tìm hiểu về nguyên tố hiếm và phóng xạ urani

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA HÓA HỌC


BÀI TIỂU LUẬN
KHÓA 35 (2011 - 2015)

ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ NGUYÊN TỐ HIẾM VÀ PHÓNG
XẠ URANI
Cán bộ hướng dẫn:
TH.S. ĐẶNG XUÂN TÍN
Sinh viên thực hiện:
PHẠM THỊ MỸ LIÊN
Huế, 2014

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 3
II. NỘI DUNG 4
1. Tổng quan về nguyên tố Urani 4
1.1. Khái quát chung 4
1.2. Lịch sử 6
1.3. Phân bố 7
1.4. Đồng vị và phóng xạ 8
1.5. Các phương pháp làm giàu Urani 9
2. Tính chất và hợp chất của Urani 11
2.1. Tính chất 11
2.2. Hợp chất của Urani 12
2.2.1. Trạng thái ôxi hóa và ôxit 12
2.2.2. Hydrua, cacbic và nitrit 14

2.2.3. Halua 14
3. Ứng dụng 15
3.1. Quân sự 15
3.2. Dân dụng 17
3.3. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người 18
KẾT LUẬN 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO 21
2

MỞ ĐẦU

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về đất hiếm. Các mỏ đất hiếm ở Việt
Nam có quy mô từ trung bình đến lớn, chủ yếu là đất hiếm nhóm nhẹ (nhóm lantan
- ceri), tạo điều kiện thuận lợi để phát triển công nghiệp khai thác, chế biến đất hiếm
trong tương lai. Với nhu cầu sử dụng đất hiếm trên thế giới ngày càng tăng, công
tác điều tra, đánh giá và thăm dò đất hiếm cũng như nghiên cứu chính sách đầu tư
khai thác, chế biến, xuất khẩu đất hiếm hiện nay đang được đặc biệt quan tâm.
Urani được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, dân dụng, dùng làm nhiên liệu cho các
lò phản ứng hạt nhân Do đó, tinh chế urani là một giai đoạn quan trọng trong chu
trình nhiên liệu hạt nhân. Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để tinh chế
urani, trong đó chiết là phương pháp truyền thống và phổ biến.
3

II. NỘI DUNG
1. Tổng quan về nguyên tố Urani
1.1. Khái quát chung
Hình 1.1. Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học
Urani là nguyên tố hóa học kim loại, màu xám bạc, có tính phóng xạ, hoá
đen khi tiếp xúc với không khí, urani là một kim loại rất nặng, thuộc nhóm Actini,
có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn, kí hiệu là U. Trong một thời gian dài,

urani là nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn. Các đồng vị phóng xạ của
urani có số nơ tron từ 144 đến 146 nhưng phổ biến nhất là các đồng vị urani-
238, urani-235 và urani-239. Tất cả đồng vị của urani đều không bền và có tính
phóng xạ yếu. Urani có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 trong các nguyên tố tự
nhiên, xếp sau plutoni-244. Mật độ của urani lớn hơn mật độ của chì khoảng 70%,
nhưng không đặc bằng vàng hay wolfram. Urani có mặt trong tự nhiên với nồng độ
thấp khoảng vài ppm trong đất, đá và nước, và được sản xuất thương mại từ
các khoáng sản chứa urani như uraninit.
4

Trong tự nhiên, urani được tìm thấy ở dạng urani 238 (99,284%), urani
235 (0,711%),

và một lượng rất nhỏ urani 234 (0,0058%). Urani phân rã rất chậm
phát ra hạt anpha. Chu kỳ bán rã của urani 238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani
235 là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.
Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó.
Urani-235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên. Urani 238
có thể phân hạch bằng nơtron nhanh, và là vật liệu làm giàu, có nghĩa là nó có thể
được chuyển đổi thành plutoni-239, một sản phẩm có thể phân hạch được trong lò
phản ứng hạt nhân. Đồng vị có thể phân hạch khác là urani-233 có thể được tạo ra
từ thori tự nhiên và cũng là vật liệu quan trong trong công nghệ hạt nhân. Trong khi
urani-238 có khả năng phân hạch tự phát thấp hoặc thậm chí bao gồm cả sự phân
hạch bởi neutron nhanh, thì urani 235 và đồng vị urani-233 có tiết diện hiệu dụng
phân hạch cao hơn nhiều so với các neutron chậm. Khi nồng độ đủ, các đồng vị này
duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân ổn định. Quá trình này tạo ra nhiệt trong các lò
phản ứng hạt nhân và tạo ra vật liệu phân hạch dùng làm các vũ khí hạt nhân. Urani
nghèo(U-238) được dùng trong các đầu đạn đâm xuyên và vỏ xe bọc thép. Trong
lĩnh vực dân dụng, urani chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện
hạt nhân. Ngoài ra, urani còn được dùng làm chất nhuộm màu có sắc đỏ-cam đến

