Lý do uranium được dùng chế tạo bom nguyên tử

[june04]

Khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng bùng nổ làm cho uranium có tính ứng dụng rất cao, đặc biệt là trong sản xuất vũ khí hạt nhân.

Một khối uranium được khai quật trong tự nhiên. Ảnh: R.H.J photo and illustration

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

Uranium chỉ có thể được hình thành trong một số sự kiện khắc nghiệt, được gọi là quá trình r, xảy ra trong những vụ nổ vũ trụ mãnh liệt như siêu tân tinh hay va chạm sao neutron. Từ những vụ nổ đó, nó lan truyền khắp vũ trụ và trở thành một thành phần quan trọng của Trái Đất, mặc dù rất hiếm. Sự hiện diện của uranium đang phân rã chính là lý do tại sao hành tinh của chúng ta có nhiệt bên trong.

Đó là đặc điểm cốt yếu của uranium. Theo thời gian, nó phát ra bức xạ dưới dạng nguyên tử heli, biến thành thorium. Hầu hết tất cả các đồng vị uranium (phiên bản có số neutron khác) đều có chu kỳ bán rã (thời gian để một mẫu giảm một nửa hàm lượng uranium) rất dài. 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. Vào năm 1789, nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth đã 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 đốt nóng bằng than, nó biến thành một loại bột màu đen mà Kalproth đã nhầm tưởng là uranium nguyên chất, nhưng rất có thể nó là một oxit. Ông đặt tên cho nguyên tố mới này theo tên hành tinh Uranus, được phát hiện chỉ 8 năm trước bởi Willaim Herschel. Phải đến năm 1841, mẫu Uranium tinh khiết đầu tiên mới được phân lập thành công bởi nhà hóa học Eugène-Melchior Péligot.

Ngày nay, uranium không còn được sử dụng trong việc tạo màu cho kính và men, thay vào đó ứng dụng chính của nó nằm ở tính phóng xạ, được Henri Becquerel phát hiện vào năm 1896.

Bốn thập kỷ sau, vào năm 1934, một nhóm các nhà vật lý người Italy do Enrico Fermi dẫn đầu đã bắn phá uranium bằng neutron và nhận thấy nó phát ra các electron và positron (phản hạt của electron). Các công trình nghiên cứu sau đó của Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner và Otto Robert Frisch đã chỉ ra rằng uranium có thể phân hủy thành nguyên tố nhẹ hơn và đặt tên cho quá trình này là sự phân hạch hạt nhân. Đây là điều khiến uranium trở thành một "kẻ thay đổi cuộc chơi".

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 1,5 triệu kg than. Khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng bùng nổ đó đã cho phép sử dụng nguyên tố này trong sản xuất điện và vũ khí hạt nhân như bom nguyên tử.

Trong các nhà máy điện hạt nhân, sự phát xạ phóng xạ của các thanh nhiên liệu làm bằng 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 turbine của máy phát điện để tạo ra điện và quan trọng là quá trình này không tạo ra khí thải nhà kính.

Trong cả hai trường hợp, uranium tự nhiên không 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 chuỗi phản ứng hạt nhân rất tốt, giúp duy trì phản ứng ổn định. Tuy nhiên, chúng ta cần có đủ đồng vị này 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 tỷ lệ phần trăm của uranium-235.

Phần còn lại của quá trình làm giàu tạo ra uranium nghèo (có ít uranium-235 hơn). Nó được tận dụng làm thùng chứa để vận chuyển chất 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.