Urani nghèo (DU), trước đây còn được gọi là Q-metal, depletalloy hoặc D-38, là urani có hàm lượng đồng vị phân hạch thấp hơn U-235 và lớn hơn urani tự nhiên. Urani tự nhiên chứa khoảng 0,72% U-235, trong khi DU được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ sử dụng chứa 0,3% (hoặc ít hơn) U-235. Do có tính phóng xạ thấp và không phân hạch, nên U-238 là thành phần chính của urani nghèo. DU được sử dụng chủ yếu nhờ tận dụng mật độ cao tới 19,1 g/cm3 (đặc hơn chì 68,4%). Các ứng dụng dân sự của DU bao gồm chế tạo đối trọng trong máy bay, che chắn bức xạ trong xạ trị và thiết bị chụp X-quang công nghiệp, dùng trong thành phần của container vận chuyển vật liệu phóng xạ. Đối với quân sự, DU được sử dụng làm mạ giáp và đạn xuyên giáp.
Urani làm giàu lần đầu tiên được sản xuất vào đầu những năm 1940 khi Hoa Kỳ và Anh bắt đầu Chương trình vũ khí hạt nhân. Cuối thập kỷ đó, Pháp và Liên Xô bắt đầu các Chương trình vũ khí và năng lượng hạt nhân. Urani nghèo ban đầu được lưu trữ dưới dạng chất thải không sử dụng được (urani hexafluoride) nhằm hy vọng các quy trình làm giàu được cải thiện có thể chiết xuất thêm một lượng đồng vị U-235 trong đó. Việc thu hồi U-235 bằng cách làm giàu lại hiện đang được thực hiện ở một số nơi trên thế giới. Hiện nay trên thế giới đã có một số thiết kế lò phản ứng phát điện dân dụng sử dụng nhiên liệu chưa được làm giàu, nhưng chỉ chiếm khoảng 10% trong số những lò đã từng được chế tạo (chẳng hạn như lò phản ứng CANDU) sử dụng công nghệ đó. Hầu hết các lò phản ứng dân sự cũng như tất cả các lò phản ứng hải quân và vũ khí hạt nhân đều cần nhiên liệu chứa U-235 đậm đặc và việc sản xuất nhiên liệu đó sẽ tạo ra urani nghèo.
Vào những năm 1970, Lầu Năm Góc báo cáo rằng quân đội Liên Xô đã phát triển lớp giáp bọc thép cho xe tăng mà đạn của NATO không thể xuyên thủng. Từ đó, Lầu Năm Góc bắt đầu tìm kiếm vật liệu để chế tạo đạn xuyên giáp dày đặc hơn. Sau khi thử nghiệm nhiều kim loại khác nhau, các nhà nghiên cứu vũ khí đã quyết định sử dụng urani nghèo. Quân đội Hoa Kỳ và NATO đã sử dụng đạn xuyên DU trong Chiến tranh vùng Vịnh năm 1991, chiến tranh Bosnia, ném bom Serbia, chiến tranh Iraq năm 2003 và các cuộc không kích IS ở Syria năm 2015. Người ta ước tính rằng khoảng 315 đến 350 tấn DU đã được sử dụng trong Chiến tranh vùng Vịnh năm 1991.
Một viên đạt xuyên giáp có chứa DU
Urani nghèo phát sinh như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất urani làm giàu để sử dụng làm nhiên liệu trong các lò phản ứng hạt nhân và sản xuất vũ khí hạt nhân. Các quá trình làm giàu tạo ra urani có nồng độ các đồng vị urani có số khối thấp (đặc biệt là U-235 là đồng vị urani hỗ trợ phản ứng dây chuyền phân hạch) cao hơn tự nhiên, cung cấp phần lớn urani nghèo. Trong một số trường hợp, khối lượng U-235 và U-234 ít hơn 1/3 so với urani tự nhiên. Trong khi U-238 có chu kỳ bán rã dài hơn nhiều so với các đồng vị nhẹ hơn, DU phát ra ít bức xạ alpha hơn urani tự nhiên. DU từ quá trình tái xử lý vật liệu/nhiên liệu hạt nhân có các tỷ lệ đồng vị khác với DU từ quá trình làm giàu, nên có thể được phân biệt nhờ sự hiện diện của U-236.
