Uranium là gì? Tính chất, ứng dụng & cách hoạt động

Uranium là gì?

• Uranium là một nguyên tố phóng xạ yếu với số hiệu nguyên tử 92 và ký hiệu U trong bảng tuần hoàn .
• Uranium là một trong những kim loại nặng có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng tập trung phong phú. Nguyên tố tồn tại trong nhiều loại đá với nồng độ từ 2 đến 4 ppm (phần triệu) và phổ biến trong vỏ Trái đất là vonfram và thiếc. Nó cũng tồn tại trong nước biển và có thể được lấy từ các đại dương.

Tính chất vật lý của Uranium

• Uranium được hình thành cách đây hơn 6,6 tỷ năm. Mặc dù nó không phổ biến trong hệ Mặt Trời, sự phân rã phóng xạ chậm của nó cung cấp một nguồn nhiệt chính trong Trái Đất, gây ra hiện tượng trôi dạt lục địa và đối lưu.
• Mật độ cao của Uranium có nghĩa là nó cũng có ứng dụng trong các đối trọng của bề mặt điều khiển máy bay và che chắn bức xạ.
• Nó là một trong những nguyên tố nặng nhất trong số tất cả các nguyên tố xuất hiện tự nhiên khi được sắp xếp dựa trên khối lượng ngày càng tăng của các hạt nhân của chúng trên một quy mô. Nguyên tố này đặc hơn nước 18,7 lần.
• Uranium tồn tại ở nhiều dạng hơi khác nhau được gọi là ‘đồng vị.’ Các đồng vị này khác nhau về số lượng các hạt không tích điện trong hạt nhân.
• Uranium tự nhiên được tìm thấy dưới dạng hỗn hợp của hai đồng vị. U-238 chiếm 99,3% và U-235 khoảng 0,7%.
• Uranium nguyên chất có màu bạc và dễ bị oxy hóa trong không khí.
• Nó cũng được sử dụng để tạo màu cho thủy tinh phát ra ánh sáng màu vàng lục trong ánh sáng đen, không phải do phóng xạ vì bản thân thủy tinh có một chút phóng xạ. Sự phát huỳnh quang là do ánh sáng UV kích thích hợp chất uranyl trong thủy tinh và làm cho nó phóng ra các photon khi nó lắng xuống.

Ứng dụng và tác dụng của Uranium

• Đồng vị U-235 rất cần thiết vì nó có thể dễ dàng tách ra và mang lại nhiều năng lượng trong những điều kiện nhất định. Do đó nó được gọi là ‘phân hạch’ và sử dụng biểu thức ‘phân hạch hạt nhân.’
• Sự phân hạch của uranium được tạo ra hiệu quả bởi các kỹ sư hạt nhân. Để tăng tỷ lệ của U-235, các kỹ sư khí hóa nguyên tố để phân biệt các đồng vị. Theo các nghiên cứu, hầu hết uranium được làm giàu trong các nhà máy điện hạt nhân được tạo thành từ 3-5% U-235.

Nguyên tử uranium

Trên quy mô sắp xếp theo khối lượng tăng dần của các hạt nhân của chúng, uranium là một trong những nguyên tố nặng nhất trong số các nguyên tố có trong tự nhiên (hydro là nhẹ nhất). Uranium đậm đặc gấp 18,7 lần nước.

Giống như các nguyên tố khác, uranium xuất hiện ở một số dạng hơi khác nhau được gọi là ‘đồng vị’. Các đồng vị này khác nhau về số lượng các hạt không tích điện (neutron) trong hạt nhân. Uranium tự nhiên được tìm thấy trong vỏ Trái đất là hỗn hợp chủ yếu của hai đồng vị: uranium-238 (U-238), chiếm 99,3% và uranium-235 (U-235) khoảng 0,7%.

Đồng vị U-235 rất quan trọng vì trong những điều kiện nhất định, nó có thể dễ dàng bị tách ra, tạo ra rất nhiều năng lượng. Do đó nó được cho là ‘phân hạch’ và chúng tôi sử dụng biểu thức ‘phân hạch hạt nhân’.

