Uranium là gì?

Uranium (Urani) là một nguyên tố hóa học, ký hiệu U và số nguyên tử là 92. Đây là một kim loại màu xám bạc thuộc họ actinide của bảng tuần hoàn. Một nguyên tử uranium có 92 proton và 92 electron, trong đó có 6 electron là electron hóa trị. Uranium phân rã phóng xạ, thường bằng cách phát ra hạt alpha.

Chu kỳ bán rã của quá trình phân rã này dao động từ 159.200 đến 4,5 tỷ năm đối với các đồng vị khác nhau, khiến chúng trở nên hữu ích trong việc xác định tuổi của Trái Đất.

Các đồng vị phổ biến nhất trong uranium tự nhiên là Uranium-238 (có 146 neutron, chiếm hơn 99% lượng uranium trên Trái Đất) và Uranium-235 (có 143 neutron)

Uranium có khối lượng nguyên tử lớn nhất trong các nguyên tố nguyên thủy. Khối lượng riêng của nó cao hơn khoảng 70% so với chì và thấp hơn một chút so với vàng hoặc vonfram.

Uranium tồn tại trong tự nhiên ở nồng độ thấp, chỉ vài phần triệu trong đất, đá và nước; và được chiết xuất thương mại từ các khoáng chất chứa urani như uraninit.

Bảng thông tin nguyên tố Uranium (U)

Đặc điểm của Uranium

Uranium là một kim loại màu trắng bạc, có tính phóng xạ yếu. Nó có độ cứng Mohs bằng 6, đủ để làm xước kính và gần bằng độ cứng của titan, rhodi, mangan và niobi.

Uranium dễ uốn, dễ kéo sợi, hơi thuận từ, có độ dương điện mạnh và dẫn điện kém.

Kim loại Uranium có khối lượng riêng rất cao là 19,1 g/cm3, đặc hơn chì (11,3 g/cm3), nhưng hơi kém đặc hơn vonfram và vàng (19,3 g/cm3).

Kim loại Uranium có ba dạng thù hình:

• α (trực thoi – orthorhombic) ổn định ở nhiệt độ lên đến 668 °C (1.234 °F). Hệ tinh thể orthorhombic, nhóm không gian số 63 (Cmcm), các tham số mạng: a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm.
• β (tứ phương – tetragonal) ổn định từ 668 đến 775 °C (1.234 đến 1.427 °F). Hệ tetragonal, nhóm không gian P42/mnm, P42nm hoặc P4n2, tham số mạng: a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm.
• γ (lập phương tâm khối – body-centered cubic) từ 775 °C (1.427 °F) đến điểm nóng chảy—đây là trạng thái dẻo và dễ uốn nhất. Cấu trúc lập phương tâm khối, tham số mạng a = 352 pm.

Ứng dụng của Uranium

Quân sự

Ứng dụng chính của uranium trong lĩnh vực quân sự là chế tạo đạn xuyên giáp mật độ cao. Loại đạn này bao gồm uranium nghèo (DU) được hợp kim hóa với 1–2% các nguyên tố khác, chẳng hạn như titan hoặc molypden.

Dân sự

Ứng dụng chính của uranium trong lĩnh vực dân sự là làm nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân. Về mặt lý thuyết, một kilôgam uranium-235 có thể tạo ra khoảng 20 terajoule năng lượng (2×10¹³ joule) nếu phản ứng phân hạch hoàn toàn – năng lượng tương đương với 1,5 triệu kilôgam (1.500 tấn) than đá.

Sử dụng Uranium trong lịch sử

Ứng dụng trước khi phát hiện

Việc sử dụng uranium dạng oxit tự nhiên (pitblende), hay uranium, đã có từ ít nhất là năm 79 SCN, khi nó được sử dụng ở Đế chế La Mã để tạo màu vàng cho men gốm.

Thủy tinh màu vàng với 1% uranium oxit đã được tìm thấy trong một biệt thự La Mã trên Mũi Posillipo thuộc Vịnh Naples, Ý, bởi R. T. Gunther thuộc Đại học Oxford vào năm 1912.

Bắt đầu từ cuối thời Trung Cổ, uranium được khai thác từ các mỏ bạc Habsburg ở Joachimsthal, Bohemia (nay là Jáchymov thuộc Cộng hòa Séc) trên dãy núi Ore, và được sử dụng làm chất tạo màu trong ngành công nghiệp sản xuất thủy tinh địa phương.

