Một kg uranium-235 qua quá trình phân hạch hoàn toàn có thể giải phóng năng lượng tương đương với đốt cháy 1,5 triệu kg than. Khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng khổng lồ đó đã cho phép nguyên tố này được sử dụng trong sản xuất điện và vũ khí hạt nhân như bom nguyên tử.
Urani là một trong những nguyên tố nặng nhất trong tự nhiên. Hạt nhân của nó có 92 proton và một lượng neutron thay đổi trong khoảng từ 140 đến 146. Urani là nguyên tố kim loại màu trắng thuộc nhóm Actini, được ký hiệu là U. Các đồng vị phóng xạ của urani phổ biến nhất là urani-238 (99,284%), urani-235 (0,711%) và urani-234 (0,0058%). Tất cả đồng vị của urani đều không bền và có tính phóng xạ yếu. Urani có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 trong các nguyên tố tự nhiên, xếp sau plutoni-244. Mật độ của urani lớn hơn mật độ của chì khoảng 70%, nhưng không đặc bằng vàng hay wolfram. Urani có mặt trong tự nhiên với nồng độ thấp khoảng vài ppm trong đất, đá và nước và được sản xuất thương mại từ các khoáng sản chứa urani như uraninit.
Martin Heinrich Klaproth được công nhận là người đã phát hiện ra urani trong khoáng vật pitchblend năm 1789. Ông đã đặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus (Sao Thiên Vương). Trong khi đó, Eugène-Melchior Péligot là người đầu tiên tách kim loại này và các tính chất phóng xạ của nó đã được Antoine Becquerel phát hiện năm 1896. Nghiên cứu của Enrico Fermi và các tác giả khác bắt đầu thực hiện năm 1934 đã đưa urani vào ứng dụng trong công nghiệp năng lượng hạt nhân và bom nguyên tử mang tên Little Boy, quả bom này là vũ khí hạt nhân đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh.
Việc sử dụng urani ở dạng oxide tự nhiên được xác định vào khoảng năm 79 TCN, khi đó nó được dùng để tạo màu vàng cho men gốm. Năm 1912, ông R. T. Gunther thuộc Trường Đại học Oxford đã tìm thấy thủy tinh màu vàng có hàm lượng 1% urani oxide trong một biệt thự La Mã ở mũi Posillipo, Vịnh Napoli, Ý. Từ cuối thời Trung cổ, uranit được tách từ các mỏ bạc Habsburg ở Joachimsthal, Bohemia (nay là Jáchymov thuộc Cộng hòa Séc) và được dùng làm chất tạo màu trong công nghiệp chế tạo thủy tinh. Đầu thế kỷ XIX, đây là các mỏ quặng urani duy nhất được biết đến trên thế giới.
Hàm lượng urani trung bình trong vỏ Trái Đất (tùy theo quy chiếu) là từ 2 đến 4 ppm, tương đương 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc. Theo tính toán thì vỏ Trái Đất từ bề mặt đến độ sâu 25 km chứa 1.017 kg urani trong khi ở các đại dương có thể chứa 1.013 kg. Hàm lượng urani trong đất thay đổi từ 0,7 đến 11 ppm (đến 15 ppm trong đất trồng trọt do có phosphat từ phân bón) và hàm lượng của urani trong nước biển là 3 ppm. Urani phong phú hơn antimon, thiếc, cadmi, thủy ngân, hay bạc và phổ biến như arsenic hay molybden. Urani được tìm thấy trong hàng trăm mỏ khoáng uraninit (loại quặng urani phổ biến nhất), carnotit, autunit, uranophan, torbernit, và coffinit. Hàm lượng urani nhiều nhất trong các mỏ đá có phosphat, các khoáng như lignit và cát monazit trong các quặng giàu urani (hàm lượng thương mại của các nguồn tối thiểu là 0,1% urani).
Một khối uranium trong tự nhiên (Nguồn: R.H.J)
Urani phân rã rất chậm, phát ra hạt alpha với chu kỳ bán rã của U-238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của U-235 là 704 triệu năm, do đó nguyên tố này thường được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất. Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó. U-235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên, còn U-238 có thể phân hạch nhờ neutron nhanh và là vật liệu làm giàu (có thể được chuyển đổi thành plutoni-239, sản phẩm có thể phân hạch được trong lò phản ứng hạt nhân). Đồng vị U-233 có thể được tạo ra từ thori tự nhiên và cũng là vật liệu quan trọng trong công nghệ hạt nhân. Trong khi U-238 có khả năng phân hạch tự phát thấp hoặc thậm chí bao gồm cả sự phân hạch bởi neutron nhanh, thì U-235 và đồng vị U-233 có tiết diện hiệu dụng phân hạch cao hơn nhiều so với các neutron chậm. Khi nồng độ đủ, các đồng vị này duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân ổn định. Quá trình này tạo ra nhiệt trong các lò phản ứng hạt nhân và tạo ra vật liệu phân hạch dùng làm các vũ khí hạt nhân. Urani nghèo (U-238) được dùng trong các đầu đạn đâm xuyên và vỏ xe bọc thép. Trong lĩnh vực dân dụng, urani chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân. Ngoài ra, urani còn được dùng làm chất nhuộm màu có sắc đỏ-cam đến vàng chanh cho thủy tinh urani. Nó cũng được dùng làm thuốc nhuộm màu và sắc bóng trong phim ảnh.
