Uranium (còn được gọi là Urani) là một kim loại nặng, được hình thành cách đây 6,6 tỷ năm và được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Kim loại này được tìm thấy trong nước biển, trong các loại đá và trong lớp vỏ trái đất cùng với các kim loại khác như: thiếc, Vonfram và Molypden. Urani được lưu trữ, xử lý và bán dưới dạng tinh quặng uranium oxit (U3O8), đồng thời trữ lượng của kim loại này cũng dồi dào hơn vàng.
Nội Dung Bài Viết
Uranium là gì?
Uranium là một kim loại thuộc nhóm Actini và là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn, với số hiệu nguyên tử là 92. Kim loại này có ký hiệu hóa học là U. Một nguyên tử Urani có 92 proton và 92 electron, trong đó có 6 electron hóa trị. Kim loại này còn có đặc tính dẻo, dễ uốn, có khả năng đánh bóng và có trọng lượng nguyên tử cao nhất trong tất cả các nguyên tố tự nhiên.
Ngoài ra, Urani có màu trắng bạc giống như: bạc, bạch kim và Palladium,… nhưng không được ưa chuộng để chế tạo nên các loại trang sức độc đáo.
Tính chất vật lý và tính chất hóa học của Uranium
Urani sau khi được tách khỏi quặng, có màu trắng bạc, tính phóng xạ kém, mềm hơn thép, dẫn điện kém và dễ bị oxy hóa trong môi trường tự nhiên.
Kim loại này có đặc tính dẻo, dễ uốn và có tính thuận từ, được xếp thứ 2 trong khối lượng nguyên tử nặng. Mật độ của Urani không đặc bằng vàng và Volfram nhưng lại lớn hơn 70% so với mật độ của chì.
| Số nguyên tử | 92 |
| Cấu hình electron | [Rn] 5f3 6d1 7s2 |
| Trọng lượng nguyên tử | 238.029 |
| Nhiệt độ nóng chảy | 1135°C |
| Nhiệt độ sôi | 4131°C |
| Tỷ trọng | 19.1g/cm³ |
| Giai đoạn | 7 |
| Khối | Khối nguyên tố F |
| Trạng thái ở 20 độ C | Chất rắn |
| Đồng vị chính | U234, U235, U238 |
| Số CA S | 7440 – 61 – 1 |
Tính chất đồng vị của Uranium
| Đồng vị | Urani tự nhiên | Urani được làm giàu thấp | Urani được làm giàu có | Urani cạn kiệt | Chu kỳ bán ra |
| Uranium 238 | 99.28% | 96.471% | 96.471% | 99.8% | 4.468 tỷ năm |
| Uranium 235 | 0.72% | 0.711% | 20% | 0.2% | 703.8 triệu năm |
| Uranium 234 | 0.0057% | 0.029% | 0.029% | 0.001% | 245.500 năm |
Nguồn gốc của Uranium
Uranium được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1789 bởi Martin Klaproth, một nhà hóa học người Đức. Ông đã tiến hành cô lập một oxit trong Urani khi phân tích các mẫu quặng vàng từ mỏ vàng bạc Joachimsthal, Bohemia (ngày nay là Czechia). Ông đặt tên cho khám phá của mình là “Uran” theo tên hành tinh Uranus (Sao Thiên Vương).
Uranium có trong nhiều loại đá và thậm chí cả trong nước biển. Tuy nhiên, kim loại này hiếm khi được tìm thấy dưới với số lượng lớn để có mang lại hiệu quả cao về mặt kinh tế.
Urani dễ hòa tan và nước ngầm chứa urani kết tủa thành uranium oxit khi kim loại này đi vào môi trường khử. Kim loại này có thể được tái hòa tan tại chỗ từ các trầm tích sa khoáng bằng dung dịch lọc oxy.
Trạng thái tự nhiên của Urani
Trong tự nhiên, Uranium có nồng độ thấp với khoảng vài ppm trong nước biển, đá, đất cùng với khoáng sản Uraminit. Kim loại này có hàm lượng 2 đến 4 ppm trong lớp vỏ Trái Đất, gấp 40 lần khi so với nguyên tố bạc.
