Uranium là thành phần đặc biệt để chế tạo bom nguyên tử cùng rất nhiều ứng dụng trong đời sống. Bài viết này, Gockhampha.edu.vn sẽ cùng bạn tìm hiểu về nguyên tố Uranium là gì cũng như những ứng dụng của Uranium trong công nghệ và đời sống nhé!
Bạn đang đọc: Uranium là gì? Tất tần tật về nguyên tố chế tạo bom nguyên tử
Contents
Uranium là gì?
Khái niệm
Urani hay uranium là nguyên tố hóa học có số thứ tự nguyên tử là 92 trong Bảng tuần hoàn hóa học. Uranium có ký hiệu là U, thuộc nhóm Actini. Ở trạng thái bình thường, Uranium là kim loại màu xám bạc, ăn mòn trong không khí tạo lớp vỏ oxit màu đen.
Urani có nhiều đồng vị phóng xạ trong tự nhiên, phổ biến nhất là urani-238, urani-235 và urani-239.
Nguồn gốc tên gọi
Vào năm 1789, Martin Heinrich Klaproth đã phát hiện ra Urani trong khoáng vật pitchblende. Ông được công nhận là người đầu tiên phát hiện ra nguyên tố này. Nhờ vào điều đó, ông được phép đặt tên cho nó và Klaproth đã đặt tên nguyên tố mới này theo tên hành tinh Uranus (Sao Thiên Vương).
Trạng thái tự nhiên
Trạng thái trong tự nhiên của Uranium là một quặng kim loại. Uranium vốn có nồng độ rất thấp, chỉ vài ppm trong nước biển, đá, đất cùng với khoáng sản Uraninit. Tuy nhiên, kim loại này có thể tìm thấy và có hàm lượng cao từ 2 lên đến 4 ppm trong lớp vỏ Trái Đất.
Ngoài quặng kim loại, Uranium còn được tìm thấy dưới nhiều dạng khác nhau như: Urani 238 (99,284%), Urani 235 (0,711%), Urani 234 (0,0058%). Trước đây, sau khi khai thác, nó thường được sử dụng để tạo màu cho thủy tinh hoặc sản phẩm phân rã Radium.
Phân bố
Vì hàm lượng Urani được tìm thấy trong các loại đá và trong nước biển là rất thấp, vì thế phân bố của Uranium là không phổ biến. Nhiều quốc gia sẽ có mỏ quặng kim loại này, nhưng hơn 85% Urani được tập trung và được khai thác – sản xuất tại 6 quốc gia: Kazakhstan, Canada, Australia, Namibia, Niger và Nga.
Lịch sử, nguồn gốc của uranium
Năm 1789 tức là cách đây hơn 200 năm, nguyên tố kim loại Uranium đã được phát hiện bởi nhà hoá học M.H. Klapơrôt (người Đức). Bước ngoặt đánh dấu tầm quan trọng của nguyên tố Urani là phát minh tia phóng xạ tự nhiên phát ra từ quặng Urani và Thori. Marie Curie cùng chồng là Pierre Curie và người thầy của mình (Henri Becquerel) đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 1903 vì phát minh vĩ đại này.
Tuy nhiên, điều quan trọng nhất đối với Urani lại chính là là tính chất phân hạch của U-235, mà tính chất phân hạch này được các nhà khoa học E. Fermi (Ý), O. Hahn và Ph. Strassman (Đức) phát hiện.
Tính chất của Uranium
Sau khi tách khỏi quặng được khai thác, Urani lúc này sẽ có màu trắng bạc. Khi này tính phóng xạ và dẫn điện của nó khá kém, dễ bị oxi hóa khi đặt trong môi trường tự nhiên. Đặc tính của kim loại Uranium là tính thuận từ, dẻo và dễ uốn.