Urani kim loại tự nhiên thường chứa khoảng 0,71% U-235, 99,28% U-238 và khoảng 0,0054% U-234. Urani làm giàu được sản xuất bằng cách sử dụng phương pháp tách đồng vị tạo ra urani nghèo chỉ chứa 0,2% đến 0,4% U-235 . Quá trình làm giàu tạo ra một lượng lớn urani nghèo. như: sản xuất 1 kg urani làm giàu 5% cần 11,8 kg) urani tự nhiên và để lại khoảng 10,8 kg DU, chỉ có 0,3% U-235. Ủy ban điều tiết hạt nhân (NRC) định nghĩa urani nghèo là urani có tỷ lệ phần trăm của U-235 nhỏ hơn 0,711%. DU được sản xuất thêm bằng cách tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, trong trường hợp đó, nó có chứa dấu vết của neptuni và plutoni. Lượng này nhỏ đến mức được Ủy bản rủi ro bức xạ châu Âu (ECRR) coi là không có ý nghĩa phóng xạ nghiêm trọng.
Thành phần trong DU
Urani nghèo được lưu trữ dưới dạng urani hexaflorua, một chất rắn kết tinh độc hại, (D)UF6, trong các thùng thép ở bãi chứa gần các nhà máy làm giàu Urani. Mỗi thùng chứa tới 12,7 tấn UF6. Tại Hoa Kỳ, 560.000 tấn UF6 đã được tích lũy vào năm 1993. Năm 2008, 686.500 tấn UF6 trong 57.122 thùng chứa được đặt gần Portsmouth, Ohio; Sườn cây sồi, Tennessee; và Paducah, Kentucky. Việc lưu trữ (D)UF6 gây rủi ro về môi trường, sức khỏe và an toàn do tính không ổn định về mặt hóa học của nó. Khi UF6 tiếp xúc với hơi nước trong không khí, sẽ phản ứng để tạo ra UO2F2 (uranyl florua) và HF (hydro florua), cả hai đều có khả năng hòa tan cao và độc hại. Giống như bất kỳ hợp chất urani nào khác, nó có tính phóng xạ và cần phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa. Nó cũng có độc tính cao. Uranyl florua ăn mòn và có hại khi hít phải, nuốt phải hoặc hấp thụ qua da. Nuốt phải hoặc hít phải có thể gây tử vong. Ảnh hưởng của việc tiếp xúc có thể bị trì hoãn. Đã có một số tai nạn liên quan đến urani hexafluoride ở Hoa Kỳ, bao gồm tai nạn trong đó 32 công nhân đã tiếp xúc với UF6 và các sản phẩm phản ứng của nó vào năm 1986 tại một cơ sở chuyển đổi urani thương mại ở Gore, Oklahoma. Một người chết; một số công nhân tiếp xúc nhiều bị tổn thương thận trong thời gian ngắn.
Thùng chứa DUF6 (trái) và bị ăn mòn (phải)
Nguồn urani tự nhiên duy nhất được biết đến với hàm lượng U-235 chênh đáng kể so với 0,72% được tìm thấy trong lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên ở Oklo, Gabon. Điều đó được coi là dấu hiệu nhận biết nguồn gốc urani nghèo do con người tạo ra nhờ hàm lượng U-234 (là 55 ppm). DU có khoảng 60% phóng xạ như urani tự nhiên. Hầu hết các bức xạ alpha đều từ U-238 và U-234 trong khi bức xạ beta đến từ Th-234 và Pa-234 được hình thành trong vòng vài tuần. Việc sử dụng DU trong đạn dược đã và đang gây tranh cãi vì những lo ngại ảnh hưởng tiềm ẩn lâu dài đến sức khỏe. Thận, não, gan, tim và nhiều hệ thống khác bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với urani. DU chỉ có tính phóng xạ yếu vì chu kỳ bán rã phóng xạ của U-238 dài (4,468E9 hay 4.468.000.000 năm) và lượng nhỏ U-234 (chu kỳ bán rã khoảng 246.000 năm), U-235 (chu kỳ bán rã 700 triệu năm). Thời gian bán rã sinh học (thời gian trung bình để cơ thể con người đào thải một nửa lượng phóng xạ trong cơ thể) đối với urani là khoảng 15 ngày. Đạn urani nghèo có khả năng gây ô nhiễm khu vực rộng xung quanh các điểm va chạm, khiến con người có thể hít phải.