Trong khi đó, giống như tất cả các đồng vị phóng xạ, chúng phân rã. U-238 phân hủy rất chậm, chu kỳ bán rã của nó bằng với tuổi Trái đất (4500 triệu năm). Điều này có nghĩa là nó hầu như không có tính phóng xạ, ít hơn nhiều đồng vị khác trong đá và cát. Tuy nhiên, nó tạo ra 0,1 watt / tấn dưới dạng nhiệt phân hủy và điều này đủ để làm ấm lõi Trái đất. U-235 phân hủy nhanh hơn một chút.

Năng lượng từ nguyên tử uranium

Hạt nhân của nguyên tử U-235 bao gồm 92 proton và 143 neutron (92 + 143 = 235). Khi hạt nhân của một nguyên tử U-235 bắt giữ một neutron đang chuyển động, nó sẽ tách ra làm hai (phân hạch) và giải phóng một số năng lượng dưới dạng nhiệt, cũng có hai hoặc ba neutron bổ sung bị văng ra. Nếu có đủ số lượng neutron bị trục xuất này khiến hạt nhân của các nguyên tử U-235 khác tách ra, giải phóng thêm neutron, thì một ‘phản ứng dây chuyền’ phân hạch có thể đạt được. Khi điều này xảy ra lặp đi lặp lại, hàng triệu lần, một lượng nhiệt rất lớn được tạo ra từ một lượng tương đối nhỏ uranium.

Đó là quá trình ‘đốt cháy’ uranium, xảy ra trong một lò phản ứng hạt nhân. Nhiệt lượng được sử dụng để tạo hơi nước để sản xuất điện.

Bên trong lò phản ứng

Các nhà máy điện hạt nhân và nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch có công suất tương tự có nhiều điểm chung. Cả hai đều cần nhiệt để tạo ra hơi nước để truyền động các tua-bin và máy phát điện. Tuy nhiên, trong một nhà máy điện hạt nhân, sự phân hạch của các nguyên tử uranium thay thế cho việc đốt than hoặc khí đốt. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiên liệu uranium được lắp ráp theo cách sao cho có thể đạt được phản ứng dây chuyền phân hạch có kiểm soát. Nhiệt được tạo ra bằng cách phân tách các nguyên tử U-235 sau đó được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tuabin để chạy máy phát điện, tạo ra điện năng.

Phản ứng dây chuyền xảy ra trong lõi của lò phản ứng hạt nhân được điều khiển bởi các thanh hấp thụ neutron và có thể được đưa vào hoặc rút ra để đặt lò phản ứng ở mức công suất cần thiết.

Các phần tử nhiên liệu được bao quanh bởi một chất được gọi là chất điều tiết để làm chậm tốc độ của các neutron phát ra và do đó cho phép phản ứng dây chuyền tiếp tục. Nước, than chì và nước nặng được sử dụng làm chất điều tiết trong các loại lò phản ứng khác nhau.

Do loại nhiên liệu được sử dụng ( tức là nồng độ của U-235, xem bên dưới), nếu có một sự cố nghiêm trọng không được khắc phục trong lò phản ứng, nhiên liệu có thể quá nóng và tan chảy, nhưng nó không thể phát nổ như một quả bom.

Một lò phản ứng 1000 megawatt (MWe) điển hình có thể cung cấp đủ điện cho một thành phố hiện đại lên đến một triệu dân.

Uranium và plutonium

Trong khi hạt nhân U-235 là ‘phân hạch’, hạt nhân của U-238 được cho là ‘màu mỡ’. Điều này có nghĩa là nó có thể bắt giữ một trong những neutron đang bay trong lõi của lò phản ứng và trở thành (gián tiếp) plutonium-239, là chất phân hạch. Pu-239 rất giống U-235, ở chỗ nó sẽ vỡ ra khi bị một neutron va vào và điều này tạo ra một lượng năng lượng tương tự.

Do có rất nhiều U-238 trong lõi lò phản ứng (phần lớn nhiên liệu), các phản ứng này thường xuyên xảy ra và trên thực tế, khoảng một phần ba năng lượng của nhiên liệu đến từ việc ‘đốt cháy’ Pu-239.