Bên cạnh những tính chất trên thì Uranium còn được xếp thứ 2 trong khối lượng nguyên tử nặng, không đặc bằng vàng và Wolfram nhưng lại lớn hơn 70% so với mật độ của chì. Ngoài ra Uranium còn có tính chất đồng vị.
Quá trình khai thác và sản xuất Uranium
Uranium không phải là một kim loại hiếm nhưng cần phải có những mỏ khoáng sản giàu Urani đậm đặc thì mới có thể tiến hành khai thác, mà những mỏ như thế này thì lại rất khó tìm. Khi có được mỏ quặng đủ điều kiện, ta có thể dùng nhiều cách như: đào mỏ lộ thiên, tách quặng từ đất đá hoặc khoáng mỏ sâu trong lòng đất,… để khai thác.
Kế đó, người ta đổ trực tiếp Pepsi hoặc Coca Cola xuống các hầm mỏ lộ thiên hoặc các hầm mỏ sâu trong lòng đất, đợi chất lỏng đã thấm qua lớp trầm tích, Urani sẽ được tách ra và thu hoạch dễ dàng. Trước khi áp dụng các phương pháp tách quặng phù hợp, cần tiến hành đo đạc và phân tích kỹ lưỡng vì quặng kim loại Uranium thường chứa khoảng 0,01 đến 0,25% Urani Oxide.
Quặng kim loại sau thu hoạch sẽ được tiến hành xử lí tại nhà máy để nghiền thành bột mịn, tạo ra sản phẩm có giá trị hơn. Bên cạnh đó, có thể sử dụng phương án điện phân KU₅, UF₄ hoặc hòa tan trong dung dịch CaCl₂ và NaCl nóng chảy để sản xuất Uranium, với phương án này, cần sử dụng cách thức nhiệt phân Urani Halide trong điện cực nóng để thu được Uranium với độ tinh khiết cao.
Công nghệ làm giàu Uranium
Quá trình “làm giàu” Uranium phổ biến nhất là công nghệ ly tâm, gồm các công đoạn sau:
- 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 Uranium sau khi khai thác.
- Chờ oxit Urani khô lại (có màu bột báng và được gọi là “bánh vàng”), các nhà kỹ sư sẽ tiếp tục trộn phần oxit Urani khô với Axit flohydric rồi quay nó trong máy ly tâm. Hỗn hợp sau đó được tách ra là Uranium 238 và Uranium 235.
Quy trình này được thực hiện tại các nhà máy điện hạt nhân, sản phẩm được làm giàu thường là từ 3-5% Uranium 235 (nồng độ tự nhiên của kim loại là 0,7%) và nồng đồ sẽ cần cao hơn nữa trong một số sản phẩm khác (ví dụ như vũ khí quân sự).
Sau đó, Uranium sẽ được kết hợp với một chất điều tiết để làm chậm các Neutron có trong Urani. Điều này tạo ra năng lượng trong suốt thời gian phản ứng nhờ vào việc tăng khả năng xảy ra phản ứng dây chuyền nhất quán.
Ngoài phương pháp ly tâm như trên, còn có một số phương pháp làm giàu Uranium khác như:
- Tách đồng vị điện tử.
- Khuếch tán nhiệt, khuếch tán khí.
- Khí động học.
- Tách đồng vị laze.
Các loại uranium phổ biến hiện nay
Uranium 238
Đây là loại Uranium phổ biến nhất bởi nó là chiếm 99% “thị phần” Urani trên Trái đất. Đặc tính của nó là không có tính phân hạch. Các nguyên tử của kim loại này không dễ dàng phân tách, bởi vậy mà không thể duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân.
Uranium 234
Ngược lại với Uranium 238, Uranium 234 là loại ít phổ biến nhất và đây cũng là loại có thể chế tạo thành Urani 238 phân rã. Tuy nhiên nó cũng như Uranium 238 là không có tính phân hạch.
