Làm giàu uranium có nghĩa là gì?

Uranium tự nhiên

Khi khai thác uranium tự nhiên, nó chứa khoảng 99,3% uranium-238 (U-238), 0,7% uranium-235 (U-235), dưới 0,01% uranium-234 (U-234). Đây là các đồng vị uranium khác nhau. Đồng vị của uranium chứa 92 proton ở hạt nhân của nguyên tử. (Số lượng proton trong hạt nhân là yếu tố tạo nên nguyên tử “uranium”).

Nguyên tử U-238 chứa 146 neutron, nguyên tử U-235 chứa 143 neutron và nguyên tử U-234 chỉ chứa 142 neutron. Tổng số proton cộng với số neutron cho biết khối lượng nguyên tử của mỗi đồng vị, tương ứng là 238, 235 hoặc 234.

U-238 không dễ phân hạch và có nhiều hơn U-235. Uranium tự nhiên chỉ chứa một tỉ lệ rất nhỏ U-235, nhưng U-235 là đồng vị cần thiết để duy trì phản ứng phân hạch hạt nhân, đây là quá trình được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân.

Làm giàu uranium

Làm giàu uranium là quá trình làm tăng tỉ lệ U-235 trong nhiên liệu uranium lên mức phù hợp, để sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân hoặc vũ khí hạt nhân. Quá trình này thường thực hiện bằng cách tách các đồng vị bằng các phương pháp như máy ly tâm khí, khuếch tán khí hay phân tách bằng laser.

Nhiên liệu thu được gọi là uranium làm giàu. Nhiên liệu hạt nhân sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân cần đồng vị U-235 có nồng độ cao hơn nồng độ có trong quặng uranium tự nhiên. U-235 khi cô đặc (hoặc “làm giàu”) có thể phân hạch trong lò phản ứng nước nhẹ (thiết kế lò phản ứng phổ biến nhất).

Trong quá trình phân hạch, hạt nhân của nguyên tử tách ra, tạo ra cả nhiệt và các neutron bổ sung. Trong điều kiện được kiểm soát, các neutron bổ sung này có thể khiến các nguyên tử gần đó phân hạch thêm và phản ứng hạt nhân tiếp tục duy trì. Năng lượng nhiệt giải phóng, bởi phản ứng hạt nhân được kiểm soát bên trong lò phản ứng hạt nhân, được khai thác để sản xuất điện.

Mức độ làm giàu phụ thuộc mục đích sử dụng. Về mặt thương mại (nhiên liệu cho lò phản ứng điện hạt nhân), đồng vị U-235 được làm giàu lên 3 - 5% (từ trạng thái tự nhiên là 0,7%), trong khi uranium cấp độ vũ khí được làm giàu tới 90% trở lên.

Tại nhà máy chuyển đổi, uranium oxide được chuyển đổi thành uranium hexafluoride (UF₆) để có thể sử dụng trong cơ sở làm giàu. UF₆ được sử dụng vì các lý do: 1/ Nguyên tố flo chỉ có một đồng vị tự nhiên, có lợi trong quá trình làm giàu (ví dụ khi tách U-235 khỏi U-238, flo không góp phần tạo ra sự khác biệt về trọng lượng); 2/ UF₆ tồn tại dưới dạng khí ở nhiệt độ vận hành phù hợp.

Có hai mối nguy hiểm chính tại các cơ sở làm giàu uranium, bao gồm các mối nguy hiểm về hóa chất có thể phát sinh từ việc giải phóng UF₆ và các mối nguy hiểm về độ tới hạn liên quan đến uranium làm giàu.

Tầm quan trọng của làm giàu uranium

Làm giàu uranium là rất quan trọng vì uranium tự nhiên không phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết lò phản ứng hạt nhân nếu không được làm giàu. Nồng độ U-235 cao hơn trong uranium làm giàu, cho phép phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra hiệu quả hơn, tạo ra nhiều nhiệt hơn, sau đó sử dụng để sản xuất điện.