vàng chanh cho thủy tinh urani. Nó cũng được dùng làm thuốc nhuộm màu và sắc
bóng trong phim ảnh.
Martin Heinrich Klaproth được công nhận là người đã phát hiện ra urani
trong khoáng vật pitchblend năm 1789. Ông đã đặt tên nguyên tố mới theo tên hành
tinh Uranus (Sao Thiên Vương). Trong khi đó, Eugène-Melchior Péligot là người
đầu tiên tách kim loại này và các tính chất phóng xạ của nó đã được Antoine
Becquerel phát hiện năm 1896. Nghiên cứu của Enrico Fermi và các tác giả khác
bắt đầu thực hiện năm 1934 đã đưa urani vào ứng dụng trong công nghiệp năng
lượng hạt nhân và trong quả bom nguyên tử mang tên Little Boy, quả bom này là vũ
khí hạt nhân đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh.
5


Hình 1.2. Một số hình ảnh về Urani
1.2. Lịch sử
Việc phát hiện ra nguyên tố này được ghi công cho nhà hóa học Đức Martin
Heinrich Klaproth. Trong khi đang làm các thí nghiệm trong phòng ở Berlin năm
1789, Klaproth đã tạo ra hợp chất kết tủa màu vàng (giống natri diuranat) bằng
cách hòa tan pitchblend trong axit nitric và sau đó trung hòa dung dịch bằng natri
hydroxit. Klaproth cho rằng chất màu vàng đó là ôxit của một nguyên tố chưa được
phát hiện và nung nó với than gỗ để thu một loại bột màu đen mà ông nghĩ rằng nó
là một kim loại mới được phát hiện (nhưng thực chất là bột của một ôxit urani). Ông
đặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus, một hành tinh vừa được William
Herschel phát hiện trước đó 8 năm.
Năm 1841, Eugène-Melchior Péligot, giáo sư hóa phân tích thuộc Trường Kỹ
Nghệ Quốc gia Pháp ở Paris đã tách được mẫu urani kim loại đầu tiên bằng cách
nung urani tetraclorua với kali.
Antoine Henri Becquerel phát hiện ra tính phóng xạ khi sử dụng urani vào
năm 1896. Becquerel phát hiện ra tính chất này tại Paris bằng cách cho một mẫu
muối urani K

2
UO
2
(SO
4
)
2
trên một tấm phim để trong ngăn kéo và sau đó ông thấy
tấm phim bị mờ giống như 'bị phủ sương mù'. Ông cho rằng có một dạng ánh sáng
không nhìn thấy được hoặc các tia phát ra từ urani tiếp xúc với tấm phim.
6

Hình 1.3. Urani
1.3. Phân bố
Hình 1.4. Uraninit, hay Pitchblend, là quặng phổ biến được dùng để tách urani.
Urani là một nguyên tố tự nhiên, có thể tìm thấy trong tất cả các loại đất đá
và nước với hàm lượng thấp. Urani cũng là một nguyên tố có số nguyên tử cao nhất
được tìm thấy trong tự nhiên với hàm lượng nhất định trong vỏ Trái Đất và luôn ở
dạng hợp chất với các nguyên tố khác. Cùng với tất cả các nguyên tố khác có khối
lượng nguyên tử cao hơn sắt, urani chỉ được tạo ra một cách tự nhiên trong các vụ
nổ siêu tân tinh. Phân rã của urani, thori, và Kali-40 trong vỏ Trái Đất được xem là
nguồn cung cấp nhiệt chính, điều này giữ cho lõi ngoài ở dạng lỏng và tạo ra các
dòng đối lưu manti.
Hàm lượng urani trung bình trong vỏ Trái Đất là từ 2 đến 4 ppm, tương
đương gấp 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc. Theo tính toán thì vỏ Trái Đất
từ bề mặt đến độ sâu 25 km chứa 10
17
kg urani trong khi ở cácđại dương có thể chứa
7