Uranium 235
So với 2 loại Uranium trên thì đồng vị Uranium 235 này đặc biệt hơn bởi nó có thể phân hạch, nhờ vậy mà hỗ trợ dây chuyền hạt nhân. Ngoài ra nó còn có một độ dẻo nhất định. Đây là một sản phẩm lý tưởng cho các nhà máy điện hạt nhân, đóng góp vào công nghệ sản xuất vũ khí.
Uranium 233
Đồng vị này là một sản phẩm phân hạch có nguồn gốc từ Thorium, vốn không giống những loại khác. Hóa chất của nó cho ra kim loại dồi dào hơn nhiều so với Urani. Thorium 232 tiếp xúc với Neutron thì nó có khả năng hấp thụ Neutron, từ đó bị phân hủy rồi hình thành Uranium 233.
Tìm hiểu thêm: Halogen là gì? Tìm hiểu lý thuyết và bài tập nhóm halogen
Uranium được chế tạo thành Plutonium
Bằng cách tương tự như việc chế tạo Thorium thành Uranium 233, bạn có thể chế tạo kim loại Uranium thành Plutonium. Uranium 238 dồi dào tiếp xúc trực tiếp với Neutron thì sẽ hấp thụ Neutron và phân rã thành Plutonium-239.
Đây vốn là một chất phân hạch được sử dụng để tạo ra năng lượng hạt nhân và vũ khí và nó rất hiếm khi được tìm thấy trong tự nhiên, gần như hoàn toàn chỉ có mặt và được nhìn thấy trong phòng thí nghiệm.
Vì sao Uranium được dùng để chế tạo bom nguyên tử?
Về tính chất, Uranium là một trong những nguyên tố tự nhiên nặng nhất, chỉ có thể được hình thành trong một số sự kiện khắc nghiệt, được gọi là quá trình r. Sự hiện diện của Uranium đang phân rã là lý do Trái Đất có nhiệt bên trong, vậy thôi cũng đủ hiểu năng lượng của nó lớn đến thế nào.
Trong hạt nhân của Uranium có đến 92 proton và một lượng Neutron thay đổi dao động từ 140 đến 146. Theo thời gian, nó phát ra bức xạ dưới dạng nguyên tử Heli, biến thành Thorium. Uranium nhờ vậy mà có tính phóng xạ cực cao (được phát hiện vào năm 1896), còn có cả tính chất theo thời gian bán rã của nó.
Sau nhiều nghiên cứu, người ta phát hiện Uranium có thể phân hủy thành nguyên tố nhẹ hơn và đặt tên cho quá trình này là sự phân hạch hạt nhân, lúc này nó hoàn toàn có thể giải phóng năng lượng hóa học tương đương với việc đốt 1,5 triệu kg than.
Phần còn lại của quá trình làm giàu cũng tạo ra Uranium nghèo (có ít Uranium-235 hơn), nó lại góp phần trở thành thùng chứa để vận chuyển chất phóng xạ, thiết bị chụp ảnh phóng xạ công nghiệp, mạ áo giáp,…
Nói một cách tóm gọn, Uranium có khả năng lưu trữ rồi giải phóng năng lượng một cách bùng nổ, bởi vậy nó cực phù hợp trong sản xuất vũ khí hạt nhân, đặc biệt là bom nguyên tử.
Ứng dụng của Uranium
Quân sự và dân sự
Hầu hết ứng dụng của Uranium trong lĩnh vực này hầu hết đều là chế tạo hạt nhân, đặc biệt là Urani được làm giàu. Ngày nay, nhờ vào nhiều đặc tính hữu dụng khác nhau được phát hiện nên Urani vẫn được sử dụng trong quân sự và dân sự như Urani nghèo có thể sử dụng cho khả năng xuyên giáp, làm áo giáp, chất xuyên thấu,…
Nghiên cứu khoa học
Phức tạp và năng lượng mạnh, nhiều khía cạnh để khai thác nên Urani còn được ứng dụng vào trong các chương trình nghiên cứu khoa học. Một vài nghiên cứu được biết đến như là vật liệu xác định niên đại, nghiên cứu về trao đổi chất hay thông tin thành phần,…
Y học
Uranium với tính phóng xạ được sử dụng trong y học với các ứng dụng như tia X, MRI, điều trị bức xạ,… Cụ thể chúng sẽ được ứng dụng vào việc chẩn đoán bệnh bằng sóng vô tuyến, tiêu diệt tế bào ung thư bằng bức xạ ion hóa.
