NUCLEAR POWER

Uranium - nguyên tố kim loại nằm trong họ Actinoid, bao gồm các kim loại Ac, Th, Pa, U và các kim loại siêu Uran (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Uran là kim loại nổi tiếng nhất trong họ Actinoid vì nó được sử dụng làm nguyên liệu ngành điện nguyên tử và vũ khí hạt nhân. Oxit Uran còn được ứng dụng trong ngành gốm và thủy tinh.

2. Uran trong tự nhiên

Trong tự nhiên, nguyên tố Uran chiếm 0.003% khối lượng vỏ trái đất. Có 4 loại mỏ Uran thường gặp.
 Thứ nhất là các mỏ quặng Oxit Uran (UO2), hàm lượng Uran cao nhưng hiếm gặp trong tự nhiên. Phân bố chủ yếu ở Canada, Czech và Pháp.
 Thứ hai là vỉa quặng các kim loại nặng (vàng, bạc…) có chứa Uran và Thorium. Các mỏ chứa Uran dạng này thường gặp ở Nga, Canada, Nam Phi, và Australia.
 Thứ ba là các mỏ dạng trầm tích và sa thạch. Loại mỏ này thường gặp ở các tiểu bang miền Tây nước Mỹ.
 Thứ tư là các mỏ diệp thạch Sắt – Uran, Photpho – Uran. Các diệp thạch giầu Uran thường gặp ở Thụy Điển, Mỹ, Angola, CH Trung Phi…Ngoài ra phần lớn than nâu, và một số ít loại than đá ở Mỹ, Czech và Tây Ban Nha cũng chứa hàm lượng Uran đáng kể.

3. Uran và vị trí trong bảng tuần hoàn

Ngày mà tên Uran được đặt cho nguyên tố số 92 là ngày 24/09/1789, tuy nhiên đây vẫn chưa phải là ngày thật sự khai sinh ra nó. Nhà hoá học Đức - Mactin Claprot, người sáng lập ra ngành Hoá phân tích, khi xem xét một quặng được cho là của sắt và kẽm đã nghi ngờ rằng trọng quặng phải có một nguyên tố mới. Sau quá trình phân tích ông đã thu được sản phẩm là thứ bột đen, có ánh kim. Ông gọi nguyên tố này là Uran, lấy tên của Uranus, Thiên vương tinh, hành tinh vừa được tìm ra trước đó. Không ai nghi ngờ và dám thắc mắc về công việc của Claprot, nhà phân tích số một của châu Âu lúc bấy giờ. Nhưng đến năm 1813, nhà hoá học Pháp Ơjen Peligo đã chứng minh được rằng cái mà Claprot thu được chỉ là Oxit Uran (UO2) chứ chưa phải là nguyên tố Uran. Cũng phải mất một thời gian dài nữa, các nhà khoa học mới tách được Uran dưới dạng đơn chất khá tinh khiết.

Hành trình đi tìm vị trí của Uran trong bảng tuần hoàn cũng đầy trắc trở. Khi sắp xếp các nguyên tố hoá học thành bảng, Uran được đặt vào nhóm 3, giữa Cadimi và Thiếc. Sự sắp xếp này theo khối lượng nguyên tử nhưng có vẻ không phù hợp vì nó chẳng có tính chất nào giống với các nguyên tố nhóm này. Mendelev kết luận khối lượng nguyên tử của Uran chưa đúng. Giá trị khối lượng nguyên tử của nó phải lớn gấp rưỡi mới phải và ông đã đặt Uran vào phân nhóm 6, vị trí cuối cùng trong bảng tuần hoàn. Sau đó, một nhà khoa học đã tổng hợp và chiết tách Uran cẩn thận hơn và chứng minh Mendelev đã đúng với sản phẩm có độ tinh khiết tới 99% của mình.