10
13
kg. Hàm lượng urani trong đất thay đổi từ 0,7 đến 11 ppm, và hàm lượng của
urani trong nước biển là 3 ppm.
Urani phong phú hơn antimon, thiếc, cadmi, thủy ngân, hay bạc và phổ biến
như arsenic hay molybden. Urani được tìm thấy trong hàng trăng mỏ khoáng
uraninit (loại quặng urani phổ biến nhất), carnotit, autunit, uranophan, torbernit,
vàcoffinit. Hàm lượng urani nhiều nhất trong các mỏ đá có phốt phát, các khoáng
như lignit và cát monazit trong các quặng giàu urani (hàm lượng thương mại của
các nguồn tối thiểu là 0,1% urani).
1.4. Đồng vị và phóng xạ
Urani tự nhiên bao gồm ba đồng vị chính: urani-238 (99,28%), urani-235
(0,71%), và urani 234 (0,0054%). Tất cả 3 đồng vị này đều phóng xạ, phát ra
các hạt anpha với ngoại lệ là ba đồng vị trên đều có xác suất phân hạch tự nhiên nhỏ
hơn là phát xạ anpha.
Urani-238 là đồng vị ổn định nhất của urani, có chu kỳ bán rã khoảng 4.468
tỉ năm, gần bằng tuổi của Trái Đất. Urani-235 có chu kỳ bán rã khoảng 7,13 triệu
năm và urani-234 có chu kỳ bán rã khoảng 2,48×10
5
năm. Đối với urani tự nhiên,
khoảng 49% tia anpha được phát ra từ mỗi U-238, 49% tương tự đối với U-234U
(do sản phẩm sau được tạo thành từ sản phẩm trước) và khoảng 2% trong số đó do
U-235 phát ra. Khi Trái Đất còn trẻ, có thể 1/5 urani của Trái Đất là urani-235,
nhưng tỷ lệ U-234 có thể thấp hơn nhiều so với hiện nay.
- Urani-238 thường phát hạt α - trừ khi trải qua phân hạch tự nhiên - phân rã
theo phân rã hạt nhân urani, với tổng cộng 18 nguyên tố, tất cả chúng cuối cùng đều
phân rã thành chì-206 theo nhiều cách phân rã khác nhau.
8

Chuỗi phân rã phóng xạ của U-235 có 15 nguyên tố, tất cả chúng phân rã đến

cuối cùng đều tạo ra chì-207. Các hằng số phân rã trong các chuỗi này có ích để so
sánh về các tỉ số của hạt nhân mẹ và hạt nhân con trong việc định tuổi bằng đồng vị
phóng xạ.
- Urani-234 là nguyên tố trong chuỗi phóng xạ Urani, và phân rã thành chì-
206 thông qua một chuỗi phân rã của các đồng vị có thời gian tồn tại tương đối
ngắn.
- Urani-233 được tạo ra từ thori-232 khi bị bắn phá bằng neutron, thông
thường trong các lò phản ứng hạt nhân, và U-233 cũng có thể phân hạch. Chuỗi
phân rã của nó kết thúc bằng tali-205.
- Urani-235 là một đồng vị quan trọng được dùng trong các lò phản ứng hạt
nhân và trong vũ khí hạt nhân, do nó là đồng vị urani duy nhất tồn tại ở dạng tự
nhiên trên Trái Đất có khả năng tự phân hạch tạo ra các sản phẩm phân hạch bằng
các neutron nhiệt.
- Urani-238 không thể phân hạch. Do đó, các
hạt nhân U-238 có thể hấp thụ một neutron để tạo ra
đồng vị phóng xạ urani-239. U-239 phân rã beta tạo
ra neptuni-239, đồng vị này cũng phân rã beta, sau đó
phân rã thành plutoni-239 chỉ trong vài ngày. Pu-239
được dùng làm vật liệu phân hạch trong quả bom
nguyên tử đầu tiên trong vụ thử Trinity ngày 15 tháng 7 năm 1945 ở New Mexico.
Urani là nguyên tố phóng xạ yếu, rất nặng (tỷ trọng 19) và cứng, bề mặt màu
xám bạc bóng nhẵn, nhưng bị xỉn đi khi để tiếp xúc với oxy của không khí thành
dạng bột nó bị oxy hóa và bị đốt cháy nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí.
Urani ở thị trường có dạng thỏi để sẵn được đánh bóng, gọt dũa, cán mỏng (để tạo
ra thanh, ống, lá, dây )
1.5. Các phương pháp làm giàu Urani
Tách đồng vị là cách thức làm giàu urani-235, loại được dùng trong các vũ
khí hạt nhân và trong hầu hết các nhà máy điện hạt nhân, ngoại trừ các lò phản ứng
hạt nhân được làm lạnh bằng khí và các lò phản ứng hạt nhân nước nặng được điều
áp. Trong các ứng dụng nói trên, việc làm giàu là để cho hầu hết các nơtron được