Nhưng đôi khi một nguyên tử Pu-239 chỉ đơn giản là bắt một neutron mà không tách ra, và nó trở thành Pu-240. Bởi vì Pu-239 bị ‘đốt cháy’ dần dần hoặc trở thành Pu-240, nhiên liệu ở trong lò phản ứng càng lâu thì Pu-240 ở trong đó càng nhiều. ( Ý nghĩa của điều này là khi nhiên liệu đã qua sử dụng được loại bỏ sau khoảng ba năm, plutonium trong nó không thích hợp để chế tạo vũ khí nhưng có thể được tái chế làm nhiên liệu. )

Từ quặng uranium đến nhiên liệu lò phản ứng

Quặng uranium có thể được khai thác bằng phương pháp dưới lòng đất hoặc lộ thiên, tùy thuộc vào độ sâu của nó. Sau khi khai thác, quặng được nghiền nhỏ và nghiền mịn. Sau đó, nó được xử lý bằng axit để hòa tan uranium, được thu hồi từ dung dịch.

Uranium cũng có thể được khai thác bằng cách lọc tại chỗ (ISL), nơi nó được hòa tan từ thân quặng xốp dưới lòng đất tại chỗ và được bơm lên bề mặt.

Sản phẩm cuối cùng của công đoạn khai thác và xay xát, hoặc của ISL, là tinh quặng uranium oxit (U ₃ O ₈ ). Đây là hình thức mà uranium được bán.

Tuy nhiên, trước khi nó có thể được sử dụng trong lò phản ứng để phát điện, nó phải trải qua một loạt quy trình để tạo ra một loại nhiên liệu có thể sử dụng được.

Đối với hầu hết các lò phản ứng trên thế giới, bước tiếp theo trong quá trình sản xuất nhiên liệu là chuyển đổi uranium oxide thành một loại khí, uranium hexafluoride (UF ₆ ), cho phép nó được làm giàu. Việc làm giàu làm tăng tỷ lệ của đồng vị uranium-235 từ mức tự nhiên của nó là 0,7% lên 4-5%. Điều này mang lại hiệu quả kỹ thuật cao hơn trong thiết kế và vận hành lò phản ứng, đặc biệt là trong các lò phản ứng lớn hơn, và cho phép sử dụng nước thông thường làm chất điều tiết.

Sau khi làm giàu,  khí UF ₆ được chuyển đổi thành uranium dioxide (UO ₂ ), được tạo thành các viên nhiên liệu. Các viên nhiên liệu này được đặt bên trong các ống kim loại mỏng, được gọi là thanh nhiên liệu, được lắp ráp thành từng bó để trở thành các phần tử hoặc cụm nhiên liệu cho lõi của lò phản ứng. Trong một lò phản ứng công suất lớn điển hình có thể có 51.000 thanh nhiên liệu với hơn 18 triệu viên.

Một công nhân cầm một viên nhiên liệu mới làm (KazAtomProm)

Đối với các lò phản ứng sử dụng uranium tự nhiên làm nhiên liệu (và do đó cần than chì hoặc nước nặng làm chất điều tiết), chất cô đặc U₃O₈ chỉ cần được tinh chế và chuyển đổi trực tiếp thành uranium dioxide.

Khi nhiên liệu uranium đã ở trong lò phản ứng khoảng ba năm, nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ được loại bỏ, cất giữ, sau đó được tái chế hoặc thải bỏ dưới lòng đất.

Ai sử dụng năng lượng hạt nhân?

Khoảng 10% điện năng trên thế giới được tạo ra từ uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Con số này lên tới hơn 2500 TWh mỗi năm, nhiều như từ tất cả các nguồn điện trên toàn thế giới vào năm 1960.

Nó đến từ hơn 440 lò phản ứng hạt nhân với tổng công suất đầu ra khoảng 390.000 megawatt (MWe) đang hoạt động tại 30 quốc gia. Khoảng 50 lò phản ứng nữa đang được xây dựng và hơn 100 lò đang được lên kế hoạch.

Bỉ, Bulgaria, Cộng hòa Séc, Phần Lan, Pháp, Hungary, Slovakia, Slovenia, Thụy Điển, Thụy Sĩ và Ukraine đều nhận được 30% hoặc nhiều hơn lượng điện từ các lò phản ứng hạt nhân. Hoa Kỳ chỉ có dưới 100 lò phản ứng đang hoạt động, cung cấp 20% điện năng. Pháp sử dụng hơn 70% sản lượng điện từ uranium.