Ước tính có khoảng 5,5 triệu tấn quặng urani dự trữ có thể khai thác một cách kinh tế ở mức giá 130 USD/kg, trong khi có 35 triệu tấn được xếp vào tài nguyên khoáng sản (có khả năng khai thác mang lại lợi nhuận). Ngoài ra, còn một lượng khoảng 4,6 tỉ tấn urani ước tính có mặt trong nước biển (trong thập niên 1980, các nhà khoa học Nhật Bản đã cho thấy cách khai thác urani từ nước biển bằng phương pháp trao đổi ion có tính khả thi về mặt kỹ thuật). Trong năm 2005, việc thăm dò urani trên thế giới tăng vọt gây tốn chi phí khoảng 200 triệu USD, tăng 54% so với năm trước nhờ vào việc giá urani tăng trên thị trường.
U-235 là đồng vị chiếm 0,72% urani tự nhiên, nguồn nguyên liệu trong việc sản xuất điện hạt nhân bằng phản ứng phân hạch hạt nhân. Nó được Arthur Jeffrey Dempster phát hiện năm 1935. Phân hạch neutron chậm của nó là 584,994 barn, neutron nhanh khoảng 1 barn. Lò phản ứng nước nặng và một số lò phản ứng làm chậm bằng than chì, có thể sử dụng urani tự nhiên nhưng lò phản ứng nước nhẹ phải sử dụng urani làm giàu thấp. Làm giàu urani là quá trình loại bỏ một số U-238 và tăng tỷ lệ U-235. Urani được làm giàu cao (HEU), chứa tỷ lệ au-235 thậm chí còn lớn hơn, đôi khi được sử dụng trong tàu ngầm hạt nhân và vũ khí hạt nhân.
Phân rã tự nhiên của U-235
Nếu có t nhất một neutron từ phân hạch U-235 tương tác với hạt nhân khác và khiến nó phân hạch, thì phản ứng dây chuyền sẽ tiếp tục. Một phản ứng dây chuyền có thể đạt được ở nồng độ thấp của U-235 nếu các neutron từ phân hạch bị làm giảm tốc độ, do xác suất phân hạch với neutron chậm lớn hơn. Phản ứng chuỗi phân hạch tạo ra mảnh khối có tính phóng xạ cao và tạo ra năng lượng nhờ phân rã phóng xạ. Một số tạo ra neutron được gọi là neutron trễ, góp phần vào phản ứng chuỗi phân hạch. Sản lượng điện của lò phản ứng hạt nhân được điều chỉnh bởi vị trí của thanh điều khiển có chứa các nguyên tố hấp thụ mạnh neutron, ví dụ: boron, cadmi hoặc hafni trong lõi lò phản ứng. Trong bom hạt nhân, phản ứng không được kiểm soát và lượng lớn năng lượng được giải phóng tạo ra vụ nổ hạt nhân.
Máy li tâm khí được dùng để làm giàu quặng urani
Tách đồng vị là phương pháp để làm giàu U-235 được dùng trong các vũ khí hạt nhân và trong hầu hết các nhà máy điện hạt nhân, ngoại trừ các lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí và các lò phản ứng hạt nhân nước nặng. Urani được làm giàu có tỉ lệ U-235 thường nằm trong khoảng 3% đến 5%. Quá trình làm giàu tạo ra lượng rất lớn urani nghèo do đã tách hết U-235, tỉ lệ U-238 được gia tăng tương ứng, nồng độ đồng vị U-235 không quá 0,3%. Xử lý ly tâm khí dùng máy ly tâm vận tốc lớn tách khí Urani hexafluorrua (UF6) dựa trên sự khác biệt về khối lượng phân tử giữa 235UF6 và 238UF6 là kỹ thuật có chi phí thấp nhất hiện nay và được sử dụng rộng rãi nhất cho việc làm giàu.
