Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, nếu hydro được xem là nguyên tố cơ bản của vũ trụ và carbon là nền tảng của sự sống, thì uranium – với ký hiệu U và số nguyên tử 92 – chính là nguyên tố đại diện cho năng lượng. Là nguyên tố nặng nhất tồn tại tự nhiên trên Trái Đất, uranium không chỉ phong phú hơn bạc trong vỏ Trái Đất mà còn là nguồn gốc của phản ứng phân hạch hạt nhân, một quá trình giải phóng năng lượng khổng lồ. Tôi luôn bị cuốn hút bởi cách mà uranium, dù chỉ là một kim loại màu xám bạc, lại có thể thay đổi lịch sử nhân loại qua năng lượng sạch và cả vũ khí hủy diệt. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá sâu về uranium, từ tính chất cơ bản đến ứng dụng, với cách tiếp cận học thuật nhưng dễ hiểu, dựa trên dữ liệu khoa học đáng tin cậy.
Tính chất vật lý và đồng vị của uranium
Uranium là một kim loại phóng xạ yếu, có mật độ cao (khoảng 19 g/cm³, gấp 1,67 lần chì), và tồn tại phổ biến trong vỏ Trái Đất với nồng độ tương đương thiếc hoặc vonfram. Nó không phải là nguyên tố hiếm, nhưng việc khai thác đòi hỏi xử lý cẩn thận do tính phóng xạ. Uranium tự nhiên bao gồm ba đồng vị chính: uranium-238 (U-238) chiếm khoảng 99,27%, uranium-235 (U-235) chiếm 0,72%, và uranium-234 (U-234) chiếm 0,005%. Các chu kỳ bán rã của chúng lần lượt là 4,47 tỷ năm cho U-238, 700 triệu năm cho U-235, và 245.500 năm cho U-234. Với chu kỳ bán rã dài như vậy, uranium về cơ bản an toàn khi xử lý, chỉ phát ra phóng xạ ở mức thấp, và chỉ trở nên “mạnh mẽ” khi kích hoạt phản ứng phân hạch.
Để dễ hình dung sức mạnh năng lượng của uranium, hãy so sánh: Phân hạch hoàn toàn 1 kg U-235 giải phóng năng lượng tương đương 2,7 triệu kg than đá hoặc khoảng 24 triệu kWh nhiệt. Trong khi đó, 1 kg than đá chỉ tạo ra khoảng 8 kWh nhiệt, và 1 kg dầu mỏ khoảng 12 kWh. Điều này làm uranium trở thành nguồn năng lượng mật độ cao nhất mà con người khai thác được.
Quá trình phân hạch hạt nhân
Phân hạch hạt nhân là quá trình mà hạt nhân nguyên tử nặng bị tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, kèm theo sự giải phóng năng lượng lớn do sự chênh lệch khối lượng theo công thức E = mc² của Einstein. Đối với U-235, quá trình bắt đầu khi nó hấp thụ một neutron chậm (với tốc độ khoảng 10.000 km/h, gấp 8 lần tốc độ âm thanh), hình thành U-236 không ổn định. U-236 nhanh chóng phân hạch thành các sản phẩm như barium-144 và krypton-90 (kèm 2 neutron và 200 MeV năng lượng), hoặc praseodymium-141 và krypton-92 (170 MeV), hoặc zirconium-94 và tellurium-139 (197 MeV). Tổng năng lượng trung bình từ một phản ứng phân hạch là khoảng 200 MeV, chủ yếu dưới dạng động năng và nhiệt.
Các neutron giải phóng tiếp tục va chạm với U-235 khác, tạo chuỗi phản ứng dây chuyền. Tuy nhiên, neutron ban đầu di chuyển nhanh (gần tốc độ ánh sáng), nên cần “moderator” như than chì hoặc nước nặng để làm chậm chúng. U-235 là đồng vị tự nhiên duy nhất có khả năng duy trì chuỗi phản ứng này, trong khi U-238 (đồng vị phổ biến nhất) hấp thụ neutron nhanh để biến thành plutonium-239 (Pu-239) qua phân rã beta. Pu-239 cũng là nhiên liệu phân hạch, đóng góp khoảng 30% năng lượng trong lò phản ứng.
Ứng dụng trong nhà máy điện hạt nhân
Trong các nhà máy điện hạt nhân, uranium được làm giàu để tăng tỷ lệ U-235 lên 4-5% (từ mức tự nhiên 0,72%). Quá trình phân hạch kiểm soát bằng cách bắn neutron khởi đầu và sử dụng thanh điều khiển (như boron) để hấp thụ neutron dư thừa, giảm công suất hoặc dừng phản ứng. Năng lượng nhiệt đun sôi nước, tạo hơi quay turbine phát điện.
Sau 3-5 năm, nhiên liệu cạn kiệt U-235 và có thể tái chế bằng cách làm giàu lại, hoặc thay mới nếu chi phí cao. Tôi nghĩ rằng, dù công nghệ này mang lại năng lượng sạch, không phát thải CO₂, nhưng nó đòi hỏi quản lý an toàn nghiêm ngặt để tránh tai nạn như Chernobyl.
Quản lý chất thải hạt nhân
Chất thải từ phân hạch bao gồm các sản phẩm phóng xạ cao như strontium-90 hoặc cesium-137, với chu kỳ bán rã từ vài ngày đến hàng năm. Chất thải hạt nhân được phân loại thành thấp cấp (low-level waste từ hoạt động lò), trung cấp (intermediate-level như nhựa và bùn hóa học), và cao cấp (high-level như nhiên liệu đã qua sử dụng). Chúng được lưu trữ tạm thời tại chỗ, sau đó chôn sâu dưới đất trong các kho địa chất ổn định hoặc tái chế (96% có thể tái sử dụng qua xử lý). Không nên thả xuống biển như một số thực hành cũ, vì quy định hiện đại ưu tiên bảo vệ môi trường.
Ứng dụng trong vũ khí hạt nhân
Bom nguyên tử sử dụng phản ứng phân hạch không kiểm soát, với uranium làm giàu trên 90% hoặc Pu-239. Phân hạch xảy ra nhanh chóng, giải phóng năng lượng tương đương hàng nghìn tấn TNT từ chỉ 1 kg U-235. Vụ nổ tạo quả cầu lửa hàng triệu độ, sóng xung kích, neutron và tia gamma, kèm bụi phóng xạ gây ung thư lâu dài.
Ví dụ, bom “Little Boy” thả xuống Hiroshima ngày 6/8/1945 chứa 64 kg U-235 làm giàu, nhưng chỉ khoảng 1 kg phân hạch, tạo sức nổ 15 kt TNT. Nó giết chết khoảng 70.000 người ngay lập tức và thêm 70.000 người đến cuối năm, phá hủy 70-90% kiến trúc thành phố. Bom “Fat Man” tại Nagasaki ngày 9/8/1945 dùng 6,2 kg Pu-239, sức nổ 21 kt, giết 39.000-40.000 người ngay và thêm 25.000 người sau, phá hủy hơn 40% thành phố. Tổng nạn nhân hai vụ nổ ước tính 150.000-246.000 người.
Kết luận
Uranium thực sự là “món quà” từ vũ trụ, mang tiềm năng năng lượng vô tận nhưng kèm theo rủi ro lớn. Tôi tin rằng, với công nghệ hiện đại, chúng ta có thể khai thác uranium một cách an toàn cho năng lượng bền vững, thay vì lặp lại bi kịch chiến tranh. Hy vọng bài viết này giúp bạn hiểu rõ hơn về nguyên tố kỳ diệu này.