Uranium tự nhiên là một hỗn hợp các đồng vị, bao gồm một tỷ lệ nhỏ đồng vị có thể phân hạch để tạo ra nhiều năng lượng hơn bất kỳ quá trình đốt cháy nào. Đồng thời, kim loại này được tìm thấy dưới nhiều dạng khác nhau như: Urani 238 (99.284%), Urani 235 (0.711%), Urani 234 (0.0058%).
Trước đây, kim loại này thường được sử dụng để tạo màu cho thủy tinh và khai thác để thu được sản phẩm phân rã Radium.
Quá trình khai thác và sản xuất Uranium
Uranium là một kim loại phổ biến. Tuy nhiên, rất khó tìm kiếm những mỏ khoáng sản giàu urani đậm đặc để tiến hành khai thác.
Quặng Uranium có thể được khai thắc bằng nhiều cách như: đào mỏ lộ thiên, tách quặng từ đất đá hoặc khoang mỏ sâu trong lòng đất. Quặng kim loại này chứa khoảng 0,01 đến 0,25% Urani Oxide nên cần đo đạc trước khi áp dụng các phương pháp tách quặng phù hợp.
Cách khai thác quặng Uranium đơn giản là đổ trực tiếp Pepsi hoặc Coca Cola xuống các hầm mỏ lộ thiên hoặc các hầm mỏ sâu trong lòng đất. Khi chất lỏng đã thấm qua lớp trầm tích, Urani sẽ được tách ra và thu hoạch dễ dàng. Sau khi thu hoạch xong, quặng kim loại này sẽ được nghiền thành bột mịn và xử lý tại nhà máy để đem lại sản phẩm có giá trị hơn.
Ngoài ra, kim loại này cũng có thể được sản xuất bằng cách điện phân KU₅, UF₄ hoặc hòa tan trong dung dịch CaCl₂ và NaCl nóng chảy. Tuy nhiên, để thu được Urani tinh khiết cao thì cần sử dụng cách thức nhiệt phân Urani Halide trong điện cực nóng.
Công nghệ làm giàu Uranium
Uranium sau khi được khai thác, chiết xuất từ vỏ trái đất sẽ được các kỹ sư hóa học tách chất lỏng giàu Urani ra khỏi các khoáng chất khác có trong mẫu. Khi oxit urani thu được khô lại sẽ có màu của bột báng, do đó sản phẩm trung gian này còn được gọi là “bánh vàng”.
Các nhà kỹ sư sẽ tiếp tục trộn phần oxit Urani khô với Axit flohydric, khi thu được sản phẩm sẽ tiếp tục quay trong máy ly tâm để tách hỗn hợp ra khỏi Uranium 238 và Uranium 235. Quy trình này được gọi là quá trình “làm giàu”.
Các nhà máy điện hạt nhân thường chế tạo sản phẩm được làm giàu từ 3-5% Uranium 235, thay vì sử dụng nồng độ tự nhiên của kim loại là 0,7%. Tuy nhiên, đối với một số sản phẩm khác sẽ cần đến tỷ lệ Urani cao hơn, như vũ khí trong quân sự cần đến 90%.
Sau khi Urani được làm giàu sẽ được kết hợp với một chất điều tiết, chẳng hạn như nước, để làm chậm các Neutron (còn được gọi là số lượng nguyên tử) có trong Urani. Điều này làm tăng khả năng xảy ra phản ứng dây chuyền nhất quán. Ví dụ như mỗi Neutron riêng lẻ sẽ biến đổi thành 2, 4 Neutron, tạo ra năng lượng trong suốt thời gian phản ứng.
Hiện nay ngoài phương pháp ly tâm phổ biến, Uranium còn có nhiều phương pháp làm giàu khác như:
- Tách đồng vị điện tử
- Khuếch tán nhiệt
- Khuếch tán khí
- Khí động học
- Tách đồng vị laze
Các loại Uranium
Uranium có một số đồng vị quan trọng khác nhau, tuy cùng một chất nhưng các đồng vị này khác nhau về số lượng Neutron.
