Uranium là gì? Tính chất, ứng dụng công nghiệp và tác động đến môi trường

Chu Văn An

Uranium – cái tên luôn gắn liền với năng lượng hạt nhân, vũ khí nguyên tử và những tranh cãi địa chính trị. Nhưng đằng sau lớp vỏ “nguy hiểm” đó là nguyên tố có cấu trúc độc đáo, tiềm năng to lớn và ứng dụng vượt xa khuôn khổ chiến tranh. Từ sản xuất điện sạch, thiết bị quân sự đến y học hạt nhân, Uranium đóng vai trò không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, việc khai thác, sử dụng nguyên tố này cũng kéo theo hàng loạt hậu quả về môi trường và các vấn đề an toàn quốc tế. Bài viết này sẽ đưa bạn đi sâu vào thế giới Uranium: từ đặc tính hóa học, công nghệ ứng dụng cho đến các cuộc tranh luận xung quanh tính bền vững và những rủi ro toàn cầu mà nó mang lại.

1. Uranium là gì?

Uranium (U) là nguyên tố kim loại nặng thuộc nhóm Actinide, có tính phóng xạ tự nhiên và hiện diện rộng rãi trong lớp vỏ Trái đất. Được phát hiện vào năm 1789 bởi nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth, uranium ban đầu chỉ được biết đến như một khoáng chất kỳ lạ, cho đến khi Marie và Pierre Curie phát hiện ra chất phóng xạ vào cuối thế kỷ 19 – đánh dấu bước ngoặt biến uranium thành nền tảng của năng lượng nguyên tử hiện đại.

Uranium là một nguyên tố kim loại nặng thuộc nhóm Actinide

2. Thông số vật lý

Uranium nguyên chất là kim loại mềm, dễ rèn, có màu xám bạc. Khi tiếp xúc với không khí, uranium nhanh chóng bị oxy hóa, tạo ra lớp oxit màu đen hoặc vàng xỉn, mất đi độ bóng kim loại. Đặc biệt, uranium có thể tự bốc cháy nếu bị nghiền nát và tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ cao.

2. Tính chất hóa học và đồng vị

2.1. Phản ứng hóa học

Với không khí: Nhanh chóng oxy hóa thành UO₂ hoặc U₃O₈

Với axit: Tan chậm trong HCl, phản ứng nhanh với HNO₃ và H₂SO₄

Với nước: Không phản ứng mạnh ở điều kiện bình thường

Hợp chất quan trọng: Uranyl nitrat (UO₂(NO₃)₂): tan tốt trong nước, dễ kết tinh. Uranium hexafluoride (UF₆): khí dễ bay hơi, được sử dụng để làm giàu uranium

2.2. đồng vị chính

Lưu ý: U235 là đồng vị phân hạch duy nhất trong tự nhiên, quyết định toàn bộ vai trò của uranium trong công nghệ hạt nhân.

3. Ứng dụng công nghiệp và quân sự

3.1. Năng lượng hạt nhân – nền tảng của điện sạch quy mô lớn

Uranium là nhiên liệu chính cung cấp khoảng 10% tổng sản lượng điện toàn cầu (tính đến năm 2023), cung cấp năng lượng ổn định mà không phát thải CO₂ trực tiếp.

• Hình thức sử dụng: Uranium thường ở dạng UO₂ được ép thành từng viên nhỏ, đặt trong các thanh nhiên liệu, tập hợp thành từng bó trong lò phản ứng.
• Lò phản ứng hiện đại: PWR (Lò phản ứng nước áp lực), BWR (Lò phản ứng nước sôi), SMR (Lò phản ứng mô-đun nhỏ) – công nghệ mới có tính cơ động cao.

Ưu điểm: Sản lượng điện cao, ổn định. Ít phát thải khí nhà kính hơn. Thích hợp cho hệ thống điện lưới cơ bản.

Hạn chế: Chi phí xây dựng cao, rủi ro tai nạn hạt nhân, vấn đề xử lý chất thải phóng xạ.

3.2. Uranium nghèo (DU) – siêu vật liệu công nghiệp

Mật độ cao, độ cứng cao → làm đạn xuyên giáp, vỏ xe tăng, đối trọng máy bay. Đặc biệt ở đạn DU, khi va chạm sẽ “tự mài” do đặc tính cháy và phân mảnh. Tuy nhiên, DU vẫn có mức độ bức xạ thấp, cần được kiểm soát khi sử dụng trên quy mô lớn.

4. Tác động đến sức khỏe và an toàn

4.1. Tiếp xúc với bức xạ

Bức xạ alpha từ uranium không xuyên qua da nhưng rất nguy hiểm nếu hít phải hoặc nuốt phải. Đối tượng có nguy cơ cao: công nhân khai thác uranium, nhà máy làm giàu uranium, nhà máy tái chế. Hậu quả: tổn thương DNA, đột biến tế bào, tăng nguy cơ ung thư phổi, gan và xương.

4.2. Độc tính hóa học

Uranium là kim loại nặng → gây tổn thương thận nghiêm trọng (cả cấp tính và mãn tính). Muối Uranyl hòa tan tốt trong nước, dễ dàng hấp thụ vào cơ thể qua nước uống.

An toàn lao động và PPE: Cần sử dụng mặt nạ chống bụi phóng xạ, găng tay chuyên dụng và hệ thống thông gió cục bộ trong mọi hoạt động xử lý uranium.

5. Chuỗi cung ứng và khai thác uranium

5.1. Dự trữ và mỏ uranium toàn cầu

5.2. Công nghệ khai thác mỏ

Mỏ lộ thiên: hiệu quả với nguồn quặng giàu, chi phí thấp.

Khai thác hầm lò: áp dụng tại Canada (McArthur River) – quặng rất giàu U₃O₈.

Lọc tại chỗ (ISL): bơm dung dịch axit hoặc kiềm vào lòng đất để hòa tan uranium, sau đó bơm trở lại – ít phá hủy môi trường bề mặt hơn.

6. Quy định và kiểm soát quốc tế

6.1. Tổ chức quản lý

IAEA: giám sát việc sử dụng uranium vì mục đích hòa bình, định kỳ kiểm tra các nhà máy điện hạt nhân.NPT: ngăn chặn sự phổ biến vũ khí hạt nhân. Thỏa thuận bảo vệ: đảm bảo uranium dân sự không bị chuyển đổi thành vũ khí.

6.2. Kiểm soát trong chuỗi cung ứng

Xuất nhập khẩu uranium: cần có giấy phép đặc biệt, bị giới hạn nghiêm ngặt bởi luật an ninh quốc gia.

Thiết bị và công nghệ làm giàu: thuộc danh mục kiểm soát chiến lược (công nghệ sử dụng kép).

Uranium không chỉ là một nguyên tố hóa học – nó là nền tảng của cả một kỷ nguyên xung đột về năng lượng, khoa học và địa chính trị. Trong tay con người, uranium có thể thắp sáng toàn bộ thành phố… hoặc quét sạch chúng trong chớp mắt. Chìa khóa nằm ở chỗ: chúng ta sử dụng nó vào mục đích gì và quản lý nó như thế nào.