Trong hơn 60 năm thế giới được hưởng những lợi ích của nguồn điện sạch từ năng lượng hạt nhân, đã có hơn 17.000 năm kinh nghiệm hoạt động của lò phản ứng.

Ở đâu có và khai thác uranium?

Uranium phổ biến trong nhiều loại đá, và thậm chí trong nước biển. Tuy nhiên, giống như các kim loại khác, nó hiếm khi được cô đặc đủ để có thể thu hồi về mặt kinh tế. Nó đang ở đâu. Khi xác định quặng là gì, các giả định được đưa ra về chi phí khai thác và giá thị trường của kim loại. Do đó, trữ lượng uranium được tính bằng tấn có thể thu hồi được với một chi phí nhất định.

Tài nguyên uranium theo quốc gia vào năm 2019

Tài nguyên đã xác định có thể phục hồi được (tài nguyên đảm bảo hợp lý cộng với tài nguyên suy luận), tới $ 130 / kg U, 1/1/19, từ OECD NEA & IAEA,  Uranium 2020: Tài nguyên, Sản xuất và Nhu cầu  (‘Sách Đỏ’). Tổng tài nguyên được xác định có thể phục hồi đến $ 260 / kg U là 8,070 triệu tấn U.

Sản lượng từ mỏ (tấn U)

Các cách sử dụng năng lượng hạt nhân khác

Uranium chỉ được bán cho các quốc gia ký kết Hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân (NPT) và cho phép kiểm tra quốc tế xác minh rằng nó chỉ được sử dụng cho các mục đích hòa bình.

Nhiều người, khi nói về năng lượng hạt nhân, họ chỉ nghĩ đến các lò phản ứng hạt nhân (hoặc có thể là vũ khí hạt nhân). Ít người nhận ra mức độ mà việc sử dụng đồng vị phóng xạ đã thay đổi cuộc sống của chúng ta trong vài thập kỷ qua.

Sử dụng các lò phản ứng hạt nhân có mục đích đặc biệt tương đối nhỏ, có thể chế tạo nhiều loại vật liệu phóng xạ (đồng vị phóng xạ) với chi phí thấp. Vì lý do này, việc sử dụng các đồng vị phóng xạ được sản xuất nhân tạo đã trở nên phổ biến từ đầu những năm 1950, và hiện có khoảng 220 lò phản ứng ‘nghiên cứu’ ở 56 quốc gia sản xuất chúng. Đây thực chất là các nhà máy sản xuất nơtron chứ không phải là nguồn nhiệt.

Đồng vị phóng xạ

Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta cần thức ăn, nước uống và sức khỏe tốt. Ngày nay, đồng vị phóng xạ đóng một phần quan trọng trong các công nghệ cung cấp cho chúng ta cả ba chất này. Chúng được tạo ra bằng cách bắn phá một lượng nhỏ các nguyên tố cụ thể bằng neutron.

Trong  y học , đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi để chẩn đoán và nghiên cứu. Máy đánh dấu hóa học phóng xạ phát ra bức xạ gamma cung cấp thông tin chẩn đoán về giải phẫu của một người và hoạt động của các cơ quan cụ thể. Xạ trị cũng sử dụng đồng vị phóng xạ trong điều trị một số bệnh tật, chẳng hạn như ung thư. Khoảng một trong hai người ở thế giới phương Tây có khả năng sẽ trải nghiệm những lợi ích của y học hạt nhân trong suốt cuộc đời của họ. Các nguồn gamma mạnh hơn được sử dụng để khử trùng ống tiêm, băng gạc và các dụng cụ y tế khác – khử trùng bằng gamma gần như phổ biến.

Trong  bảo quản thực phẩm , đồng vị phóng xạ được sử dụng để ức chế sự nảy mầm của cây ăn củ sau khi thu hoạch, để tiêu diệt ký sinh trùng và sâu bệnh, và kiểm soát sự chín của trái cây và rau quả được lưu trữ. Thực phẩm đã qua chiếu xạ được các cơ quan y tế quốc gia và thế giới chấp nhận để tiêu thụ cho con người ở một số quốc gia ngày càng tăng. Chúng bao gồm khoai tây, hành tây, trái cây khô và tươi, ngũ cốc và các sản phẩm từ ngũ cốc, thịt gia cầm và một số loại cá. Một số thực phẩm đóng gói sẵn cũng có thể được chiếu xạ.

