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

Uranium – một 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 một nguyên tố với cấu trúc độc đáo, tiềm năng to lớn và những ứng dụng vượt xa khuôn khổ chiến tranh. Từ sản xuất điện năng 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 và sử dụng nguyên tố này cũng kéo theo hàng loạt hệ lụy môi trường và vấn đề an toàn quốc tế. Bài viết này sẽ đưa bạn đi sâu vào thế giới Uranium: từ đặc điểm hóa học, công nghệ ứng dụng cho đến những tranh luận xoay quanh tính bền vững và rủi ro toàn cầu mà nó mang lại.

1. Uranium là gì?

Uranium (U) là một nguyên tố kim loại nặng thuộc nhóm actinide, mang tính chất phóng xạ tự nhiên và có mặt phổ biến trong lớp vỏ Trái Đất. Được phát hiện 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 khám phá ra phóng xạ vào cuối thế kỷ 19 – đánh dấu bước ngoặt đưa uranium trở thành nền tảng của năng lượng nguyên tử hiện đại.

2. Các thông số vật lý

Uranium tinh khiết là kim loại mềm, dễ rèn, có màu bạc ánh xám. Khi tiếp xúc không khí, uranium bị oxy hóa nhanh tạo lớp oxit màu đen hoặc vàng xỉn, mất đi độ bóng kim loại. Đặc biệt, uranium có thể tự bốc cháy nếu được nghiền nhỏ và để ngoài không khí ở nhiệt độ cao.

Thuộc tính	Giá trị
Số nguyên tử	92
Trọng lượng nguyên tử	238.0289 u
Mật độ	19,1 g/cm³ (nặng hơn chì ~70%)
Điểm nóng chảy	1.132°C
Điểm sôi	4.131°C
Cấu trúc tinh thể	Orthorhombic
Độ dẫn điện	Tương đối thấp (với kim loại)

2. Tính chất hóa học và đồng vị

2.1. Phản ứng hóa học

Với không khí: Oxy hóa nhanh thành UO₂ hoặc U₃O₈

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

Với nước: Không phản ứng mạnh ở điều kiện thường

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

2.2. Các đồng vị chính

Đồng vị	Tỷ lệ (%)	Chu kỳ bán rã	Ứng dụng chính
U-238	99,27	4,5 tỷ năm	Sản xuất plutonium-239
U-235	0,72	704 triệu năm	Phân hạch trong lò & vũ khí
U-234	~0,005	245.500 năm	Sản phẩm phụ, ít sử dụng

Ghi chú: U235 là đồng vị có khả năng 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 chủ lực trong khoảng 10% tổng sản lượng điện toàn cầu (tính đến 2023), cung cấp năng lượng ổn định, không phát thải CO₂ trực tiếp.

Dạng sử dụng: Uranium thường ở dạng UO₂ ép thành viên nhỏ, đặt trong thanh nhiên liệu, lắp ghép thành bó trong lò phản ứng.
Lò phản ứng hiện đại: PWR (Pressurized Water Reactor), BWR (Boiling Water Reactor), SMR (Small Modular Reactor) – công nghệ mới có tính cơ động cao.

Lợi ích: Sản lượng điện cao, ổn định. Ít phát thải khí nhà kính. Phù hợp với hệ thống điện lưới cơ bản.

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

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

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

4. Tác động sức khỏe và an toàn

4.1. Phơi nhiễm phóng xạ

Phóng xạ alpha từ uranium không xuyên qua da, nhưng rất nguy hiểm nếu hít hoặc nuốt.
Đối tượng rủi ro cao: công nhân mỏ uranium, nhà máy làm giàu, nhà máy tái xử lý.
Hậu quả: tổn thương DNA, đột biến tế bào, tăng nguy cơ ung thư phổi, gan, xương.

4.2. Độc tính hóa học

Uranium là kim loại nặng → gây tổn thương thận nghiêm trọng (cả cấp và mãn tính)
Muối uranyl có khả năng tan tốt trong nước, dễ hấp thu 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. Khai thác và chuỗi cung ứng uranium

5.1. Trữ lượng và mỏ uranium toàn cầu

Quốc gia	Tỷ lệ trữ lượng toàn cầu (%)	Sản lượng lớn
Úc	~28%	Olympic Dam
Kazakhstan	~15%	Inkai, South Inkai
Canada	~9%	McArthur River
Nga, Uzbekistan	~10%

5.2. Công nghệ khai thác

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

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

In-situ leaching (ISL): bơm dung dịch acid hoặc kiềm vào lòng đất để hòa tan uranium, sau đó bơm ngược lại – ít phá hủy môi trường bề mặt.

6. Quy định và kiểm soát quốc tế

6.1. Tổ chức quản lý

IAEA: giám sát sử dụng uranium vì mục đích hòa bình, kiểm tra định kỳ các nhà máy điện hạt nhân.

NPT: ngăn ngừa phổ biến vũ khí hạt nhân.

Hiệp định Safeguards: đảm bảo uranium dân sự không bị chuyển thành vũ khí.

6.2. Kiểm soát trong chuỗi cung ứng

Xuất nhập khẩu uranium: phải 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 (dual-use technologies).

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