Urani - Nguyên tố phóng xạ
Năm 1789, nhà hóa học người Đức Claprot (M.Klaproth) phát hiện ra một nguyên
tố mới và để nhớ hành tinh Thiên Vương (Uranus) vừa được nhà thiên văn học
người Anh Hơcsen (Herchel) tìm ra năm 1781. Ông đã đặt tên cho nguyên tố mới
là Urani. Nhưng thật ra thì ông đã nhầm vì ông mới điều chế được Uranidioxyt
(UO2) chứ chưa phải kim loại Urani. Mãi tới năm 1842, nhà hóa học Pháp Peligo (
E.Peligo) mới thực hiện điều chế ra bột kim loại màu đen của Urani khi dùng kim
loại kali để khử muối Cloura khan của Urani đã được đun nóng.
Urani là nguyên tố nằm ở ô 92 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có bề
ngoài màu trắng bạc, tỷ trọng 18,5-19, xấp xỉ như vàng, bằng 80% của chì; tương
đối mềm, dễ dàng tiến hành gia công cơ khí; trong không khí có thể bị oxy hóa
chầm chậm chuyển thành màu đen. Điều khác biệt với các kim loại khác là có tính
phóng xạ - có thể tự động phóng ra những tia xạ mắt thường không thể nhận ra,
cho nên nó là kim loại hiếm có tính chất phóng xạ. Tính phóng xạ do Becoren
(H.Bequerel) tìm ra khi nghiên cứu hiện tượng phát lân quang của hợp chất Urani.
Urani thiên nhiên là do mấy loại đồng vị phóng xạ của Urani hợp thành như:
238U, 235U, 234U,…
Một thời gian dài sau khi được phát hiện, Urani chưa được ứng dụng nhiều trong
cuộc sống. Lịch sử khảo cổ cho biết, thời cổ La Mã hợp chất urani đã được dùng
trong chế tạo thủy tinh màu. Ngoài ra, không có thêm một ứng dụng nào từ Urani
nữa!
Tới thế kỉ XIX, người ta bắt đầu nghiên cứu những tính chất và ứng dụng của
Urani, xác định nó là chất nhuộm màu vàng rất đẹp cho thủy tinh và sành sứ.
Năm 1896, sau khi Becoren phát hiện ra tính phóng xạ của Urani, rồi vào năm
1903, Marie Curi và chồng là Pierre Curi phát hiện ra Radi có tính phóng xạ còn
mạnh hơn mấy trăm vạn lần của Urani. Điều này làm người ta hứng thú nghiên
cứu tính phóng xạ của Urani, và theo đó phương hướng sản xuất các muối Urani ở
các nhà máy đã chuyển sang sản xuất Urani và Radi cũng cùng chứa trong khoáng
Urani; muối Urani chỉ được xem là sản phảm phụ. Vấn đề ở chỗ trong khoáng
Urani, hàm lượng Radi chỉ không quá 1 phần 100 vạn. Phải dùng tới 800 tấn nước,
400 tấn khoáng vật, cùng hàng ngàn tấn hóa chất mới có thể tách ra được …1 gam
hợp chất Radi! Vì vậy, nghiên cứu sử dụng Urani đã được chú ý hơn.
Trải qua 37 năm, tới năm 1939, loài người đã có phát hiện trọng đại trong lịch sử
khoa học: các nhà khoa học Đức Hari (O.Hahn) và Stratman (F.Strassmann) đã
tìm ra sự phân hạch của Urani dưới tác dụng của những nơtron chậm. Một năm
sau, các nhà vật lý Xô viết G.N. Flerop và K.A.Petrogiac dã chứng minh rằng hạt
nhân của Urani có thể tự phân chia. Những phát minh đó đã mở đầu cho kỷ
nguyên chinh phục năng lượng nguyên tử. Dùng phương pháp nhân tạo, oanh kích
hạt nhân nguyên tử Urani sẽ xảy ra phản ứng phân rã liên tục mà phóng ra năng
lượng cực lớn. Năng lượng đó gọi là năng lượng hạt nhân hoặc năng lượng nguyên
tử. Từ năm 1942 việc sản xuất Urani tăng mạnh đặc biệt trong 20 – 30 năm gần
đây...
Năng lượng phóng ra từ phản ứng dây chuyền của sự phân rã hạt nhân nguyên tử
so với năng lượng phóng ra từ các phản ứng hóa học thông thường thì gấp hàng
trăm vạn lần. Một gam hạt nhân Urani khi phát sinh phân hạch có thể tạo ra năng
lượng 20000 kWh; 50 gam hạt nhân Urani khi phân hạch tỏa ra năng lượng tương
đương với nhiệt năng sản ra khi đốt cháy hơn 10 000 kilogam than đá! Năng lượng
hạt nhân của 1kg Urani là đủ để máy bay bay với tốc độ 1300 Km/giờ, bay được
10 000 kilomet, tức là bay quanh Trái Đất được 2,5 vòng!
