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 nhiên trong tự nhiên, và phổ biến nhất là uranium-238 (92 proton và 146 neutron) và uranium- 235 (92 proton và 146 neutron).
Trong tự nhiên, uranium được tìm thấy ở dạng uranium 238 (99,284%), uranium 235 (0,711%), và một lượng rất nhỏ uranium 234 (0,0058%). Uranium phân hủy rất chậm, phát ra các hạt alpha. Chu kỳ bán rã của uranium 238 là khoảng 4,47 tỷ năm và của uranium 235 là 704 triệu năm, vì vậy nó được dùng để xác định tuổi của Trái đất.
Trong tự nhiên, uranium chỉ có thể hình thành trong một số sự kiện cực đoan nhất định, 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. Mặc dù uranium tự nhiên rất hiếm, sự hiện diện của uranium đang phân hủy là một trong những lý do khiến 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 nhầm tưởng là uranium nguyên chất, trong khi thực tế nó chỉ là một oxit của nguyên tố. 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.
Hiện tại, các ứng dụng của uranium chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó. Uranium-235 là đồng vị duy nhất có khả năng tự phân hạch. Uranium-238 phân hạch với neutron nhanh, và là một vật liệu làm giàu, có nghĩa là nó có thể được chuyển đổi thành plutonium-239, một sản phẩm có thể phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân.
Ngày nay, uranium không còn được dùng để tạo màu cho kính và men, thay vào đó ứng dụng chính của nó nằm trong hiện tượng 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 phân rã uranium bằng neutron và phát hiện ra nó sinh ra các electron và positron (phản hạt của electron). Công trình 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 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 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.
Đồng vị phân hạch khác, uranium-233, có thể được tạo ra từ thori tự nhiên và cũng là một nguyên liệu quan trọng trong công nghệ hạt nhân. Trong khi uranium-238 có tiềm năng phân hạch tự phát thấp hoặc thậm chí bao gồm sự phân hạch neutron nhanh, uranium-235 và đồng vị uranium-233 có mặt cắt phân hạch hiệu quả cao hơn nhiều so với 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 lò phản ứng hạt nhân và tạo ra vật liệu phân hạch được sử dụng trong vũ khí hạt nhân.
Trong các nhà máy điện hạt nhân, bức xạ từ các thanh nhiên liệu uranium làm nóng một chất làm mát, nhiệt 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 gây hiệu ứng nhà kính.
Tuy nhiên, trên thực tế, uranium tự nhiên không phải là nguyên liệu thô 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 quá trình 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 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 giáp và đạn xuyên giáp.
Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân
