 |
| Uranium là gì? Uranium hoạt động như thế nào? |
Uranium là gì?
Uranium là một kim loại rất nặng đã được sử dụng như một nguồn năng lượng tập trung dồi dào trong 60 năm.
Uranium xuất hiện ở hầu hết các loại đá với nồng độ từ 2 đến 4 phần triệu và phổ biến trong lớp vỏ Trái đất như thiếc, vonfram và molypden. Uranium xảy ra trong nước biển, và có thể được phục hồi từ các đại dương.
Uranium được phát hiện vào năm 1789 bởi Martin Klaproth, một nhà hóa học người Đức, trong khoáng sản có tên là pitchblende. Uranium được đặt theo tên của hành tinh Thiên vương tinh, đã được phát hiện ra tám năm trước đó.
Uranium rõ ràng đã được hình thành trong các siêu tân tinh khoảng 6,6 tỷ năm trước.
Uranium có nhiệt độ nóng chảy 1132 ° C. Ký hiệu hóa học cho uranium là U.
Nguyên tử Uranium
Trên thang đo được sắp xếp theo khối lượng ngày càng tăng của hạt nhân của họ, uranium là một trong những nguyên tố nặng nhất trong tất cả các nguyên tố xuất hiện tự nhiên (Hydrogen là nhẹ nhất).
Uranium dày gấp 18,7 lần nước. Giống như các nguyên tố khác, uranium xuất hiện ở một số dạng hơi khác nhau được gọi là ‘đồng vị’.
Các đồng vị này khác nhau về số lượng các hạt không tích điện (neutron) trong hạt nhân.
Uranium tự nhiên được tìm thấy trong vỏ Trái đất là hỗn hợp phần lớn của hai đồng vị: uranium-238 (U-238), chiếm 99,3% và uranium-235 (U-235) khoảng 0,7%.
Đồng vị U-235 rất quan trọng vì trong một số điều kiện nhất định, nó có thể dễ dàng bị phân tách, mang lại rất nhiều năng lượng. Do đó, nó được gọi là ‘phân hạch’ hay còn gọi là ‘phân hạch hạt nhân’.
Trong khi đó, giống như tất cả các đồng vị phóng xạ, chúng phân rã. U-238 phân rã rất chậm, chu kỳ bán rã của nó tương đương với tuổi của Trái đất (4500 triệu năm).
Điều này có nghĩa là nó hầu như không phóng xạ, ít hơn so với nhiều đồng vị khác trong đá và cát. Tuy nhiên, nó tạo ra 0,1 watt / tấn dưới dạng nhiệt phân rã và điều này đủ để làm ấm lõi Trái đất. U-235 phân rã nhanh hơn một chút.
Năng lượng từ nguyên tử uranium
Hạt nhân của nguyên tử U-235 bao gồm 92 proton và 143 neutron (92 + 143 = 235). Khi hạt nhân của một nguyên tử U-235 bắt giữ một neutron đang chuyển động, nó sẽ tách thành hai (các hạt) và giải phóng một số năng lượng dưới dạng nhiệt, cũng có hai hoặc ba neutron bổ sung bị ném ra.
Nếu đủ các neutron bị trục xuất này làm cho hạt nhân của các nguyên tử U-235 khác bị tách ra, giải phóng thêm các neutron khác, có thể đạt được “phản ứng dây chuyền”. Khi điều này xảy ra lặp đi lặp lại, nhiều triệu lần, một lượng nhiệt rất lớn được tạo ra từ một lượng uranium tương đối nhỏ.
Đó là quá trình này, có hiệu lực “đốt cháy” uranium, xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân. Nhiệt được sử dụng để tạo hơi nước để sản xuất điện.
Bên trong lò phản ứng
Các nhà máy điện hạt nhân và nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch có công suất tương tự có nhiều đặc điểm chung. Cả hai đều cần nhiệt để tạo ra hơi nước để chạy tua-bin và máy phát điện.
Tuy nhiên, trong một nhà máy điện hạt nhân, sự phân hạch của các nguyên tử uranium thay thế cho việc đốt than hoặc khí đốt. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiên liệu uranium được lắp ráp theo cách có thể đạt được phản ứng chuỗi phân hạch có kiểm soát.
Nhiệt được tạo ra bằng cách tách các nguyên tử U-235 sau đó được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tuabin để chạy máy phát điện, sản xuất điện. Phản ứng dây chuyền diễn ra trong lõi của lò phản ứng hạt nhân được điều khiển bởi các thanh hấp thụ neutron và có thể được chèn hoặc rút để đặt lò phản ứng ở mức năng lượng cần thiết.
Các yếu tố nhiên liệu được bao quanh bởi một chất gọi là chất điều tiết để làm chậm tốc độ của các neutron phát ra và do đó cho phép phản ứng dây chuyền tiếp tục.