Tưởng như vậy đã là xong, bao nhiêu năm trời Uran an phận với vị trí này trong bảng hệ thống tuần hoàn. Nhưng với sự ra đời của hàng loạt các nguyên tố siêu Uran, người ta thấy cần phải xem xét lại ví trí của nguyên tố Uran này. Bởi Uran và các nguyên tố này có tính chất giống nhau. Đây không phải là lần thứ nhất. Kinh nghiệm của 14 nguyên tố giống hệt nhau đã làm các nhà khoa học nhiều phen đau đầu để cuối cùng là sự ra đời của họ Latanoid sau khi nhóm Latanoid ra đời, các nhà vật lý đã dự đoán hiện tượng tương tự sẽ xảy ra ở chu kỳ tiếp sau. Sau nhiều lần tranh luận, một số lớn các nhà khoa học đi tới kết luận phải đặt Uran cùng các nguyên tố siêu Uran vào một nhóm và vào một ô mà thôi cũng giống như họ các nguyên tố Lantanoid vậy. Thế là họ Actinoid ra đời đánh dấu sự trở về nhóm 3 của Uran với những quyền đầy đủ hơn. Tất nhiên không phải tất cả các nhà hoá học đều nhất trí với ý kiến này vì về phương diện tính chất, Uran là kẻ xa lạ với nhóm 3 như đã nói ở trên.

4. Tính chất vật lý của Uran

Uran là một trong những kim loại nặng nhất tìm thấy trong tự nhiên. Uran nguyên chất có khối lượng riêng lớn, dẻo, có độ dẫn điện kém.

Trong tự nhiên thường tìm thấy 3 đồng vị của Uran: U238, U235, U238, với tỷ lệ tương ứng là 97.3%, 0.07% và 0.0058%.

Uran có 3 loại thù hình chính:
Anpha Uran - Lưới tinh thể kim loại dạng thẳng đứng - tồn tại ở nhiệt độ thường đến khoảng 668oC
Beta Uran – Lưới tinh thể phức tạp dạng tứ giác – tồn tại ở nhiệt độ khoảng 668 – 774oC.
Gamma Uran – Lưới tinh thể lập phương – tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ 774 – 1132oC (Nhiệt độ nóng chẩy của Uran)

Tính chất vật lý cơ bản của Uran

Số nguyên tử (Z): 92
Khối lượng nguyên tử: 238.02
Đồng vị thường gặp trong tự nhiên: 235, 235, 236, 238
Nhiệt độ nóng chẩy: 1132oC
Nhiệt độ sôi: 3118oC
Trọng lượng riêng: 18.7 g/cm3
Độ cứng (theo thang độ cứng Moss): 4
Số ôxi hóa: +3, +4, +5, +6

5. Uran – nguyên liệu của công nghệ hạt nhân

Trong tự nhiên tồn tại chủ yếu hai loại đồng vị Uran 238 và 235, nhưng do cấu tạo nguyên tử khác nhau dẫn đến các tính chất vật lý khác nhau. Chỉ có Uran 235 trong những điều kiện nhất định, là có khả năng phân chia thành 2 nguyên tố hóa học mới và tỏa ra nhiệt lượng lớn. Chính tính chất quan trọng này, Uran 235 được sử dụng làm nguyên liệu trong công nghệ hạt nhân.

Điều kiện của phản ứng phân hạch: Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các notron riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ thành các mảnh nhỏ.

Thực nghiệm cho thấy, các hạt nhân U235, Pu239 có thể vỡ khi hấp thụ notron có năng lượng nhỏ (0.001 đến 0.1 eV). Còn các hạt nhân U238 và Th232 bị vỡ khi khi hấp thụ notron có năng lượng lớn hơn 1.0 MeV.

Giải thích hiện tượng: Khi hấp thụ notron, hạt nhân biến thành hạt nhân mới ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức năng lượng cơ bản. Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của notron trong hạt nhân mới. Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì phản ứng phân hạch diễn ra, còn nếu năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt thì hạt nhân trở lại trạng thái ban đầu và phát ra các tia γ.
Với U238 năng lượng kích hoạt W = 7 MeV, nhưng năng lượng kích thích sau khi hấp thụ notron ≈ 6 MeV.

Nghĩa là năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt. Vì vậy hạt nhân chỉ bị vỡ khi hạt notron có động năng lớn hơn 1MeV.

Đối với U235, năng lượng kích hoạt W = 6.6 MeV, nhưng năng lượng kích thích sau khi hấp thụ nơtron ≈ 6.8 MeV
Như vậy năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt, vì vậy notron có năng lượng nhỏ 0.001 – 0.1 eV cũng đủ khả năng làm phá vỡ hạt nhân U235.

Năng lượng khi vỡ hạt nhân: Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra tương ứng với độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch.

U235 + n –> X + Y + kn + E k= 2 - 3

Hai mảnh X, Y là những hạt nhân khác nhau tùy theo điều kiện của phản ứng, xác xuất xuất hiện hai hạt nhân X, Y phụ thuộc vào số khối A của chúng, thường là các hạt nhân có số khối trung bình trong bảng tuần hoàn Mendelev.

