Uranium – nguyên tố nổi tiếng và tai tiếng
Bài viết được "lược dịch" từ trang www.world-nuclear.org
Khái quát
Urani là một kim loại rất nặng, có thể dùng như một nguồn năng lượng tập trung dồi dào.
Urani là nguyên tố hóa học kim loại màu trắng thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn, được kí hiệu là U.
Urani có mặt trong hầu hết các khoáng thạch với hàm lượng từ 2 tới 4 phần triệu (ppm) và phổ biến trong vỏ Trái Đất như Thiếc, Wolfram và Molybden. Urani cũng có trong nước biển và có thể thu được từ các đại dương.
Urani được khám phá năm 1789 bởi nhà hóa học Đức Martin Klaproth, ông đặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus - Thiên Vương Tinh, một hành tinh vừa được William Herschel phát hiện trước đó 8 năm.
Urani được cho là tạo thành trong vụ nổ siêu tân tinh 6,6 tỷ năm trước. Ngày nay quá trình phân rã phóng xạ chậm chạp của Urani (Thori, Kali-40) là nguồn cung cấp nhiệt lượng chính cho phần lõi Trái Đất, gây ra đối lưu và dịch chuyển các mảng lục địa.
Nhờ có tỷ trọng cao (19.1 g·cm-3 ở 0 °C, 101.325 kPa), Urani được dùng trong các vật liệu chống đạn, chống phóng xạ, hay trong các la bàn dùng con quay hồi chuyển.
Urani có điểm nóng chảy 1132°C.
(một dạng khoáng vật thứ sinh Uranium - tham khảo wikipedia)
Nguyên tử Urani
Urani có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 trong các nguyên tố tự nhiên, chỉ xếp sau plutoni-244.
Như các nguyên tố khác, Urani có nhiều đồng vị khác nhau nhưng phổ biến nhất là các đồng vị urani-238, urani-235.
Trong tự nhiên, urani được tìm thấy ở dạng urani-238 (99,284%), urani-235 (0,711%),và một lượng rất nhỏ urani-234 (0,0058%). Urani phân rã rất chậm, phát ra hạt anpha.
(viên nén nhiên liệu Uranium)
Đồng vị U-235 có khả năng phân hạch tự nhiên, và dưới một số điều kiện nó tỏa ra năng lượng rất lớn.
Chu kỳ bán rã của urani-238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani-235 là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.
Năng lượng từ nguyên tử Urani
Hạt nhân của nguyên tử U-235 gồm 92 proton và 143 neutron. Khi hạt nhân của nguyên tử U-235 bắt một neutron đang di chuyển nó sẽ tách thành 2 mảnh (phân hạch hạt nhân) và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và bức xạ, và thêm 2-3 neutron. Nếu những neutron phát ra đủ để kích thích các nguyên tử U-235 phân hạch và giải phóng thêm neutron sẽ tạo nên phản ứng phân hạch dây chuyền. Phản ứng dây chuyền này tỏa ra năng lượng rất lớn so với lượng nhỏ Urani sử dụng.
Quá trình phân hạch dây chuyền này diễn ra trong lò phản ứng hạt nhân. Nhiệt được dùng để đun nóng nước, tạo hơi, quay turbin và sản xuất điện.
(mô hình phản ứng phân hạch dây chuyền)
Bên trong lò phản ứng
Nhà máy điện hạt nhân và nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch với cùng công suất có nhiều điểm tương đồng. Cả hai đều cần nhiệt để tạo hơi nước làm quay turbin và máy phát điện. Tuy nhiên, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng năng lượng từ sự phân hạch nguyên tử Urani thay vì năng lượng tỏa ra khi đốt than hay khí.
Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiên liệu Urani được sắp xếp sao cho phản ứng dây chuyền được duy trì. Phản ứng dây chuyền này được điều khiển bởi các thanh điều khiển có khả năng hấp thụ neutron, các thanh này được thả xuống hoặc kéo lên để điều khiển lò ở mức công suất cần thiết.