Mức độ độc tính cấp tính và mãn tính thực sự của DU cũng đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Một số nghiên cứu sử dụng tế bào nuôi cấy và động vật gặm nhấm trong phòng thí nghiệm cho thấy khả năng gây bệnh bạch cầu, di truyền, sinh sản và thần kinh do phơi nhiễm lâu dài DU. Theo một bài báo trên Al Jazeera, DU từ pháo của Mỹ bị nghi ngờ là một trong những nguyên nhân chính làm tăng tỷ lệ tử vong ở Iraq kể từ năm 1991. Đánh giá dịch tễ học năm 2005 đã kết luận: “Về tổng thể, bằng chứng dịch tễ học ở người nhất quán với việc tăng nguy cơ dị tật bẩm sinh ở con cái của những người tiếp xúc với DU.” Tuy nhiên, Nghiên cứu năm 2021 chỉ ra rằng DU do bom, đạn phát nổ không dẫn đến bệnh tật cho cựu chiến binh Mỹ tham gia Chiến tranh vùng Vịnh. Theo nghiên cứu năm 2013, mặc dù lực lượng liên quân ở Fallujah đã sử dụng DU, nhưng không có DU nào được tìm thấy trong các mẫu đất lấy từ thành phố này.
Ứng dụng của Urani nghèo trong quân sự
Urani nghèo rất đậm đặc, gấp 1,67 lần so với chì, chỉ nhẹ hơn một chút so với vonfram và vàng, nặng hơn 84% so với osmium hoặc iridi, là những chất đặc nhất được biết đến. Do đó, đạn DU có khối lượng nhất định, có đường kính nhỏ hơn đạn chì, ít lực cản khí động học hơn và khả năng xuyên sâu hơn do áp suất cao hơn tại điểm va chạm. Đạn DU vốn dễ gây cháy nổ vì chúng có thể tự cháy khi va chạm với mục tiêu.
Do mật độ cao, urani nghèo cũng có thể được sử dụng trong giáp xe tăng. Một số xe tăng M1A1 và M1A2 Abrams được chế tạo sau năm 1998 có các mô-đun DU được tích hợp vào lớp giáp Chobham như một phần của lớp giáp ở phía trước thân và phía trước tháp pháo. Ngoài ra, Urani nghèo có thể được sử dụng làm chất phản xạ neutron trong bom phân hạch. Urani nghèo được sử dụng trong quân đội hầu hết là để chế tạo đạn 30 mm, đạn cháy xuyên giáp PGU-14/B 30 mm từ pháo GAU-8 Avenger của A-10 Thunderbolt II được Không quân Hoa Kỳ sử dụng. Đạn DU 25 mm được sử dụng trong súng M242 gắn trên Xe chiến đấu Bradley của Quân đội Hoa Kỳ và LAV-25 của Thủy quân lục chiến.
Anh gửi 14 xe tăng có sử dụng DU cho Ukraine trong cuộc chiến chống lại Nga
Ứng dụng của Urani nghèo trong che chắn bức xạ
Urani nghèo là vật liệu che chắn bức xạ tốt nhất tính theo trọng lượng, do trọng lượng nguyên tử cao. Chì, nguyên tố ổn định nặng nhất, chi phí thấp, phổ biến nhất, nhưng tấm chắn chì cần dày gấp khoảng ba lần tấm chắn DU để mang lại khả năng bảo vệ tương đương. Urani có điểm nóng chảy cao 1.130 °C và độ bền kéo của nó tương tự như thép. Máy ảnh chụp X quang công nghiệp bao gồm nguồn bức xạ gamma (điển hình là Ir-192 với hoạt độ trên 10 TBq). DU thường được sử dụng như một lá chắn bảo vệ bệnh nhân. Thông thường, tấm chắn urani được bọc trong bọt polyurethane để bảo vệ nhiệt, cơ khí và oxy hóa.