Nông nghiệp
Ứng dụng của Urani vào công nghiệp chủ yếu là chiếu xạ hay khử trùng. Có thể kể đến một vài ứng dụng cụ thể như: Chiếu xạ thực phẩm và hạt giống, khử trùng đất từ đó ngăn chặn côn trùng và động vật gây hại,…
Thử nghiệm vật liệu cho các ngành công nghiệp
Nhiệt từ phản ứng phân hạch hạt nhân có thể được sử dụng cho các quy trình công nghiệp như ô tô, máy bay, nhiên liệu, khai thác,… Bên cạnh đó, Uranium nghèo sẽ được sử dụng để làm đối trọng, thường tìm thấy trong thuyền buồm, bột màu và tấm chắn bức xạ,…
Sản xuất sản phẩm tiêu dùng
Dù mỏ ở dạng kim loại hay các dạng khác, thì Uranium cũng dùng để chế tạo sản phẩm tiêu dùng. Các sản phẩm tiêu dùng thường thấy nhờ ứng dụng của Urani là: các vật dụng khử trùng, linh kiện máy tính, đồng hồ, băng quấn chiếu xạ,…
Giải đáp một số câu hỏi liên quan đến Uranium
Uranium có ở Việt Nam không?
Kết quả điều tra của ngành Địa chất trong thời gian qua cho thấy tài nguyên, trữ lượng urani đang được điều tra, thăm dò đáp ứng cho phát triển điện hạt nhân ở nước ta. Việt Nam là nước có tiềm năng về Urani với nhiều loại hình, phân bố trong nhiều cấu trúc địa chất ở hai khu vực Bắc Bộ và Trung Bộ như Quảng Nam, Lai Châu.
Uranium có giá bao nhiêu?
Giá tiền của 1kg Uranium là vào khoảng 130 USD/1kg. Vì vậy ngoài các công dụng như chế tạo vũ khí hay áp dụng thực tiễn khác, Urani còn đem lại hiệu quả kinh tế cao nếu biết cách khai thác.
Uranium có độc không?
Kim loại Uranium tuy phổ biến nhưng khó khai thác và cần cẩn trọng, đặc biệt là với phóng xạ của nó. Phóng xạ của Uranium gây nguy hiểm chết người và ảnh hưởng nhiều hệ lụy lâu dài. Nên những khai thác hay chế tạo Uranium đều được hết sức lưu tâm và kĩ lưỡng.
Ăn phải Uranium có sao không?
Kim loại này còn có khả năng gây nhiễm thông qua đường ăn uống. Trung bình con người có thể nạp vào cơ thể khoảng 0,07 đến 1,1 microgram Urani bởi nó cũng có trong các thực phẩm như khoai tây. Mức Urani này không gây hại vì sẽ bị đào thải qua đường tiêu hóa và đường tiết niệu trong vòng 24 giờ, tuy nhiên cũng nên hạn chế những thức ăn chứa nhiều Uranium.
>>>>>Xem thêm: Mmol/l là gì? Công thức tính mmol/l và Ứng dụng của nồng độ mol
Hy vọng qua bài viết bạn đã hiểu rõ về nguyên tố phóng xạ Uranium là gì. Nếu bạn có băn khoăn hay còn câu hỏi nào về chủ đề Uranium nói chung cũng như bài viết Uranium nói riêng thì hãy để lại nhận xét bên dưới để chúng mình cùng nhau trao đổi thêm nhé!