Các thanh nhiên liệu được bao quanh bởi chất làm chậm để làm chậm vận tốc các hạt neutron phát ra từ các phân hạch Urani, giúp duy trì phản ứng dây chuyền (khả năng kích thích phân hạch của neutron chậm cao hơn nhiều so với neutron nhanh). Nước, graphit và nước nặng (D2O) thường được dùng làm chất làm chậm trong các loại lò khác nhau.
Một lò phản ứng 1000 MW có thể cung cấp đủ điện năng cho một thành phố hiện đại với một triệu dân.
Urani và Plutoni
Trong khi hạt nhân U-235 có khả năng phân hạch, thì hạt nhân U-238 lại có khả năng “sinh sôi” ( 'fertile'). Nghĩa là nó có thể bắt giữ một neutron để trở thành Pu-239, và chính Pu-239 lại có khả năng phân hạch. Cũng giống như U-235, khi phân hạch Pu-239 tỏa ra rất nhiều năng lượng.
Bởi vì có rất nhiều U-238 trong lõi lò phản ứng (hơn 90%), những phản ứng này diễn ra thường xuyên, trên thực tế khoảng một phần ba năng lượng tỏa ra là từ “đốt cháy” Pu-239.
Nhưng đôi khi Pu-239 bắt giữ một neutron mà không phân hạch, nó trở thành Pu-240. Lò phản ứng hoạt động càng lâu thì càng tạo nhiều Pu-240. (Tầm quan trọng của điều này là khi thay nhiên liệu trong lò sau khoảng 3 năm, Plutoni trong nhiên liệu đã sử dụng không còn thích hợp để chế tạo vũ khí hạt nhân, nhưng có thể tái chế thành nhiên liệu hạt nhân mới.)
Từ quặng Urani tới nhiên liệu cho lò phản ứng
Quặng Urani có thể được khai thác bằng các phương pháp hầm lò hoặc mỏ lộ thiên tùy vào độ sâu vỉa quặng. Sau khi đào, quặng được nghiền nát và đưa lên mặt đất. Sau đó được lọc qua axit và tách Urani oxit.
(Công nhân đang khai thác quặng Urani ở Colorado, Hoa Kỳ - khai thác hầm mỏ)
(Một mỏ Urani ở Australia – khai thác lộ thiên)
Urani cũng có thể khai thác bằng phương pháp khai mỏ dung dịch. Người ta khoan lỗ vào vỉa quặng, sau đó bơm dung dịch lọc xuống làm tan quặng, sau đó bơm lên mặt đất.
Kết quả tạo ra Urani oxit U3O8. Đây là dạng mà Urani được bán ra (là chất bột màu vàng nên còn gọi là bánh vàng). Trước khi có thể sử dụng trong lò phản ứng, Urani phải trải qua một số giai đoạn chế biến.
Đối với hầu hết các lò phản ứng trên thế giới, bước tiếp theo trong quá trình chế biến nhiên liệu là chuyển Urani oxit thành khí Urani florit (UF6), là chất có thể “làm giàu”. Làm giàu là quá trình tăng hàm lượng đồng vị U-235, từ 0,7% trong tự nhiên lên khoảng 2-5%. Điều này cho phép hiệu quả hơn trong thiết kế và vận hành lò phản ứng, và cho phép sử dụng nước thông thường làm chất làm chậm.
Sau khi làm giàu, UF6 được chuyển thành Urani dioxit (UO2) và đóng thành các viên nhiên liệu. Những viên này đặt trong các ống kim loại, các ống kim loại được bó lại thành các bó nhiên liệu. Các bó nhiên liệu được đặt vào lõi lò phản ứng (vùng hoạt).
Đối với các lò phản ứng dùng Urani tự nhiên (chất làm chậm là graphit hoặc nước nặng), U3O8 chỉ cần lọc và chuyển trực tiếp thành Urani dioxit.
Khi nhiên liệu Urani được dùng khoảng 3 năm trong lò, sẽ được lấy ra, cất trữ, và sau đó có thể tái chế hoặc chôn dưới lòng đất. (Xem thêm các bài Chu trình nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất thải phóng xạ trong loạt bài).
