Tại sao uranium được dùng để sản xuất điện?

Chủ nhật, ngày 03/04/2022 08:30 AM (GMT+7)

Khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng nổ khiến uranium trở nên rất hữu ích, đặc biệt là trong sản xuất vũ khí hạt nhân.

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

Tại sao uranium được dùng để sản xuất điện? - Ảnh 1. — Trong tự nhiên, urani được tìm thấy ở dạng urani 238 (99,284%), urani 235 (0,711%), và một lượng rất nhỏ urani 234 (0,0058%). Urani phân rã rất chậm phát ra hạt anpha. Chu kỳ bán rã của urani 238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani 235 là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.

Ở ngoài tự nhiên, uranium chỉ có thể hình thành trong một số sự kiện cực đoan, được gọi là quá trình r, xảy ra trong các vụ nổ vũ trụ dữ dội như siêu tân tinh hoặc va chạm sao neutron. Mắc dù uranium tự nhiên rất hiếm, nhưng sự hiện diện của uranium đang phân hủy chính là một trong những lý do tại sao hành tinh của chúng ta có nhiệt 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 hàm lượng uranium của nó). Uranium-238 có chu kỳ bán rã lên tới 4,5 tỷ 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 trộn axit nitric với một chất rắn, sau đó trung hòa dung dịch bằng natri hydroxit. Phản ứng này tạo ra chất màu vàng chìm xuống đáy.

Khi đun nóng với than, nó biến thành một loại bột màu đen khiến Kalproth lầm tưởng rằng đó là uranium nguyên chất, tuy nhiên trên thực tế đây 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 bởi Willaim Herschel. Mãi đến năm 1841, mẫu Uranium tinh khiết đầu tiên mới được nhà hóa học Eugène-Melchior Péligot phân lập thành công.

Tại sao uranium được dùng để sản xuất điện? - Ảnh 2. — Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó. Urani-235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên. Urani-238 có thể phân hạch bằng neutron nhanh, và là vật liệu làm giàu, có nghĩa là nó có thể được chuyển đổi thành plutoni-239, một sản phẩm có thể phân hạch được trong lò phản ứng hạt nhân.

Ngày nay, uranium 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 uranium 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 uranium có thể phân rã thành một nguyên tố nhẹ hơn và đặt tên cho quá trình này là phân hạch hạt nhân.

Một kg uranium-235, nếu được dẫn qua quá trình 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 tích 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.

Tại sao uranium được dùng để sản xuất điện? - Ảnh 3. — Đồng vị có thể phân hạch khác là urani-233 có thể được tạo ra từ thori tự nhiên và cũng là vật liệu quan trọng trong công nghệ hạt nhân. Trong khi urani-238 có khả năng phân hạch tự phát thấp hoặc thậm chí bao gồm cả sự phân hạch bởi neutron nhanh, thì urani-235 và đồng vị urani-233 có tiết diện hiệu dụng phân hạch cao hơn nhiều so với các neutron chậm. Khi nồng độ đủ, các đồng vị này duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân ổn định. Quá trình này tạo ra nhiệt trong các lò phản ứng hạt nhân và tạo ra vật liệu phân hạch dùng làm các vũ khí hạt nhân.

Trong các nhà máy điện hạt nhân, phóng xạ của các thanh nhiên liệu uranium 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, trên thực tế, uranium tự nhiên không phải là nguyên liệu lý tưởng trong 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 phản ứng dây chuyền hạt nhân rất tốt, giúp duy trì phản ứng ổn định.

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