Uranium là gì?
Uranium là nguyên tố phóng xạ tự nhiên, có số nguyên tử là 92, ký hiệu là U trong bản tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Uranium là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong lớp vỏ trái đất. Mặc dù có vẻ là nguyên tố hiếm, nhưng một lượng nhỏ uranium có mặt khắp mọi nơi, trong đá, đất, nước. Ngoài ra còn có một lượng lớn uranium pha loãng trong đại dương, khoảng bốn tỉ tấn.
Uranium có tính phóng xạ, luôn phân rã theo thời gian và giải phóng năng lượng trong quá trình này. Uranium chứa đầy năng lượng. Về lý thuyết, một kg uranium-235 có thể tạo ra khoảng 80 terajoules năng lượng, tương đương với năng lượng được tạo ra bởi 3.000 tấn than.
Các tính chất độc đáo của uranium, đặc biệt là chứa nguồn năng lượng khổng lồ, khiến uranium được sử dụng là nguồn nhiên liệu chính cho các lò phản ứng hạt nhân. Một lượng nhiên liệu uranium có kích thước bằng quả trứng gà có thể cung cấp lượng điện tương đương 88 tấn than.
Giống như bất kỳ nguyên tố nào khác, uranium có một số biến thể khác nhau về khối lượng và tính chất vật lý nhưng có cùng tính chất hóa học. Chúng được gọi là đồng vị.
Các đồng vị của uranium
Trong tự nhiên, uranium có ba đồng vị phổ biến: U-238 chiếm hơn 99% uranium tự nhiên trên Trái đất; U-235 chiếm khoảng 0,72%; còn U-234 chỉ có một lượng rất nhỏ khoảng 0,0054%.
Hầu hết lò phản ứng hạt nhân sử dụng nhiên liệu chứa U-235. Tuy nhiên, U-235 thường chỉ chiếm khoảng 0,72% uranium trong tự nhiên và các lò phản ứng cần nồng độ đồng vị này cao hơn trong nhiên liệu của chúng. Do đó, nồng độ U-235 được tăng lên một cách nhân tạo thông qua quá trình gọi là làm giàu.
Lưu ý, các lò phản ứng CANDU từ Canada được cung cấp nhiên liệu bằng uranium không làm giàu.
Uranium làm giàu là gì?
Làm giàu uranium là quá trình mà tỉ lệ đồng vị của U-235 tăng từ 0,72% lên tới 94%.
Uranium được coi là làm giàu thấp nếu tỉ lệ đồng vị U-235 của nó vẫn dưới 20%. Hầu hết lò phản ứng thương mại sử dụng uranium làm giàu thấp (LEU) dưới 5% làm nhiên liệu, thường được gọi là “uranium cấp lò phản ứng”. LEU không bị phân hủy, có thể được lưu trữ an toàn trong nhiều năm.
Nếu uranium được làm giàu vượt quá 20%, nó được coi là làm giàu cao. Uranium có tỉ lệ đồng vị U-235 cao như vậy chủ yếu sử dụng trong các lò phản ứng đẩy của tàu hải quân (như trong tàu ngầm), vũ khí hạt nhân và một số lò phản ứng nghiên cứu.
Uranium được tạo thành nhiên liệu hạt nhân như thế nào?
Trên con đường trở thành nhiên liệu hạt nhân, uranium trải qua các trạng thái vật chất rắn, lỏng và khí. Quặng uranium rắn được hòa tan thành chất lỏng, được chiết xuất thông qua quá trình ngâm chiết tại chỗ, chuyển thành dạng rắn như bánh vàng, chuyển thành uranium hexafluoride, ly tâm và làm giàu, rồi chế biến thành uranium dioxide, tạo thành các viên uranium, làm cơ sở cho các cụm nhiên liệu hạt nhân ở các nhà máy điện hạt nhân.
Uranium dioxide là chất giống như bột đen. Chất này được nén, thiêu kết thông qua quá trình gia nhiệt để tạo thành các viên uranium. Sau đó, các viên này được đưa từng viên một vào các ống kim loại dài, xếp chồng lên nhau, tạo thành các cụm nhiên liệu, đây là nguồn nhiên liệu chính cho các lò phản ứng hạt nhân.