Uranium 238 và Uranium 234
Phổ biến nhất là Uranium 238, chiếm 99% sự hiện diện của Urani trên Trái đất. Đồng vị ít phổ biến nhất là Urani 234, có thể tạo thành Urani 238 phân rã.
Cả hai đồng vị này đều không có tính phân hạch, có nghĩa là các nguyên tử của kim loại này không dễ dàng phân tách. Do vậy, Urani không thể duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân.
Uranium 235
Đặc tính của Urani 238 và Urani 234 đã làm cho đồng vị Urani 235 trở nên đặc biệt hơn. Đồng vị này có thể phân hạch, có một chút độ dẻo và có thể hỗ trợ trong các phản ứng dây chuyền hạt nhân.
Điều này làm cho Uranium 235 trở thành một sản phẩm lý tưởng cho các nhà máy điện hạt nhân và công nghệ sản xuất vũ khí.
Uranium 233
Urani 233 là một sản phẩm phân hạch có nguồn gốc hoàn toàn khác, từ Thorium. Đây là một hóa chất kim loại dồi dào hơn nhiều so với Urani. Nếu các nhà vật lý hạt nhân cho Thorium 232 tiếp xúc với Neutron, kim loại này có khả năng hấp thụ Neutron và bị phân hủy thành Uranium 233.
Uranium được chế tạo thành Plutonium
Tương tự như việc chế tạo Thorium thành Urani, bạn có thể chế tạo kim loại Uranium thành Plutonium.
Cho một lượng Uranium 238 dồi dào tiếp xúc trực tiếp với Neutron. Kim loại này sẽ hấp thụ Neutron và phân rã thành Plutonium-239, một chất phân hạch khác được sử dụng để tạo ra năng lượng hạt nhân và vũ khí.
Mặc dù Plutonium có thể xuất hiện trong tự nhiên cùng với Urani nhưng rất hiếm và thực sự, Plutonium chỉ được nhìn thấy trong phòng thí nghiệm.
Ứng dụng Uranium
Uranium thường được biết đến là kim loại chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu trong các lò phản ứng điện hạt nhân để phát điện. Ngoài việc cung cấp khoảng 14% điện năng trên thế giới, kim loại này còn có nhiều ứng dụng quan trọng khác thông qua việc sản xuất các đồng vị vô tuyến, bao gồm:
Quân sự và dân sự
Trong nhiều năm kể từ những năm 1940, tất cả Uranium được khai thác đều được sử dụng để sản xuất vũ khí hạt nhân, nhưng điều này đã không còn đúng vào những năm 1970.
Tuy nhiên, ngày nay vì Urani có nhiều đặc tính nên vẫn được sử dụng trong quân sự và dân sự như:
- Urani cạn kiệt được quân đội sử dụng cho khả năng xuyên giáp, làm chất xuyên thấu như đạn, áo giáp,…
- Urani được làm giàu cao (Uranium 235) thường được quân đội lựa chọn sử dụng làm vũ khí hạt nhân như bom, để tạo ra các vụ nổ.
Y học
Uranium và các hạt nhân phóng xạ khác được sử dụng trong y học như: MRI, tia X, tiêm đồng vị phóng xạ, điều trị bức xạ,… Ứng dụng này được sử dụng để chẩn đoán bệnh bằng sóng vô tuyến, bức xạ ion hóa để tiêu diệt tế bào ung thư và các hoạt động chữa bệnh khác.