Trong mọi trường hợp phản ứng phân hạch hạt nhân U235 bao giờ cũng tỏa ra năng lượng E ≈ 200 MeV được gọi là năng lượng phân hạch hạt nhân Uran. Điều này có nghĩa là 1kg Uran 235 khi xẩy ra phản ứng phân hạch, tỏa ra một năng lượng tương đương với 2000 tấn xăng, hoặc 26 000 tấn than đá.

Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ, phải phát ra một số notron. Những notron này lại có thể bắn phá các nhân Uran khác ở gần đó và cứ thế phản ứng tiếp diễn thành một dây chuyền.

Thực tế không phải mọi notron sinh ra đều bắn phá các hạt nhân xung quanh, mà chúng có thể bị mất đi vì nhiều lý do khác nhau: ví dụ như bị tạp chất trong nguyên liệu hấp thụ, hoặc U238 mà không xẩy ra phản ứng phân hạch…

Vì vậy muốn có phản ứng dây truyền, cần xét đến hệ số K – hệ số nhân notron. Hệ số K được xác định bằng tỷ số notron sinh ra và số notron mất đi do các nguyên nhân khác nhau. Nếu K < 1, phản ứng phân hạch tắt dần. Nếu K = 1, phản ứng phân hạch xẩy ra với mật độ notron không đổi, đó là phản ứng dây truyền có điều khiển được xẩy ra trong lò phản ứng. Nếu K > 1, số lượng notron tăng lên không ngừng theo cấp số nhân, đây là phản ứng dây truyền không điều khiển được xẩy ra trong các vụ nổ bom nguyên tử.

Hạt nhân U238 chỉ vỡ khi hấp thụ notron có năng lượng lớn. Khi hấp thụ notron năng lượng nhỏ, thì U238 biến thành Pu239. Như vậy, trong môi trường đồng nhất, nồng độ U238 lớn thì phản ứng dây truyền là không thể xẩy ra. Ngược lại nếu trong môi trường đồng nhất và khối lượng U235 đủ lớn thì phản ứng hạt nhân có thể xẩy ra tự phát và tỏa ra một nhiệt lượng lớn. Khối lượng tới hạn - khối lượng tối thiểu để xẩy ra phản ứng dây truyền tự phát – của Uran là 1kg, của Plutoni là 1.235kg.

Nguyên tắc của lò phản ứng hạt nhân: Khi phá vỡ hạt nhân trung bình có từ 2-3 notron bắn phá ra. 99% notron này được bắn phá ngay khi hạt nhân bị phá vỡ và có năng lượng khoảng 2 MeV, chỉ có 1% notron được tạo ra sau khi đã tạo thành 2 mảnh vỡ, có năng lượng khoảng 0.5MeV. Để phản ứng dây truyền có điều khiển xẩy ra trong lò phản ứng hạt nhân, cần làm chậm các hạt notron bằng các chất làm chậm.

Trong một lò phản ứng hạt nhân, các thanh Uran thiên nhiên hay plutôni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền.
Như vậy, nơtrôn nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch, sẽ bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt trong chất làm chậm. Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh Cadmi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtrôn nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những thanh Cadmi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtrôn luôn luôn bằng đơn vị (k = 1).

Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò để bảo đảm giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm. Nếu lò dùng để cung cấp năng lượng thì chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtrôn.

Một dòng nước thường sẽ nhận nhiệt nóng trong buồng trao đổi nhiệt và biến thanh hơi. Hơi nước sẽ kéo motor của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi và trở về buồng trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lò đến buồng trao đổi nhiệt về lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt. Ngoài ra lò phản ứng còn có hệ thống điều khiển và bảo vệ. Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi công suất lò phản ứng. Hệ bảo vệ bảo đảm sự an toàn phóng xạ.

Hiện nay, người ta làm nhiều loại lò phản ứng khác nhau với nhiên liệu, chất thải nhiệt, chất làm chậm khác nhau tùy theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp năng lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân.

Nguyên tắc của bom hạt nhân: Người ta dùng hai mảnh U235 có khối lượng nhỏ hơn 1kg đặt cách xa nhau. Dùng thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh đó dính liền nhau, khối lượng bây giờ lớn hơn khối lượng tới hạn. Kết quả xẩy ra vụ nổ nguyên tử. Trên thực tế khó có thể đạt được U235 nguyên chất nên khối lượng tới hạn lớn hơn 1kg nhiều.