Uranium là một kim loại rất nặng, được hình thành cách đây hơn 6,6 tỷ năm và đã trở thành nguồn năng lượng tập trung dồi dào trong 60 năm. Được phát hiện vào năm 1789 bởi Martin Klaproth, Uranium tuy không phổ biến trong hệ Mặt Trời nhưng sự phân rã phóng xạ chậm của nó có ý nghĩa trong việc trôi dạt lục địa và đối lưu.
Vậy Uranium là gì? Uranium có tính chất ra sao? Uranium để làm gì? Loại chất này có gây độc cho con người hay không?…..mayruaxegiadinh.com.vn sẽ giúp bạn giải đáp những thắc mắc này.
Contents
Uranium là gì?
Uranium hay còn gọi là urani là một kim loại thuộc nhóm Actini có màu trắng. Trong bảng tuần hoàn hóa học, uranium được ký hiệu là U, có số nguyên tử là 92. U từng là nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn trong suốt một thời gian dài.
Các động vị phóng xạ của Uranium (U) có số neutron dao động khoảng từ 144-149. Trong đó, các đồng vị U-238 ( Uranium 238), U-235 (Uranium 235), U-234 (Uranium 234) là phổ biến nhất; ngoài ra còn có các đồng vị khác như: U-236 (Uranium 236), U-239 (Uranium 239),….. Tất cả các đồng vị của Uranium đều mang đặc điểm chung có tính phóng xạ yếu và không bền.
Uranium xuất hiện với nồng độ rất thấp trong tự nhiên, chỉ khoảng vài ppm, cụ thể là trong đất, đá, nước. Kim loại này được sản xuất thương mại từ các quặng chứa uranium như là quặng uraninit.
Tính chất của Uranium
Tính chất vật lý
- Sau khi tách ra khỏi quặng, kim loại uranium có màu trắng bạc, mềm hơn thép một chút, có tính phóng xạ yếu, đặc biệt dẫn điện kém và dễ bị oxy hóa trong không khí.
- Uranium có đặc tính dẻo, dễ uốn và có tính thuận từ. Uranium có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 trong các nguyên tố tự nhiên, chỉ xếp sau plutoni-244. So với vàng hay wolfram thì mật độ của uranium không đặc bằng nhưng chúng lại lớn hơn mật độ của chì khoảng 70%.
- Uranium tồn tại dưới nhiều dạng đồng vị khác nhau. Những đồng vị này chỉ có điểm khác nhau là về số lượng các hạt không tích điện trong hạt nhân. Hai đồng vị điển hình trong tự nhiên tìm thấy được uranium dưới dạng hỗn hợp gồm: Urani 235 (U-235 0,7%) và Uranium 238 (U-238 99,3%).
- Các đồng vị của U hầu hết không thể phân hạch trừ U-235. U-235 dưới sự bắn phá bằng các neutron chậm sẽ phân thành 2 hạt nhân nhỏ hơn đồng thời giải phóng năng lượng liên kết hạt nhân, sản sinh nhiều neutron hơn.
- Nếu các hạt nhân Uranium 235 hấp thụ được các neutron này thì chuỗi phân hạch hạt nhân sẽ được diễn ra. Điều này có thể gây nổ trừ khi phản ứng được làm chậm lại dưới tác nhân điều hòa neutron thông qua việc hấp thụ chúng.
- Uranium là một trong số các nguyên tố nặng nhất trong số tất cả các nguyên tố xuất hiện trong tự nhiên.
- Uranium là kim loại sở hữu 3 dạng thù hình chính gồm:
- α (trực thoi): Khá bền với nhiệt độ, có thể chịu được mức nhiệt lên tới 660 °C.
- β (bốn phương): Chịu được mức nhiệt dao động khoảng 660-760 °C.
- γ (lập phương tâm khối): Bền với mức nhiệt độ dao động khoảng từ 760 °C đến điểm nhiệt độ nóng chảy. Trạng thái này của uranium rất dẻo và dễ uốn nhất.
Tính chất hóa học
- Uranium hầu hết phản ứng với nguyên tố phi kim cũng như hợp chất phi với, mức phản ứng tỷ lệ thuận với nhiệt độ.
- Uranium có thể bị hòa tan bởi axit HCl và HNO3. Các axit khác không có khả năng oxy hóa thường phản ứng rất chậm với nguyên tố này.
- Uranium khi được chia nhỏ có thể phản ứng được với nước lạnh. Đặc biệt, kim loại này sẽ bị phủ một lớp oxit urani màu đen khi tiếp xúc với không khí.
Nguồn gốc của Uranium là gì?
Kim loại uranium thường xuất hiện trong các khoáng chất gồm: đá vôi, autunite, uraninite. torbernite, carnotit, uranophane và cleveite. Ngoài ra, kim loại này còn được tìm thấy trong đá photphat, cát monazit và than non.
Quặng uranium luôn gắn liền với radium. Có thể điều chế uranium bằng cách thực hiện khử các halogenua uranium cùng các kim loại kiềm hoặc kiềm thổ bằng cách sử dụng canxi, cacbon hoặc nhôm ở nhiệt độ cao để khử các oxit uranium.
Ngoài ra, thông qua điện phân KUF5 hoặc UF5, hòa tan trong hỗn hợp nóng chảy của NaCl và CaCl2 để sản xuất uranium. Hoặc điều chế bằng sự phân hủy nhiệt của các halogenua uranium trên một dây tóc nóng bởi uranium có độ tinh khiết cao.
Phân loại nguyên tố: Uranium thuộc dòng Actinide, nguyên tố đất hiếm phóng xạ.
Khám phá: Martin Klaproth 1789 (nhà khoa học Đức), Peligot 1841.
Uranium dùng để làm gì?
Ứng dụng của uranium trong quân sự
- Uranium giàu U-235
Trong tự nhiên, đồng vị duy nhất của uranium có thể phân hạch bằng nơtron nhiệt là uranium 235 (U-235). Phương pháp làm tăng tỷ lệ U-235 thông qua tách đồng vị là phương pháp để làm giàu uranium.
Theo nghiên cứu, với 1kg uranium sau khi được làm giàu có khả năng phát ra nguồn năng lượng khổng lồ, nó tương đương 15 ngàn tấn thuốc nổ TNT. Nguồn năng lượng này đủ để máy bay có thể bay được 10 000 km với tốc độ 1300 km/h (bay quanh Trái Đất 2,5 vòng).
Hiện nay, trên thế giới có khoảng 2.000 tấn uranium đã được làm giàu để ứng dụng chủ yếu vào việc chế tạo các loại vũ khí hạt nhân hay tàu ngầm hạt nhân.
Trong cuộc chiến tranh thế giới thứ 2 ở giai đoạn cuối, uranium được sử dụng nhiều để làm chất nổ trong sản xuất vũ khí hạt nhân. Trong đó, 2 loại bom phân hạch được sản xuất chính gồm: loại đơn giản sử dụng U-235 và loại phức tạp sử dụng plutoni-239.
Đối với các loại bom phức tạp hơn có nhiệt hạch mạnh, sử dụng plutoni trong vỏ bọc uranium để tạo ra được hỗn hợp triti và deuteri có khả năng chịu được các phản ứng nhiệt hạch đã ra đời.
- Uranium nghèo U-238
Sau quá trình làm giàu thì U-238 còn lại được gọi là uranium nghèo (DU). So với uranium tự nhiên thì U-238 có tính phóng xạ yếu hơn nhưng nó lại cực độc. Do đó, nó được ứng dụng trong quân sự để làm các đầu đạn tỷ trọng cao.
Loại đạn này gồm hợp kim của DU cùng 1-2% các nguyên tố khác. Mật độ, độ cứng cùng tính tự cháy của loại đạn này có khả năng phá hủy các mục tiêu bọc sắt hạng nặng khi bắn chúng với vận tốc tác động cao. Các mảnh DU cũng được sử dụng để sản xuất ra các loại xe bọc sắt có thể di chuyển được.
Tính phóng xạ, mật độ cao giúp DU có khả năng bắt giữ được phóng xạ từ những nguồn phóng xạ mạnh điển hình như radi, hiệu quả hơn chì. Vì vậy DU còn được sử dụng làm vật liệu chống đạn sử dụng trong các container chứa hay vật chuyển các vật liệu phóng xạ.
Ngoài ra, DU còn được sử dụng để làm đối tượng cho các bề mặt kiểm soát của các vật liệu khiên, bệ phóng cho các phương tiện phóng trở lại Trái Đất hoặc của phi thuyền. DU cũng được ứng dụng trong các hệ thống truyền động quán tính hay la bàn dùng con quay hồi chuyển bởi nó có tỷ trọng cao.
Ứng dụng của uranium trong dân dụng
Trong dân dụng, uranium được ứng dụng chủ yếu làm nguồn nhiệt điện khổng lồ có trong các nhà máy điện hạt nhân. Với 1kg Uranium 235 (U-235) phân hạch hoàn toàn có thể tạo ra 8×103 J năng lượng tương đương với việc đốt 3.000 tấn than.
Khoảng 10% lượng điện năng trên thế giới hiện nay được tạo ra từ phản ứng phân hạch uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Con số này đã lên tới 2.500 TWh mỗi năm, lượng điện này tương đương với tất cả các nguồn điện trên thế giới tại năm 1960.
Nguồn điện năng lượng từ uranium đang được sử dụng hiện nay đến từ hơn 440 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên 30 quốc gia có tổng công suất đầu ra tương ứng khoảng 390.000 MWe (megawatt).
Uranium được sử dụng với một lượng nhỏ trong thủy tinh vàng trước khi phát hiện ra tính phóng xạ của nó. Ở thủy tinh vàng, uranium có vai trò là chất tạo màu giúp phát ra ánh sáng màu vàng trụng trong ánh sáng đen. Ánh sáng UV kích thích hợp chất uranyl trong thủy tinh làm phát ra huỳnh quang, đồng thời phóng ra các photon khi lắng xuống.
Uranium nitrat được dùng làm nước cân bằng da và urani còn được dùng làm hóa chất nhiếp ảnh. Đặc biệt, trong y tế uranium được sử dụng trong các loại máy chụp X-quang để có thể tạo ra các tia X mang năng lượng cao.
Người ta có thể xác định được tuổi của các loại đá macma cổ nhất bởi chu kỳ bán rã dài của U-238 (4,51×109 năm). Một số phương pháp định tuổi phóng xạ có thể nhắc tới điển hình như: phương pháp định tuổi uranium-chì, phương pháp định tuổi uranium-thori.
Việc phát hiện và tách thành công radi trong các quặng uranium bởi Marie Curie đã thúc đẩy để phát triển quá trình khai thác mỏ cho việc tách radi. Radi được sử dụng nhiều để tạo ra những loại sơn dạ quang phủ lên những con số đồng hồ hay bàn số của máy bay.
Trên thực tế, để tách được 1 gram radi cần phải dùng đến 3 tấn uranium vì thế mà việc tách radi tạo ra một lượng chất thải uranium lớn. Lượng chất thải này được tận dụng trong ngành công nghiệp thủy tinh vì vậy mà thủy tinh uranium thường rất phổ biến và có giá thành khá rẻ.
Ngoài ra, uranium còn lại sau khi tác radi này còn được sử dụng làm các loại gạch uranium có nhiều màu khác nhau như: lục, lam, đỏ, đen,…… được lựa chọn lát nhiều trong nhà tắm và nhà bếp.
Mỏ Uranium ở Việt Nam
Việt Nam đang là nước có tiềm năng về urani theo kết quả điều tra của ngành Địa chất thời gian. Nó tồn tại với nhiều loại hình và được phân phối trong nhiều cấu trúc địa chất có tại miền Bắc Bộ và Trung Bộ, tiêu biểu nhất có Lai Châu và Quảng Nam.
Tài nguyên và trữ lượng uranium này vẫn đang được điều tra, thăm dò xem liệu nó có đủ để đáp ứng được cho việc phát triển điện hạt nhân ở nước ta trong thời gian tới hay không.
Vì 1kg Uranium trên thị trường hiện nay có giá khoảng 130 USD vì thế nếu biết cách khai thác nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên phóng xạ của nguyên tố này có thể gây ra nhiều hậu quả khôn lường cho con người vì vậy cần hết sức thận trọng khi tiếp xúc với nó.
Trong trường hợp lò phản ứng hạt nhân bị nổ hay chỉ là rò rỉ khiến phóng xạ lan ra ngoài có thể gây chết người tức thì. Hơn nữa, nó còn kéo theo nhiều những hệ lụy về lâu dài vì vậy trong khai thác và sử dụng uranium cần đặc biệt chú ý.
Uranium có độc không?
Mặc dù không làm việc tại các nhà máy sản xuất quốc phòng hay các nhà máy điện hạt nhân nhưng chúng ta vẫn có khả năng bị nhiễm uranium thông qua con đường ăn uống hằng ngày.
Trên thực tế, rất nhiều loại thực phẩm mà chúng ta sử dụng trong các bữa ăn có chứa uranium. Một số loại thực phẩm điển hình như là: củ cải, khoai tây,…. là những loại rất giàu chất uranium.
Theo EPA (Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ), một người sẽ ăn trung bình khoảng từ 0,07-1,2 microgram chất uranium mỗi ngày. Với lượng uranium này thì gần như không đủ để gây nguy hiểm đến con người bởi cơ thể chúng ta rất khó để hấp thụ loại chất này.
Thông thường, có đến 95-99% lượng uranium mà chúng ta đã nạp vào cơ thể qua con đường ăn uống sẽ bị đào thải qua đường tiêu hóa, 70% của phần còn lại trong vòng 24 giờ sẽ bị đào thải ra khỏi cơ thể qua đường tiết niệu. Và một lượng nhỏ uranium còn lại sẽ tồn tại ở trong sương khoảng vài tháng.
Nếu cơ thể tiếp nhận lượng uranium khoảng từ 25 milligram trở nên sẽ dẫn đến hư thận bởi loại chất này chủ yếu tấn công vào thận là chính. Đặc biệt, lượng uranium nếu vượt ngưỡng 50 milligram rất có thể khiến suy thận và thậm chí là tử vong.
Ngoài ra, một số nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm trên chuột bằng cách cho chúng ăn uranium trong một thời gian dài thì thu được kết quả rằng các chất hóa học trong não bộ đã có sự thay đổi nhất định.
Công nghệ làm giàu Uranium là gì?
Hai đồng vị chủ yếu của kim loại uranium chủ yếu là U-235 và U-238 với tỷ lệ lần lượt là 0,3% và 99,7%. Như đã nói ở phần trên, chỉ có U-235 với có khả năng tham gia phản ứng hạt nhân dây chuyền. Đay là một loại phản ứng rất cần thiết để duy trì sự cung cấp nhiệt cho các hoạt động trong nhà máy điện hay tạo ra vụ nổ cần thiết.
Trong thực tế, rất khó để có thể tách được một lượng U-235 tuyệt đối, nhưng bắt buộc trong hỗn hợp kim loại uranium cần có trên 90% U-235 mới có thể làm chất nổ cho bom nguyên tử. Trong trường hợp này người ta gọi đó là Uranium giàu.
Công nghệ làm giàu uranium thực chất là quá trình làm gia tăng thành phần U-235 có trong hợp chất kim loại hỗn hợp uranium.
Để làm giàu uranium hiện nay có rất nhiều phương pháp như là: Tách đồng vị điện tử, khuếch tán nhiệt, khuếch tán khí, khí động học, tách đồng vị La-de,…. Trong đó, phương pháp được áp dụng phổ biến nhất vẫn là phương pháp ly tâm.
Phương pháp ly tâm có thể hiểu đơn giản rằng hoạt động dựa trên sự khác nhau về lực ly tâm của những phân tử khí nặng hơn và khí nhẹ nhằm mục đích tách được đồng vị U-235 ra khỏi U-238.
Phương pháp tách riêng này thường được tiến hành trong các xy lanh quay. Khi đi vào trong xy lanh quay, hỗn hợp các phân tử của các loại khác nhau sẽ được tách thành 2 dòng. Những phân tử nhẹ hơn bị đẩy vào trong phần trung tâm có hướng lên phía trên dọc theo trục của máy còn những phân tử nặng hơn thì bị gạt ra vùng ngoại biên của máy ly tâm rồi chuyển độc xuống dưới dọc theo hành lang ngoài.
Phương pháp ly tâm này chỉ có thể thành công tách riêng hoàn toàn U-238 và U-235 khi cho hỗn hợp khí đi qua mát liên tục hàng nghìn lần.
Kết Luận
Trên đây là toàn bộ những thông tin mà chúng tôi muốn đề cập đến uranium. Hy vọng bạn đã hiểu kim loại uranium là gì cùng những tính chất, ứng dụng thực tế và tác động của nó tới sức khỏe con người. Nếu còn bất kỳ thắc mắc nào về phần kiến thức này vui lòng để lại lời nhắn chúng tôi sẽ phản hồi bạn sớm hay đơn giản những đóng góp để bài viết được hoàn chỉnh hơn.
Cảm ơn bạn đã dành thời gian cho bài viết và đừng quên truy cập mayruaxegiadinh.com.vn để cập nhật nhiều hơn những kiến thức hữu ích trong cuộc sống bạn nhé!
