Thorium là gì? Tiềm năng thay thế uranium trong năng lượng hạt nhân sạch

Chu Văn An

Trong cuộc chạy đua tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, ổn định và bền vững, thorium – nguyên tố bị lãng quên trong lịch sử phát triển hạt nhân – đang dần trở lại tâm điểm chú ý. Với độ phóng xạ thấp, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao và ít chất thải độc hại hơn uranium, thorium được coi là “uranium của thế kỷ 21”. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về thorium: từ đặc tính kỹ thuật, nguồn gốc, ứng dụng cho đến những thách thức trong thương mại hóa – với nhiều bằng chứng khách quan từ các chương trình nghiên cứu toàn cầu.

1. Thori là gì?

Thorium (Th) là một nguyên tố Actini, số nguyên tử 90, thuộc nhóm kim loại phóng xạ. Trong tự nhiên, thorium chủ yếu tồn tại dưới dạng đồng vị thorium-232, có chu kỳ bán rã lên tới 14 tỷ năm – tương đương với tuổi của Trái Đất.

Khác với uranium, thorium không tự phân hạch mà có thể hấp thụ neutron và biến đổi thành uranium-233 (U-233) – một đồng vị có khả năng phân hạch cao, tương đương với uranium-235.

Thorium có thể được khai thác dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình chế biến đất hiếm – đặc biệt là từ khoáng vật monazite, chứa 3–12% thorium oxit (ThO₂).

2. Tính chất vật lý và hóa học

Thorium có một số đặc điểm nổi bật so với các nguyên tố phóng xạ khác:

• Khối lượng nguyên tử: 232,03806 u
• Cấu hình electron: [Rn] 6d²7s²
• Trạng thái tự nhiên: kim loại rắn, dẻo, có thể cán mỏng
• Bề mặt kim loại: sáng bóng khi cắt lần đầu, nhưng nhanh chóng bị xỉn màu do quá trình oxy hóa
• Phản ứng hóa học: phản ứng với oxy, halogen, axit vô cơ tạo thành hợp chất thori ổn định

Độ ổn định hóa học cao của thorium giúp dễ dàng bảo quản và ít gây ra những sự cố không mong muốn trong quá trình sử dụng công nghiệp.

3. Nguồn gốc và trữ lượng toàn cầu

Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), thorium có trữ lượng ước tính khoảng 6–8 triệu tấn trên toàn cầu, phân bố ở:

• Ấn Độ: trữ lượng lớn nhất (~25% toàn cầu), chủ yếu ở ven biển Kerala
• Brazil, Mỹ, Úc: mỗi nước sở hữu khoảng 12–16% trữ lượng
• Na Uy, Canada, Nam Phi, Türkiye: có trữ lượng rải rác

Monazite là khoáng vật chứa thorium phổ biến nhất, đồng thời cũng là nguồn cung cấp đất hiếm – điều này giúp việc khai thác thorium không phát sinh chi phí quá cao nếu kết hợp khai thác kép.

Tại Việt Nam, các mẫu quặng monazit ở Ninh Thuận, Quảng Nam và Tây Bắc được ghi nhận có hàm lượng thorium ở mức tiềm năng, đủ cho nghiên cứu lâu dài.

4. Ứng dụng công nghiệp của Thorium

4.1. Trong năng lượng hạt nhân

Ưu điểm lớn nhất của thorium là khả năng chuyển đổi thành nhiên liệu phân hạch thông qua kích hoạt neutron, tạo ra uranium-233 – được coi là nhiên liệu hạt nhân sạch hơn.

Các nước như Ấn Độ, Trung Quốc, Mỹ, Na Uy đã triển khai nhiều dự án thí điểm:

• Ấn Độ: Phát triển chu trình nhiên liệu thorium từ những năm 1950; Lò nung thương mại đầu tiên dự kiến ​​sẽ hoạt động vào năm 2032.
• Na Uy: Thử nghiệm hợp kim uranium-thorium trong lò nước áp lực thông thường (PWR).
• Mỹ: Dự án MSR tại Oak Ridge Lab (1965–1969) đã vận hành an toàn trong 4 năm.

4.2. Trong ngành công nghiệp chịu nhiệt và điện tử

Thorium và các hợp chất của nó được sử dụng trong:

• Điện cực hàn: Oxit Thori tăng độ bền và ổn định hồ quang
• Đèn chiếu sáng: Trước đây, lưới thorium được sử dụng trong đèn khí do khả năng phát xạ ánh sáng mạnh
• Vật liệu quang học: Thủy tinh Thorium có chiết suất cao, dùng làm kính máy ảnh và ống nhòm cao cấp

4.3. Hãy là chất xúc tác

Trong hóa dầu, thori oxit được dùng làm chất xúc tác Cracking (phá vỡ các phân tử hydrocarbon) trong quá trình lọc dầu thô – giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

5. So sánh Thorium và Uranium

6. Tác động môi trường và an toàn bức xạ

So với uranium và plutonium, thorium có những lợi thế rõ ràng về môi trường:

• Thời gian bán hủy của chất thải ngắn hơn: hầu hết chất phóng xạ từ thori phân rã sau vài trăm năm (thay vì hàng chục nghìn năm)
• Không tạo ra plutonium-239 – chất dùng trong vũ khí hạt nhân và gây nguy cơ an ninh toàn cầu
• Ít độc tính sinh học hơn trong môi trường tự nhiên, dễ quản lý hơn khi bảo quản lâu dài

Tuy nhiên, vẫn cần thiết:

• Tránh tiếp xúc với bụi thorium vì có thể gây ung thư nếu hít phải lâu dài
• Quản lý chất thải trung gian như protactinium-231, bismuth hoạt tính cao-212

Thorium là một trong những nguyên tố hứa hẹn nhiều hứa hẹn cho tương lai của năng lượng toàn cầu. Với khả năng cung cấp nguồn điện ổn định, ít phát thải, an toàn và phi vũ khí, thorium phù hợp cho quá trình chuyển đổi sang năng lượng hạt nhân thế hệ IV – nơi mà tính bền vững và an toàn là ưu tiên hàng đầu.

Dù vẫn còn nhiều thách thức nhưng thorium đang dần thoát khỏi “cái bóng” của uranium và tiến gần hơn đến mục tiêu trở thành nhiên liệu chiến lược của thế kỷ 21.