Vũ khí hạt nhân

Hoa Kỳ đã phát triển hai loại bom nguyên tử trong Thế chiến II: một thiết bị dựa trên uranium (mật danh “Little Boy”) với vật liệu phân hạch là uranium làm giàu cao và một thiết bị dựa trên plutonium (xem thử nghiệm Trinity và “Fat Man”) với plutonium có nguồn gốc từ uranium-238.

Little Boy trở thành vũ khí hạt nhân đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh khi nó được kích nổ trên bầu trời Hiroshima, Nhật Bản, vào ngày 6 tháng 8 năm 1945.

Phát nổ với sức công phá tương đương 12.500 tấn thuốc nổ TNT

Lò phản ứng

Lò phản ứng than chì X-10 tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) ở Oak Ridge, Tennessee, trước đây được gọi là Clinton Pile và X-10 Pile, là lò phản ứng hạt nhân nhân tạo thứ hai trên thế giới (sau Chicago Pile của Enrico Fermi) và là lò phản ứng đầu tiên được thiết kế và xây dựng để hoạt động liên tục.

Phân hạch tự nhiên thời tiền sử

Mỏ Oklo ở Gabon (Châu Phi), gọi chung là Lò phản ứng Hóa thạch Oklo. Mỏ quặng này có niên đại 1,7 tỷ năm; khi đó, uranium-235 chiếm khoảng 3% uranium trên Trái Đất. Con số này đủ cao để cho phép một phản ứng dây chuyền kéo dài, nếu có các điều kiện hỗ trợ khác.

Ô nhiễm và di sản Chiến tranh Lạnh

Các vụ thử hạt nhân trên mặt đất của Liên Xô, Hoa Kỳ (vào những năm 1950 và đầu những năm 1960), của Pháp (vào những năm 1970 và 1980), đã phát tán một lượng lớn bụi phóng xạ từ các đồng vị con của uranium trên khắp thế giới.

Sự xuất hiện của Uranium

Uranium là một nguyên tố tự nhiên được tìm thấy ở hàm lượng thấp trong tất cả các loại đá, đất và nước. Đây là nguyên tố có số lượng cao nhất được tìm thấy tự nhiên với số lượng đáng kể trên Trái Đất và hầu như luôn được tìm thấy kết hợp với các nguyên tố khác.

Uranium là nguyên tố phổ biến thứ 48 trong lớp vỏ Trái Đất. Sự phân rã của uranium, thori và kali-40 trong lớp phủ Trái Đất được cho là nguồn nhiệt chính duy trì lõi ngoài của Trái Đất ở trạng thái lỏng và thúc đẩy sự đối lưu lớp phủ, từ đó thúc đẩy kiến ​​tạo mảng.

Nguồn gốc

Giống như tất cả các nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn hơn sắt, uranium chỉ được hình thành tự nhiên thông qua quá trình r (bắt neutron nhanh) trong các vụ sáp nhập siêu tân tinh và sao neutron.

Thorium và uranium nguyên thủy chỉ được tạo ra trong quá trình r, vì quá trình s (bắt neutron chậm) quá chậm và không thể vượt qua khoảng trống bất ổn định sau bismuth.

Bên cạnh hai đồng vị uranium nguyên thủy còn tồn tại là 235U và 238U, quá trình r còn tạo ra một lượng đáng kể 236U, có chu kỳ bán rã ngắn hơn và do đó, đây là một đồng vị phóng xạ đã tuyệt chủng, từ lâu đã phân rã hoàn toàn thành 232Th.

Sinh học và Phi sinh học

Một số vi khuẩn, chẳng hạn như Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens và một số chủng Burkholderia fungorum, có thể sử dụng uranium để phát triển và chuyển đổi U(VI) thành U(IV).

Nghiên cứu gần đây cho thấy con đường này bao gồm quá trình khử U(VI) hòa tan thông qua trạng thái trung gian hóa trị năm U(V).

Các sinh vật khác, chẳng hạn như địa y Trapelia involuta hoặc vi sinh vật

Các loài như vi khuẩn Citrobacter có thể hấp thụ nồng độ uranium cao gấp 300 lần nồng độ trong môi trường của chúng.

Sản xuất và khai thác Uranium

Sản lượng uranium toàn cầu năm 2021 là 48.332 tấn, trong đó 21.819 tấn (45%) được khai thác tại Kazakhstan.

Các quốc gia khai thác uranium quan trọng khác là Namibia (5.753 tấn), Canada (4.693 tấn), Úc (4.192 tấn), Uzbekistan (3.500 tấn) và Nga (2.635 tấn).