Trong việc  trồng trọt  và chăn  nuôi , đồng vị phóng xạ cũng đóng một vai trò quan trọng. Chúng được sử dụng để sản xuất các giống cây trồng có năng suất cao, kháng bệnh và chịu được thời tiết, để nghiên cứu cách thức hoạt động của phân bón và thuốc trừ sâu, cũng như cải thiện năng suất và sức khỏe của vật nuôi.

Trong công nghiệp và trong khai thác mỏ, chúng được sử dụng để kiểm tra các mối hàn, phát hiện rò rỉ, nghiên cứu tốc độ mài mòn của kim loại và để phân tích trực tuyến nhiều loại khoáng sản và nhiên liệu.

Có nhiều công dụng khác. Đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ plutonium được hình thành trong các lò phản ứng hạt nhân được sử dụng trong hầu hết các thiết bị dò khói gia dụng  .

Đồng vị phóng xạ được sử dụng để phát hiện và phân tích các chất ô nhiễm trong môi trường, và nghiên cứu sự chuyển động của nước mặt trong các dòng suối và cả nước ngầm.

Các lò phản ứng khác

Ngoài ra còn có các ứng dụng khác cho lò phản ứng hạt nhân. Khoảng 200 lò phản ứng hạt nhân nhỏ cung cấp năng lượng cho khoảng 150 tàu, chủ yếu là tàu ngầm, nhưng khác nhau, từ tàu phá băng đến tàu sân bay. Những chiếc này có thể ở trên biển trong thời gian dài mà không cần phải dừng tiếp nhiên liệu. Ở Bắc Cực của Nga, nơi điều kiện hoạt động vượt quá khả năng của các tàu phá băng thông thường, các tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân rất mạnh hoạt động quanh năm, nơi trước đây chỉ có hai tháng cho phép tiếp cận phía bắc mỗi năm.

Nhiệt do lò phản ứng hạt nhân tạo ra cũng có thể được sử dụng trực tiếp thay vì tạo ra điện. Ví dụ, ở Thụy Điển, Nga và Trung Quốc, nhiệt lượng thặng dư được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà. Nhiệt hạt nhân cũng có thể được sử dụng cho nhiều quy trình công nghiệp khác nhau như khử muối trong nước. Khử muối hạt nhân có thể sẽ là một lĩnh vực tăng trưởng chính trong thập kỷ tới.

Nhiệt nhiệt độ cao từ các lò phản ứng hạt nhân có thể được sử dụng trong một số quy trình công nghiệp trong tương lai, đặc biệt là để sản xuất hydro.

Nguồn nhiên liệu quân sự

Cả uranium và plutonium đều được sử dụng để chế tạo bom trước khi chúng trở nên quan trọng để sản xuất điện và đồng vị phóng xạ. Loại uranium và plutonium cho bom khác với loại trong nhà máy điện hạt nhân. Uranium cấp bom được làm giàu cao (> 90% U-235, thay vì lên đến 5%); plutonium cấp bom khá tinh khiết Pu-239 (> 90%, thay vì khoảng 60% ở cấp lò phản ứng) và được chế tạo trong các lò phản ứng đặc biệt.

Kể từ những năm 1990, do việc giải giáp vũ khí, rất nhiều uranium quân sự đã được sử dụng để sản xuất điện. Uranium quân sự được pha loãng theo tỷ lệ 25: 1 với uranium đã cạn kiệt (chủ yếu là U-238) từ quá trình làm giàu trước khi được sử dụng trong sản xuất điện. Trong hơn hai thập kỷ đến năm 2013, một phần mười lượng điện của Hoa Kỳ được sản xuất từ ​​uranium của vũ khí Nga.

Tài liệu tham khảo:

• https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/introduction/what-is-uranium-how-does-it-work.aspx
• https://byjus.com/chemistry/uranium/