Ứng dụng chính của urani trong lĩnh vực quân sự là làm các đầu đạn tỉ trọng cao. Loại đạn này bao gồm hợp kim urani nghèo (DU) với 1–2% các nguyên tố khác. Ở vận tốc tác động cao, mật độ, độ cứng và tính tự bốc cháy của đạn bắn ra có thể làm tăng sức phá hủy các mục tiêu bọc sắt hạng nặng. Xe tăng bọc sắt và các loại xe bọc thép khác có thể di chuyển cũng được làm từ các mảnh urani nghèo. Việc sử dụng DU trở thành vấn đề gây tranh cãi về chính trị và môi trường sau khi các loại đạn DU được các nước như Hoa Kỳ, Anh và nhiều nước khác sử dụng trong suốt cuộc chiến tranh vịnh Ba Tư và Balkans.
Urani làm nghèo cũng được sử dụng làm vật liệu chống đạn, dùng trong các container để chứa và vận chuyển các vật liệu phóng xạ. Trong khi bản thân kim loại urani có tính phóng xạ, mật độ cao của urani làm cho nó có khả năng bắt giữ phóng xạ hiệu quả hơn chì từ các nguồn phóng xạ mạnh như radi. Các ứng dụng khác của DU là dùng làm các bề mặt kiểm soát của phi thuyền, bệ phóng cho các phương tiện phóng và vật liệu làm khiên. Do có tỉ trọng cao, vật liệu này được tìm thấy trong các hệ thống truyền động quán tính và trong các la bàn dùng con quay hồi chuyển. DU còn được ưa chuộng hơn so với các kim loại nặng khác do khả năng dễ gia công và chi phí tương đối thấp.
Trong giai đoạn cuối của chiến tranh thế giới thứ 2, trong chiến tranh lạnh và các cuộc chiến sau đó, urani đã được dùng làm nguyên liệu chất nổ để sản xuất vũ khí hạt nhân. Có hai loại bom phân hạch chính đã được sản xuất: một loại sử dụng U-235 và loại phức tạp hơn sử dụng plutoni-239 gốc U-238. Sau đó, các loại bom nhiệt hạch phức tạp hơn và mạnh hơn sử dụng plutoni trong vỏ bọc urani tạo ra hỗn hợp triti và deuteri để chịu được phản ứng nhiệt hạch ra đời.
Ứng dụng chủ yếu của urani trong lĩnh vực dân dụng là làm nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân. Một kg urani-235 về lý thuyết có thể tạo ra năng lượng 80 teraJun (8×1013 Jun), giả thiết rằng chúng phân hạch hoàn toàn; mức năng lượng này tương đương 3.000 tấn than. Các nhà máy điện hạt nhân thương mại sử dụng nhiên liệu urani đã được làm giàu với hàm lượng U-235 khoảng 3%. Lò phản ứng CANDU là lò thương mại duy nhất có thể sử dụng nhiên liệu urani chưa được làm giàu. Nhiên liệu được sử dụng cho các lò phản ứng của Hải quân Hoa Kỳ là U-235 đã được làm giàu rất cao. Trong lò phản ứng tái sinh (breeder-reactor), U-238 cũng có thể được chuyển đổi thành plutoni qua phản ứng phân hạch.
Thủy tinh urani được dùng làm vỏ bọc trong tụ điện chân không.
Trước khi phát hiện ra phóng xạ, urani được sử dụng chủ yếu với một lượng nhỏ trong thủy tinh vàng và đồ gốm, như thủy tinh urani và trong Fiestaware. Việc Marie Curie phát hiện và tách radi trong các quặng urani (pitchblend) đã thúc đẩy việc khai thác mỏ để tách radi, dùng làm các loại sơn dạ quang trên các con số của đồng hồ và bàn số trên máy bay. Điều này làm cho lượng lớn urani trở thành chất thải, vì mỗi 3 tấn urani chỉ tách ra được 1 gram radi. Lượng chất thải này đã được chuyển đến ngành công nghiệp thủy tinh, làm thủy tinh urani rẻ và phổ biến. Bên cạnh thủy tinh gốm, còn có gạch urani được sử dụng phổ biến trong nhà tắm và bếp, các loại này có thể được sản xuất với nhiều màu khác nhau như lục, đen, lam, đỏ và các màu khác. Urani cũng được sử dụng làm hóa chất nhiếp ảnh (đặc biệt là urani nitrat để làm nước cân bằng da).
Thủy tinh urani bị chiếu tia tử ngoại chuyển sang màu xanh.
Việc phát hiện ra tính phóng xạ của urani mở ra những ứng dụng thực tế và khoa học của nguyên tố này. Chu kỳ bán rã dài của đồng vị U-238 làm cho nó trở nên thích hợp trong việc sử dụng để định tuổi các đá macma cổ nhất và các phương pháp định tuổi phóng xạ khác, như định tuổi urani-thori và định tuổi urani-chì. Kim loại urani được sử dụng trong máy X-quang để tạo ra tia X năng lượng cao.
Từ khóa: U-235; urani; điện hạt nhân; neutron; nhiệt hạch; phân hạch
– CMD&DND –