Trong điều kiện thích hợp tốc độ phản ứng phân rã hạt nhân là cực kì nhanh. Nếu
để phát triển tự nhiên, không có khống chế, chỉ trong vòng thời gian từ 1/100 000
đến 1/1 000 000 của giây là một mảnh urani có thể phân rã hết, tạo nên vụ nổ cực
lớn – vụ nổ hạt nhân. Urani là “thuốc nổ” của bom nguyên tử, trong bom nguyên
tử Urani được chia thành hai mảnh nhỏ hình bán cầu, đặt cách nhau một chút, lúc
bình thường thì không có phản ứng gì. Khi cần cho bom nổ, dùng thuốc nổ thông
thường dẫn lửa, làm cho mảnh Urani gồm hai mảnh bán cầu nhanh chóng khớp
chặt vào nhau làm một, số nơtron đột ngột tăng lên, lập tức sản sinh phản ứng dây
chuyền, chỉ trong vòng thời gian cực kì ngắn, quả bom nguyên tử sẽ tạo ra vụ nổ
cực lớn giải phóng ra năng lượng khủng khiếp, nhiệt độ cao tới vài triệu độ và áp
lực tới vài tỷ atôtphe. Nếu 1kg Urani phát sinh phản ứng phân rã, phóng ra 79,4
ngàn tỷ nhiệt luợng tương đương với sức tàn phá của 18 000 tấn thuốc nổ cực
mạnh TNT!
Lợi dụng tính chất năng lượng hạt nhân, chính quyền Hoa Kỳ chế tạo ra 3 quả
bom nguyên tử, trong đó 2 quả đã ném xuống hai hòn đảo Hirosima và Nagasaki
của Nhật Bản, giết chết hàng trăm ngàn người dân… Nhưng vụ nổ hạt nhân có thể
dùng để kiến thiết, như thuốc nổ thông thường dùng trong khai thác hầm mỏ, xây
dựng đê điều, đường xá… 1 kg thuốc nổ hạt nhân có thể trong tích tắc, năng lượng
sản sinh ra tương đương với sức lực của 25000 lao động trong vòng một năm.
Theo thống kê, năm 1954 là năm thế giới có trạm phát điện nguyên tử đầu tiên đưa
và vận hành, cho tới cuối năm 2006, toàn thế giới đã có 34 nước với 560 trạm phát
điện nguyên tử, tạo ra 5780 tỷ kWh chiếm ¼ tổng lượng điện toàn thế giới làm ra.
Trong đó, nước Mỹ có số trạm phát điện lớn nhất: 201. Tỷ trọng về điện nguyên tử
trong tổng số lượng điện phát ra ở Pháp là lớn nhất cứ mỗi 10 kWh điện có trong
đó 7 kWh là điện phát từ trạm điện nguyên tử.
Các nhà khoa học cho biết, phần đồng vị chủ yếu của Urani thiên nhiên là 238U
(còn đồng vị 235U trong tạo năng lượng nguyên tử rất ít) - chiếm tới 95%, rất cần
cho sự phát triển bình thường của cây trồng. Nó làm tăng hàm lượng đường trong
cây cà rốt, củ cải đường và một số cây ăn quả, bởi vì làm vi sinh vật trong đất
được phát triển mạnh. Động vật cũng rất cần Urani. Người ta cho chuột ăn lượng
nhỏ Urani trong vòng một năm, thấy không có hậu quả có hại mà chuột tăng khối
lượng lên gấp đôi! Hóa ra, Urani giúp cơ thể sống đồng hóa dễ dàng photpho, nitơ,
kali,…Dùng muối Urani có thể chữa được một số bệnh như bệnh đái đường, da
liễu, các khối u…Nhiều hợp kim có chứa urani có những tính năng quý giá như
Thép – Urani chịu được nước cường toan, axít có tính oxi hóa mạnh…Urani còn là
chất xúc tác trong các phản ứng hóa học như xúc tác UO2 (urani dioxit),
UC(UraniCacbua)…
Nhiên liệu hạt nhân có phải là nguồn năng lượng từ khoáng vật như than đá, dầu
mỏ, khí thiên nhiên …dùng chẳng bao lâu thì cạn kiệt?
Hiện nay nguồn nguyên liệu chủ chủ yếu cho sản xuất nguyên tử là Urani, ngoài ra
còn có kim loại hiếm có tính phóng xạ khác như: Thoiri (Th), có lượng chứa trong
vỏ Trái Đất ít hơn một chút so với Thiếc (Sn) còn nhiều hơn vonfram, Molipden…
nhưng giá trị khai thác còn quá ít. Còn Urani trong vỏ Trái Đất, nó chỉ chiếm
2,5.10-4 % về khối lượng trong đó 238U chiếm 99,28%. Còn 235U là nguyên liệu
của lò phản ứn hạt nhân, chỉ chiếm hàm lượng vô cùng nhỏ trong vỏ Trái Đất.
Nhưng trong nước biển có tàng chứa mấy tỷ tấn Urani, tức là hơn rất nhiều so với
lượng Urani khoáng vật trên lục địa.
Nếu như có thể tách lấy Urani từ trong nước biển để chúng ta sử dụng thì năng
lượng nguyên tử mà con người tạo ra sẽ tương đương với hàng vạn tỷ tấn than tiêu
chuẩn, và theo định mức tiêu thụ trung bình về năng lượng hiện nay trên toàn thế
giới, là đủ cho loài người sử dụng trong vài vạn năm nữa!