Nước, than chì và nước nặng được sử dụng làm chất điều tiết trong các loại lò phản ứng khác nhau.
Một lò phản ứng 1000 megawatt (Mwe) điển hình có thể cung cấp đủ điện cho một thành phố hiện đại lên tới một triệu người.
Uranium và Plutonium
Trong khi hạt nhân U-235 là ‘phân hạch’, thì hạt nhân của U-238 được cho là ‘làm giàu’. Điều này có nghĩa là nó có thể bắt được một trong số các neutron đang bay trong lõi của lò phản ứng và trở thành (gián tiếp) plutonium-239, là phân hạch.
Pu-239 rất giống với U-235, ở chỗ nó bắn ra khi bị neutron tấn công và điều này mang lại một lượng năng lượng tương tự. Do có quá nhiều U-238 trong lõi lò phản ứng (hầu hết nhiên liệu), những phản ứng này xảy ra thường xuyên và trên thực tế, khoảng một phần ba năng lượng năng lượng của nhiên liệu đến từ việc “đốt cháy” Pu-239.
Nhưng đôi khi một nguyên tử Pu-239 chỉ thu được neutron mà không tách ra, và nó trở thành Pu-240. Bởi vì Pu-239 bị “đốt cháy” dần dần hoặc trở thành Pu-240, nhiên liệu càng ở trong lò phản ứng thì càng có nhiều Pu-240 trong đó.
Đối với hầu hết các lò phản ứng của thế giới, bước tiếp theo trong việc tạo ra nhiên liệu là chuyển đổi uranium oxide thành khí, uranium hexafluoride (UF 6), cho phép nó được làm giàu.
Làm giàu làm tăng tỷ lệ đồng vị urani-235 từ mức tự nhiên 0,7% lên 4 – 5%. Điều này cho phép hiệu quả kỹ thuật cao hơn trong thiết kế và vận hành lò phản ứng, đặc biệt là trong các lò phản ứng lớn hơn và cho phép sử dụng nước thông thường như một chất điều tiết.
Sau khi làm giàu, khí UF 6 được chuyển đổi thành uranium dioxide (UO 2) được tạo thành các viên nhiên liệu. Những viên nhiên liệu này được đặt bên trong các ống kim loại mỏng, sau đó được gọi là thanh nhiên liệu, được lắp ráp thành bó để trở thành các yếu tố nhiên liệu hoặc lắp ráp cho lõi của lò phản ứng.
Trong một lò phản ứng năng lượng lớn điển hình có thể có 51.000 thanh nhiên liệu với hơn 18 triệu viên.
Ai sử dụng năng lượng hạt nhân?
Khoảng 11% điện năng của thế giới được tạo ra từ uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Con số này lên tới hơn 2500 tỷ kWh mỗi năm, nhiều như từ tất cả các nguồn điện trên toàn thế giới vào năm 1960.
Nó đến từ hơn 440 lò phản ứng hạt nhân với tổng công suất đầu ra khoảng 390.000 megawatt (Mwe) hoạt động tại 31 quốc gia.
Hơn 60 lò phản ứng đang được xây dựng và 160 lò khác được lên kế hoạch. Bỉ, Bulgaria, Cộng hòa Séc, Phần Lan, Pháp, Hungary, Hàn Quốc, Slovakia, Slovenia, Thụy Điển, Thụy Sĩ và Ukraine đều nhận được 30% điện trở lên từ các lò phản ứng hạt nhân.
Hoa Kỳ có khoảng một trăm lò phản ứng hoạt động, cung cấp 20% điện năng. Pháp có ba phần tư điện từ uranium. Trong hơn 60 năm mà thế giới đã tận hưởng những lợi ích của điện được tạo ra từ năng lượng hạt nhân, đã có 17.000 năm kinh nghiệm hoạt động của lò phản ứng.
Ai có và ai khai thác uranium?
Uranium phổ biến rộng rãi trong nhiều loại đá và thậm chí trong nước biển. Tuy nhiên, giống như các kim loại khác, hiếm khi tập trung đủ để có thể phục hồi kinh tế.
Uranium ở đâu, chúng ta nói về một thân quặng. Khi xác định quặng là gì, các giả định được đưa ra về chi phí khai thác và giá thị trường của kim loại. Do đó, trữ lượng Uranium được tính bằng tấn có thể thu hồi được với một chi phí nhất định.
Các nguồn tài nguyên được biết đến của Úc là hơn 1,6 triệu tấn uranium có thể phục hồi với mức giá lên tới 130 USD/ kg U (hiện cao hơn giá ‘tại chỗ’ của thị trường), Kazakhstan là hơn 700.000 tấn uranium và của Canada và của Nga là hơn 500.000 tấn.