Nghiên cứu khoa học
Urani còn được ứng dụng vào các nghiên cứu khoa học như vật liệu xác định niên đại, thông tin thành phần, nghiên cứu trao đổi chất,…
Nông nghiệp
Urani được ứng dụng vào nông nghiệp với nhiều công dụng khác nhau như chiếu xạ thực phẩm và hạt giống, khử trùng đất để ngăn chặn côn trùng và động vật gây hại,…
Sản phẩm tiêu dùng
Urani được ứng dụng vào các sản phẩm tiêu dùng như: máy dò khói, đồng hồ, băng quấn chiếu xạ và các vật dụng khác để khử trùng, linh kiện máy tính,…
Thử nghiệm vật liệu cho các ngành công nghiệp
Tuy Urani chủ yếu sử dụng trọng ngành năng lượng hạt nhân, nhưng nhiệt từ phản ứng phân hạch hạt nhân cũng có thể được sử dụng cho các quy trình công nghiệp. Do đó, kim loại này thường được ứng dụng vào nhiều ngành công nghiệp như: ô tô, máy bay, hàng hải, xây dựng, khai thác mỏ và dầu, nhiên liệu.
Ngoài ra, Uranium cạn kiệt đã được sử dụng để làm đối trọng trong thuyền buồm, dằn tàu thuyền, bột màu và tấm chắn bức xạ.
Uranium được tìm thấy ở đâu?
Urani được tìm thấy với số lượng nhỏ trong các loại đá và trong nước biển. Các mỏ uranium được tìm thấy ở nhiều quốc gia, nhưng hơn 85% urani được sản xuất ở sáu quốc gia sau: Kazakhstan, Canada, Australia, Namibia, Niger và Nga.
Uranium tại Việt Nam
Việt Nam là nước có nhiều tiềm năng về Urani với các loại hình khác nhau, được phân phối trong nhiều cấu trúc địa chất ở Bắc Bộ và Trung Bộ. Tài nguyên và trữ lượng của nguyên tố này được dùng để phát triển điện hạt nhân và nhiều ngành khác nhau ở nước ta.
Uranium có giá bao nhiêu?
Urani đem lại hiệu quả kinh tế cao khi được khai thác tại nước ta, kim loại này có giá khoảng 130 USD/ 1kg.
Tài nguyên Urani của Úc chiếm hơn 25% tổng số lượng của thế giới và Kazakhstan là nguồn cung hàng đầu trên thế giới. Các quốc gia khác có nguồn tài nguyên đáng kể bao gồm Liên bang Nga, Canada Nam Phi, Namibia và Niger, nên có nền kinh tế khá phát triển.
Uranium chỉ được bán cho các quốc gia đã ký kết Hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân và cho phép thanh tra quốc tế xác minh rằng kim loại này chỉ được sử dụng cho mục đích hòa bình.
Uranium có độc không?
Tuy kim loại Urani rất phổ biến, nhưng cần hết sức thận trọng vì phóng xạ của nguyên tố có thể gây ra hậu quả khôn lường đối với con người.
Nếu lò phản ứng hạt nhân bị rò rỉ hoặc nổ, phóng xạ này sẽ lan ra ngoài, gây nguy hiểm chết người và ảnh hưởng nhiều hệ lụy lâu dài. Vì vậy, cần đặc biệt chú ý trong quá trình khai thác và sử dụng Urani.
Ăn phải Uranium có sao không?
Không chỉ khi tiếp xúc với Urani trong nhà máy sản xuất hoặc nhà máy điện hạt nhân, kim loại này còn có khả năng gây nhiễm thông qua đường ăn uống. Các loại thực phẩm giàu chất Uranium như khoai tây, củ cải và một số loại thực phẩm khác. Trung bình con người có thể nạp vào cơ thể khoảng 0,07 đến 1,1 microgram urani.
Tuy nhiên, số lượng urani này không thể gây hại cho chúng ta. Khoảng 95 – 99% lượng Urani được ăn vào bụng sẽ bị đào thải qua đường tiêu hóa và đường tiết niệu trong vòng 24 giờ. Nhưng bạn cũng nên hạn chế những thức ăn chứa nhiều Uranium, để đảm bảo sức khỏe cho chính mình và gia đình.
Trong bài viết trên, Kim Cương Đá Quý đã giúp bạn giải đáp thắc mắc Uranium là gì và nguồn gốc, tính chất, ứng dụng của kim loại này. Hy vọng những thông tin vừa rồi sẽ hữu ích đối với bạn.