Tại sao lại lựa chọn uranium để tạo điện?

Khả năng lưu trữ và phát hỏa năng lượng khiến uranium trở thành nguồn lực vô cùng quan trọng, đặc biệt trong việc sản xuất vũ khí hạt nhân.

Uranium là một trong những nguyên tố nặng nhất tự nhiên. Trong hạt nhân của nó, có 92 proton và một số lượng neutron biến đổi, dao động từ 140 đến 146. Tuy nhiên, chỉ có một số sự kết hợp xảy ra tự nhiên, phổ biến nhất là uranium-238 (92 proton và 146 neutron) và uranium-235 (92 proton và 146 neutron).

Uranium tự nhiên chỉ có thể hình thành trong các sự kiện cực đoan, gọi là quá trình r, diễn ra trong các vụ nổ vũ trụ mạnh như siêu nova hoặc va chạm sao neutron. Mặc dù urani tự nhiên hiếm, sự phân hủy của nó là một trong những lý do tại sao hành tinh của chúng ta có nhiệt độ bên trong.

Theo thời gian, nó phát ra bức xạ dưới dạng nguyên tử heli, biến thành thorium. Hầu hết tất cả các đồng vị uranium (các phiên bản có số lượng neutron khác nhau) đều có chu kỳ bán rã rất dài (thời gian để một mẫu giảm một nửa lượng uranium của nó). Urani-238 có chu kỳ bán rã lên đến 4,5 tỉ năm.

Uranium đã được sử dụng từ thời La Mã như một loại men màu vàng trong gốm sứ và thủy tinh. Năm 1789, nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth kết hợp axit nitric với một chất rắn, sau đó trung hòa dung dịch bằng natri hydroxit. Phản ứng này tạo ra chất màu vàng lắng đọng.

Khi được nung với than, urani biến thành một loại bột màu đen, khiến Kalproth nhầm lẫn rằng đó là urani nguyên chất. Tuy nhiên, thực ra đó chỉ là một loại oxit của nguyên tố này. Ông đặt tên cho nguyên tố mới này theo tên hành tinh Uranus, được phát hiện chỉ 8 năm trước đó bởi Willaim Herschel. Cho đến năm 1841, mẫu urani tinh khiết đầu tiên mới được nhà hóa học Eugène-Melchior Péligot phân lập thành công.

Ngày nay, urani không còn được sử dụng để tạo màu cho ly thủy tinh và tráng men, thay vào đó, ứng dụng chính của nó nằm trong quá trình phóng xạ, được phát hiện vào năm 1896 bởi Henri Becquerel.

Bốn thập kỷ sau, vào năm 1934, một nhóm các nhà vật lý người Ý do Enrico Fermi dẫn đầu đã thực hiện quá trình phân rã urani bằng neutron và phát hiện ra nó phát ra các electron và positron (phản hạt của electron). Công trình nghiên cứu tiếp theo của Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner và Otto Robert Frisch cho thấy urani có thể phân rã thành một nguyên tố nhẹ hơn và đặt tên cho quá trình này là phân hạch hạt nhân.

Một kg urani-235, nếu được phân hạch hoàn toàn, có thể giải phóng năng lượng hóa học tương đương với việc đốt cháy 1,5 triệu kg than. Khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng khổng lồ đó đã cho phép nguyên tố này được sử dụng trong sản xuất điện và vũ khí hạt nhân như bom nguyên tử.

Trong các nhà máy điện hạt nhân, phóng xạ của các thanh nhiên liệu urani sẽ làm nóng một chất làm mát, nhiệt lượng sinh ra sau đó làm nóng nước trong một thùng chứa khác và biến nó thành hơi nước. Hơi nước đẩy các tua-bin của máy phát điện để tạo ra điện và quan trọng là quá trình này không tạo ra khí thải nhà kính.

Tuy nhiên, trong thực tế, uranium tự nhiên không phải là nguồn nguyên liệu lý tưởng cho nhiều lò phản ứng. Hơn 99,2% uranium được khai thác trên Trái đất là uranium-238, trong khi uranium-235 chỉ chiếm 0,711%. Uranium-235 tạo ra chuỗi phản ứng hạt nhân rất hiệu quả, giúp duy trì phản ứng ổn định.

Để làm được điều này, chúng ta cần đủ đồng vị uranium-235 trong thanh nhiên liệu của lò phản ứng. Đó chính là lúc uranium cần được làm giàu, thông qua tách đồng vị để tăng tỷ lệ uranium-235.

Phần còn lại của quá trình làm giàu sẽ tạo ra uranium đã cạn kiệt (với ít uranium-235 hơn). Nó được sử dụng trong các thùng chứa để vận chuyển vật liệu phóng xạ, thiết bị chụp ảnh phóng xạ công nghiệp, cũng như các mục đích quân sự như mạ áo giáp và đạn xuyên giáp.