có thể phân rã neutron nhanh và nó được làm giàu để biến đổi thành Plutoni-239 (Pu-239). Pu-239 chính là sản phẩm phân hạch trong các lò phản ứng và bom hạt nhân.
Nguyên lý để tách U-238 khỏi trạng thái không đồng nhất trong các quặng uranium tự nhiên dựa vào việc U-235 có khối lượng nhẹ hơn một chút so với U-238.
Quá trình làm giàu uranium
Đầu tiên, các kỹ sư sẽ sử dụng một phản ứng hóa học để chuyển hóa uranium được chuyển sang dạng khí Uranium hexaflorua UF6 thông qua một phản ứng hoá học. Sau đó, khí UF6 được bơm vào ống ly tâm có hình lăng trụ tròn với kích thước tương đương cơ thể người hoặc lớn hơn. Mỗi ống ly tâm sẽ được vận hành để quay quanh trục với vận tốc cực lớn và UF6 được khuếch tán một cách riêng biệt thông qua lớp màng bạc-kẽm. Dựa vào tốc độ khuếch tán (U-238 nặng hơn nên khuếch tán chậm hơn U-235) mà các đồng vị khác nhau của uranium được tách ra. Các phân tử U-238 di chuyển hướng tâm còn các phân tử U-235 sẽ di chuyển đến gần thành ống và tại đây, các kỹ sư sẽ thực hiện công việc hút khí ra.
Mỗi lần quay hỗn hợp khí UF6 trong ống ly tâm sẽ chỉ có một lượng nhỏ U-238 được tách ra nên bước này cần phải được thực hiện liên tục. Nếu mỗi ống tách được một ít U-238 rồi chuyển hỗn hợp khí tinh chế sang ống bên cạnh và cứ hoạt động như vậy liên tục thì sau khoảng 100 – 1000 vòng quay, lượng khí còn sót lại bên trong ống ly tâm gần như sẽ hoàn toàn là U-235.
Khi tách thành công lượng khí U-235 cần thiết, các kỹ sư sẽ sử dụng một phản ứng hóa học khác để biến đổi chúng về dạng kim loại đặc uranium dioxide (UO2 ), sau đó tạo hình để thành các viên nhiên liệu. Các viên nhiên liệu này sẽ được đặt bên trong các ống kim loại mỏng, gọi là thanh nhiên liệu và được lắp ráp thành từng bó để trở thành các phần tử hoặc cụm nhiên liệu cung cấp cho lõi của lò phản ứng hạt nhân. Trong một lò phản ứng hạt nhân công suất lớn điển hình có thể chứa 51.000 thanh nhiên liệu, tương đương với hơn 18 triệu viên uranium dioxide.
Các viên nhiên liệu uranium dioxide
Quá trình xử lý ly tâm khí sử dụng máy ly tâm vận tốc lớn để tách khí uranium hexaflorua dựa trên sự khác biệt về khối lượng phân tử giữa UF6-235 và UF6-238 là quá trình rẻ nhất và được ứng dụng phổ biến nhất để làm giàu uranium. Đây từng là phương pháp làm giàu urani hàng đầu và được sử dụng trong dự án Manhattan.
Ngoài xử lý ly tâm khí sử dụng máy ly tâm vận tốc lớn thì còn có một số phương pháp khác để làm giàu uranium, đó là:
– Phương pháp tách đồng vị laser phân tử sử dụng tia laser có mức năng lượng nhất định để cắt đứt liên kết giữa U-235 và fluor. Quá trình này làm cho U-238 liên kết với fluor và cho phép kim loại U-235 kết tủa từ dung dịch.
– Một phương pháp làm giàu bằng laser khác đó là tách đồng vị hơi nguyên tử bằng laser, sử dụng tia laser điều hướng được, ví dụ như laser màu nhuộm.
– Khuếch tán nhiệt chất lỏng.
Nhà máy làm giàu uranium
Hiện nay, việc làm giàu uranium chỉ diễn ra ở một số quốc gia. Nguyên nhân là vì mỗi lần hoạt động, máy ly tâm chỉ tách được một lượng nhỏ U-235 nên các quốc gia thường chỉ đủ kinh phí để vận hành những loại ống ly tâm vốn được thiết kế để đạt hiệu suất cao nhất. Nếu không việc sản xuất uranium dù chỉ là một lượng nhỏ cũng trở nên cực kỳ đắt đỏ. Không những thế, loại ống ly tâm được sử dụng phải có thành ống làm từ loại thép đặc biệt giúp chịu áp lực quay cực lớn và có dạng hình trụ hoàn hảo để tối ưu hóa hiệu suất. Việc chế tạo các loại ống này đòi hỏi vốn đầu tư lớn và trình độ công nghệ cao mà không phải quốc gia nào cũng làm được.
Uranium có độc không?
Mặc dù không làm việc tại các nhà máy điện hạt nhân hoặc nhà máy sản xuất quốc phòng thì chúng ta vẫn có thể bị nhiễm uranium thông qua con đường ăn uống. Nguyên nhân là vì những loại thực phẩm như khoai tây, củ cải rất giàu chất uranium và chúng không phải là thực phẩm duy chất chứa uranium.
Khoai tây rất giàu chất uranium
Theo Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (EPA), mỗi ngày trung bình một người sẽ ăn khoảng từ 0,07-1,1 microgram chất uranium. Lượng uranium trên gần như không đủ để gây nguy hiểm vì cơ thể chúng ta rất khó hấp thu chất này. Khoảng 95 – 99% lượng uranium mà chúng ta ăn vào sẽ bị đào thải qua đường tiêu hóa và 70% của phần còn lại bị đảo thải ra khỏi cơ thể qua đường tiết niệu trong vòng 24 giờ. Một lượng nhỏ uranium sẽ còn tồn tại ở trong xương khoảng vài tháng.
Uranium chủ yếu tấn công vào thận và hư thận sẽ bắt đầu xuất hiện sau khi cơ thể tiếp nhận 25 milligram. Nếu lượng uranium lớn hơn 50 milligram thì có thể gây suy thận, thậm chí là tử vong.
Con người có thể bị nhiễm uranium thông qua con đường ăn uống
Ngoài ra, theo như các nghiên cứu tiến hành trên chuột là cho chúng ăn uranium trong một thời gian dài thì kết quả nhận được là có sự thay đổi của các chất hóa học trong não bộ.
Trên đây là một số thông tin mà chúng tôi muốn chia sẻ đến bạn đọc về uranium là gì. Hy vọng nó sẽ giúp các bạn giải đáp được những thắc mắc liên quan đến uranium. Và mặc dù có nhiều lý do để tin rằng uranium có thể gây chết người với liều lượng cao nhưng may mắn là vẫn chưa có trường hợp tử vong nào xảy ra do ăn loại hóa chất này. Việc ăn thực phẩm chứa uranium ít gây độc hơn nhiều so với hít phải chất này nhưng bạn cũng nên tránh ăn những loại thực phẩm chứa nhiều uranium. Hãy theo dõi Ammonia-Vietchem để xem những bài viết mới nhất nhé!
Xem thêm:
- Titan là gì? Đặc điểm, tính chất, ứng dụng của titan
- Nhiên liệu hóa thạch là gì? Các loại nhiên liệu hóa thạch