Ứng dụng của Urani nghèo trong công nghiệp
Việc sử dụng sản phẩm tiêu dùng bao gồm việc kết hợp với sứ nha khoa được sử dụng cho răng giả để mô phỏng sự phát huỳnh quang của răng tự nhiên. Thuốc thử mang urani được sử dụng trong phòng thí nghiệm hóa học (ví dụ: uranyl axetat, được sử dụng trong hóa học phân tích và làm vết bẩn trong kính hiển vi điện tử). Urani (cả urani nghèo và urani tự nhiên) được sử dụng rộng rãi làm chất tạo màu cho sứ và thủy tinh từ thế kỷ 19 và đến giữa thế kỷ 20. Năm 1999, urani nghèo nồng độ 10% đã được sử dụng trong “jaune no.17” một loại bột men màu vàng được sản xuất tại Pháp.
Máy bay có chứa trọng lượng urani nghèo để ổn định cánh và bề mặt điều khiển, chẳng hạn như Boeing 747-100 có thể chứa từ 400 đến 1.500 kg DU. Đối trọng DU được sản xuất với lớp mạ cadmium được coi là không nguy hiểm miễn là lớp mạ còn nguyên vẹn.
Đối trọng của máy bay làm từ DU
Nguy cơ bức xạ
Urani nghèo tạo ra một lượng nhỏ Th-234 và Pa-234, chúng phát ra các hạt beta với tốc độ gần tương đương với tốc độ urani phát ra các hạt alpha. Điều này là do urani-238 phân rã trực tiếp thành thori-234, với chu kỳ bán rã 24 ngày phân rã thành protactini-234, từ đó phân rã trong vài giờ thành urani-234 tồn tại lâu dài. Bằng chứng cho thấy rằng nguy cơ phóng xạ là nhỏ so với nguy cơ hóa học. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, liều lượng bức xạ từ DU sẽ bằng khoảng 60% liều lượng từ urani tự nhiên tinh khiết có cùng khối lượng; nguy cơ phóng xạ thấp hơn do thời gian bán hủy dài hơn và loại bỏ nhiều đồng vị phóng xạ hơn.
Với lượng vừa đủ, urani được ăn hoặc hít phải có thể gây hại do độc tính hóa học của nó. Giống như thủy ngân, cadmium và các ion kim loại nặng khác, các ion uranyl dư thừa làm suy giảm chức năng thận (tức là ảnh hưởng đến thận). Nồng độ cao trong thận có thể gây tổn thương và trong trường hợp nghiêm trọng là suy thận. Vì DU có tính phóng xạ nhẹ nên khi vào bên trong cơ thể, cũng chiếu xạ các cơ quan, nhưng ảnh hưởng sức khỏe ban đầu lại đến từ tác dụng hóa học đối với các chức năng của cơ thể. Ở nhiều quốc gia, giới hạn phơi nhiễm nghề nghiệp hiện tại đối với các hợp chất urani hòa tan là 3 µg urani trên mỗi gam mô thận. Bất kỳ ảnh hưởng nào do thận tiếp xúc ở các mức này được coi là nhỏ. Có thể ước tính lượng DU mà một cá nhân có thể tiếp xúc trước khi vượt quá giới hạn hóa học và phóng xạ. Bảng dưới đây cho thấy lượng uranium đã cạn kiệt sẽ phải được hít vào hoặc ăn vào để dẫn đến nồng độ thận là 3µg trên gam thận (giới hạn độc tính hóa học) hoặc liều 1 mSv (giới hạn liều bức xạ). Các giá trị này đã được tính toán với các mô hình sinh học hiện được Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Phóng xạ (ICRP) khuyến nghị.
Từ khóa: Urani nghèo; U-235; U-238; DU;
– CMD&DND –