Quặng uranium được khai thác theo nhiều cách: khai thác lộ thiên, khai thác ngầm, khai thác tại chỗ và khai thác bằng giếng khoan.

Quặng uranium hàm lượng thấp được khai thác thường chứa từ 0,01 đến 0,25% uranium oxit.

Tài nguyên và trữ lượng Uranium

Ước tính có khoảng 6,1 triệu tấn uranium tồn tại dưới dạng quặng có thể khai thác với giá trị kinh tế ở mức 130 USD/kg uranium và 35 triệu tấn được phân loại là tài nguyên khoáng sản (triển vọng khai thác kinh tế trong tương lai).

Nguồn cung Uranium

Năm 2005, mười quốc gia chiếm phần lớn lượng urani oxit cô đặc trên thế giới: Canada (27,9%), Úc (22,8%), Kazakhstan (10,5%), Nga (8,0%), Namibia (7,5%), Niger (7,4%), Uzbekistan (5,5%), Hoa Kỳ (2,5%), Argentina (2,1%) và Ukraine (1,9%).

Năm 2008, Kazakhstan được dự báo sẽ tăng sản lượng và trở thành nhà cung cấp uranium lớn nhất thế giới vào năm 2009. Kazakhstan đã thống trị thị trường uranium thế giới kể từ năm 2010.

Năm 2021, thị phần của Kazakhstan là 45,1%, tiếp theo là Namibia (11,9%), Canada (9,7%), Úc (8,7%), Uzbekistan (7,2%), Niger (4,7%), Nga (5,5%), Trung Quốc (3,9%), Ấn Độ (1,3%), Ukraine (0,9%) và Nam Phi (0,8%), với tổng sản lượng toàn cầu là 48.332 tấn.

Phần lớn uranium được sản xuất không phải bằng cách khai thác quặng ngầm thông thường (chiếm 29% sản lượng) mà bằng phương pháp chiết xuất tại chỗ (66%).

Đồng vị

Uranium giống như tất cả các nguyên tố có số hiệu nguyên tử lớn hơn 82 (Z > 82), không có đồng vị bền. Tất cả các đồng vị của uranium đều có tính phóng xạ vì lực hạt nhân mạnh không thắng được lực đẩy điện từ trong các hạt nhân chứa hơn 82 proton.

Tuy nhiên, hai đồng vị bền nhất là 238U và 235U, có chu kỳ bán rã đủ dài để tồn tại trong tự nhiên dưới dạng các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy, với một lượng có thể đo lường được đã tồn tại kể từ khi Trái Đất hình thành.

Hai đồng vị này cùng với thorium-232 là những nuclit nguyên thủy duy nhất được xác nhận nặng hơn bismuth-209 còn tồn tại.

Phân tách đồng vị làm cô đặc uranium

Trong tự nhiên, uranium được tìm thấy dưới dạng uranium-238 (99,2742%) và uranium-235 (0,7204%).

Phân tách đồng vị làm cô đặc uranium-235 phân hạch dùng cho vũ khí hạt nhân và hầu hết các nhà máy điện hạt nhân, ngoại trừ các lò phản ứng làm mát bằng khí và lò phản ứng nước nặng áp suất cao.

Hầu hết các neutron được giải phóng bởi một nguyên tử uranium-235 phân hạch phải tác động vào các nguyên tử uranium-235 khác để duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân.

Nồng độ và lượng uranium-235 cần thiết để duy trì phản ứng được gọi là “khối lượng tới hạn”.

Phơi nhiễm Unranium

Một người có thể bị phơi nhiễm với uranium (hoặc các đồng vị phóng xạ của nó, chẳng hạn như radon) do hít phải bụi trong không khí hoặc do ăn phải nước và thực phẩm bị nhiễm uranium.

Tác động và biện pháp phòng ngừa Uranium

Hoạt động bình thường của thận, não, gan, tim và các hệ thống khác có thể bị ảnh hưởng do phơi nhiễm uranium bởi vì ngoài tính phóng xạ yếu, uranium còn là một kim loại độc hại. Uranium cũng là một chất độc ảnh hưởng đến sinh sản.

Các tác động phóng xạ thường mang tính cục bộ vì bức xạ alpha, dạng phân rã chính của 238U, có tầm xuyên rất ngắn và không xuyên qua da. Bức xạ alpha từ uranium hít phải đã được chứng minh là gây ung thư phổi ở những công nhân hạt nhân bị phơi nhiễm.