Nước nào sở hữu và nước nào khai thác Urani?
Urani phổ biến trong nhiều khoáng thạch, và cả trong nước biển. Tuy nhiên, như các kim loại khác, nó hiếm khi tập trung đủ nhiều để có thể khai thác một cách kinh tế.
Australia có trữ lượng Urani có thể khai thác ước tính hơn 1,6 triệu tấn, Kazakhstan có hơn 600.000 tấn, Canada và Nga có hơn 450.000 tấn. Trữ lượng của Australia chiếm gần 1/3 tổng trữ lượng trên thế giới, Kazakhstan 12%, Canada và Nga 9%.
Một số nước có trữ lượng Urani đáng kể như Niger, Nam Phi, Brazil, Namibia, Hoa Kỳ,…
Kazakhstan là nước khai thác Urani nhiều nhất thế giới, sau đó là Canada và Australia.
Urani chỉ được bán cho các quốc gia đã ký vào Hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân (Nuclear Non-Proliferation Treaty - NPT), và cho phép thanh tra quốc tế xác nhận số Urani bán ra chỉ sử dụng cho mục đích hòa bình.
Các nguồn nhiên liệu cho quân sự
Cả Urani và Plutoni từng được dùng để chế tạo bom trước khi chúng trở nên quan trọng trong việc sản xuất điện và đồng vị phóng xạ. Loại Urani và Plutoni dùng tạo bom khác với loại được dùng trong nhà máy điện hạt nhân. Urani cấp độ bom được làm giàu cao độ (hơn 90% U-235 – thay vì khoảng 2-5%); Plutoni cấp độ bom cũng chủ yếu là Pu-239 (chiếm hơn 90% - so với 60% ở cấp độ lò) và được sản xuất trong các lò phản ứng đặc biệt.
Sau chiến tranh lạnh, nhờ các hiệp ước giải trừ quân bị, một lượng lớn Urani dùng trong quân sự được dùng cho sản xuất điện. Số Urani này được “pha loãng” với Urani “nghèo” (hầu hết là U-238) trước khi được dùng trong nhà máy điện hạt nhân. Trong hai thập kỷ vừa qua, 1/10 lượng điện sản xuất ở Hoa Kỳ là từ Urani vũ khí của Nga (Liên Xô cũ). Plutoni dùng trong quân sự cũng bắt đầu được sử dụng theo cách tương tự, được trộn với Urani “nghèo”.
(“Little Boy” - quả bom nguyên tử đã được thả xuống thành phố Hiroshima của Nhật – U-235)
("Fat Man" - quả bom nguyên tử được thả xuống Nagasaki – Pu-239)
##Tin ngoài lề:
* Theo một số nguồn tin việc Nga (kế thừa Liên Xô) tự triệt tiêu phần lớn vũ khí hạt nhân sau chiến tranh lạnh là một "cú lừa thế kỷ" của Mỹ. Không cần bất kỳ một tiếng súng nào, trong hai thập niên sau đó, Nga đã tự phá huỷ 7.610 đầu đạn hạt nhân, 902 ICBM, 684 tên lửa đạn đạo phóng từ tàu ngầm, 33 tàu ngầm hạt nhân, 498 hầm phóng tên lửa, 191 bệ phóng di động mặt đất và 492 bệ phóng từ biển, 155 máy bay ném bom chiến lược tầm xa…
* Theo các nguồn tin phi chính thống và trong tác phẩm "Pháo đài số" của Dan Brown, quả bom nguyên tử Fat Man được thả xuống Nagasaki cũng sử dụng Urani giống quả Little boy, nhưng dùng U-238 thay vì U-235.
Mật mã cuối truyện có nội dung như sau :
"PRIME DIFFERENCE BETWEEN ELEMENTS RESPONSIBLE FOR HIROSHIMA AND NAGASAKI",
và đáp án đơn giản là số 3. (238 - 235 = 3)