Tài nguyên của Úc trong danh mục này là 29% trên toàn thế giới, Kazakhstan là 13%, Canada và 9% của Nga. Một số quốc gia có tài nguyên uranium đáng kể. Ngoài bốn vị trí hàng đầu, họ theo thứ tự: Nam Phi, Nigeria, Brazil, Trung Quốc, Namibia, Mông Cổ, Uzbekistan và Ukraine, tất cả đều có tổng số 2% trở lên trên toàn thế giới.
Kazakhstan là nhà sản xuất uranium hàng đầu thế giới, tiếp theo là Canada và sau đó là Úc là nhà cung cấp uranium chính cho thị trường thế giới – hiện có hơn 60.000 tU mỗi năm.
Uranium chỉ được bán cho các quốc gia là bên ký kết Hiệp ước không phổ biến hạt nhân (NPT) và cho phép thanh tra quốc tế xác minh rằng nó chỉ được sử dụng cho mục đích hòa bình.
Sử dụng năng lượng hạt nhân khácNhiều người, khi nói về năng lượng hạt nhân, chỉ có các lò phản ứng hạt nhân (hoặc có lẽ là vũ khí hạt nhân) trong tâm trí.
Rất ít người nhận ra mức độ sử dụng đồng vị phóng xạ đã thay đổi cuộc sống của chúng ta trong vài thập kỷ qua. Sử dụng các lò phản ứng hạt nhân chuyên dùng tương đối nhỏ, có thể tạo ra một loạt các vật liệu phóng xạ (đồng vị phóng xạ) với chi phí thấp.
Vì lý do này, việc sử dụng đồng vị phóng xạ được sản xuất nhân tạo đã trở nên phổ biến kể từ đầu những năm 1950, và hiện có hơn 240 lò phản ứng “nghiên cứu” tại 56 quốc gia sản xuất chúng. Đây thực chất là các nhà máy neutron chứ không phải là nguồn nhiệt.
Công dụng của đồng vị phóng xạ là gì?
Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta cần thực phẩm, nước và sức khỏe tốt. Ngày nay, đồng vị phóng xạ đóng một phần quan trọng trong các công nghệ cung cấp cho chúng ta cả ba yếu tố đó. Đồng vị phóng xạ được sản xuất bằng cách bắn phá một lượng nhỏ các nguyên tố đặc biệt bằng neutron.
Trong y học, đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi để chẩn đoán và nghiên cứu. Các chất hóa học phóng xạ phát ra bức xạ gamma cung cấp thông tin chẩn đoán về giải phẫu của một người và hoạt động của các cơ quan cụ thể.
Xạ trị cũng sử dụng đồng vị phóng xạ trong điều trị một số bệnh, chẳng hạn như ung thư. Khoảng một người trong hai người ở thế giới phương tây có khả năng trải nghiệm những lợi ích của y học hạt nhân trong cuộc đời của họ. Các nguồn gamma mạnh hơn được sử dụng để khử trùng ống tiêm, băng và các dụng cụ y tế khác – khử trùng gamma của thiết bị là gần như phổ biến.
Trong việc bảo quản thực phẩm, đồng vị phóng xạ được sử dụng để ức chế sự nảy mầm của cây trồng sau khi thu hoạch, để tiêu diệt ký sinh trùng và sâu bệnh và kiểm soát sự chín của trái cây và rau quả được lưu trữ.
Thực phẩm chiếu xạ được các cơ quan y tế thế giới và quốc gia chấp nhận cho tiêu dùng của con người ở một số quốc gia ngày càng tăng. Chúng bao gồm khoai tây, hành tây, trái cây khô và tươi, các sản phẩm ngũ cốc và ngũ cốc, thịt gia cầm và một số cá. Một số thực phẩm đóng gói sẵn cũng có thể được chiếu xạ.
Trong việc trồng trọt và chăn nuôi, đồng vị phóng xạ cũng đóng một vai trò quan trọng. Chúng được sử dụng để sản xuất các giống cây trồng năng suất cao, kháng bệnh và chịu thời tiết, để nghiên cứu cách thức phân bón và thuốc trừ sâu hoạt động, và để cải thiện năng suất và sức khỏe của vật nuôi.
Về mặt công nghiệp và trong khai thác, chúng được sử dụng để kiểm tra các mối hàn, phát hiện rò rỉ, nghiên cứu tốc độ hao mòn kim loại và phân tích trực tuyến một loạt các khoáng sản và nhiên liệu.
Có nhiều công dụng khác. Một đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ plutonium hình thành trong các lò phản ứng hạt nhân được sử dụng trong hầu hết các máy dò khói gia đình. Đồng vị phóng xạ được sử dụng để phát hiện và phân tích các chất ô nhiễm trong môi trường, và để nghiên cứu sự chuyển động của nước mặt trong các dòng suối và cả nước ngầm.