9

giải phóng từ sự phân hạch nguyên tử urani-235 phải ảnh hưởng đến các nguyên tử
urani-235 khác để duy trì chuỗi phản ứng hạt nhân.
Hiện tại có 2 phương pháp làm giàu Uranium phổ biến là: Phát xạ thể
khí (Gaseous Diffusion) và ly tâm thể khí (Gas Centrifuge).
Phát xạ thể khí:
Là thế hệ đầu tiên trong kỹ thuật làm giàu Uranium và được sử dụng nhiều
trong thời chiến tranh lạnh. Ly tâm thể khí là thế hệ thứ hai và tiêu thụ năng lượng
chỉ bằng 6% so với phương pháp phát xạ thể khí.hiện tại, các nhà khoa học công bố
phương pháp thứ ba có tên Cộng hưởng nguyên tử (Nuclear resonace). Tuy nhiên,
phương pháp này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và thiếu ổn định nên chưa
được áp dụng trong thực tế trên qui mô lớn.
 Phương pháp ly tâm thể khí:
Hình 1.5. Các dãy máy li tâm khí được dùng để làm giàu quặng urani
Phương pháp này sử dụng một số lượng lớn các máy ly tâm được nối song song
hoặc nối tiếp. Mỗi máy ly tâm tạo ra lực ly tâm lớn để đẩy các nguyên tử khí chứa
Uranium 238 có trọng lượng lớn ra mép ngoài và thu nguyên tử khí chứa Uranium 235
nhẹ hơn về phía trục.Theo các chuyên gia, hệ số tách ly của phương pháp này cao hơn
nhiều so với phát xạ thể khí và tốn ít năng lượng hơn. Hiện nay, kỹ thuật ly tâm thể khí
sản xuất ra khoảng 54% tổng khối lượng Uranium làm giàu trên thế giới.
10

2. Tính chất và hợp chất của Urani
2.1. Tính chất
Hình 2.1. Phân hạch hạt nhân của urani-235
Khi được tách ra, urani là kim loại có màu trắng bạc, phóng xạ yếu, mềm
hơn thép một chút,

độ dương điện mạnh và độ dẫn diện kém. Nó dẻo, dễ uốn và có

tính thuận từ. Kim loại urani có mật độ rất lớn, đặc hơn chì khoảng 70%, nhưng nhẹ
hơn vàng.
Urani kim loại phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim và các hợp chất
phi kim với mức phản ứng tăng theo nhiệt độ. Axit clohidric và axit nitric hòa tan
urani, nhưng các axit không có khả năng ôxy hóa phản ứng với nguyên tố này rất
chậm. Khi chia nhỏ, urani có thể phản ứng với nước lạnh; khi tiếp xúc với không
khí, kim loại urani bị phủ một lớp ôxit urani màu đen. Urani trong quặng được tách
bằng phương pháp hóa học và chuyển đổi thành urani ôxit hoặc các dạng khác có
thể dùng trong công nghiệp.
Urani-235 là đồng vị đầu tiên được tìm thấy có thể tự phân hạch. Các đồng
vị khác có mặt trong tự nhiên có thể phân hạch nhưng không thể tự phân hạch. Tùy
thuộc vào việc bắn phá bằng các neutron chậm, đồng vị urani-235 sẽ luôn phân chia
thành 2 hạt nhân nhỏ hơn, giải phóng năng lượng liên kết hạt nhân. Nếu các nơtron
này được hấp thụ bởi các hạt nhân urani-235 khác, thì chuỗi phân hạch hạt nhân sẽ
diễn ra và có thể gây nổ trừ khi phản ứng được làm chậm lại bởi việc điều hòa
neutron, bằng cách hấp thụ chúng. Ít nhất 7 kg uranium-235 có thể sử dụng để tạo
thành một quả bom nguyên tử. Little Boy là quả bom hạt nhân đầu tiên được sử
11

dụng trong chiến tranh dựa vào sự phân hạch urani, còn vụ nổ hạt nhân đầu tiên và
quả bom phá hủy Nagasaki (Fat Man) đều là bom plutoni.
 Kim loại urani có 3 dạng thù hình:
• α (trực thoi) bền với nhiệt độ lên đến 660 °C
• β (bốn phương) bền ở nhiệt độ từ 660 °C đến 760 °C
• γ (lập phương tâm khối) bền từ 760 °C đến điểm nóng chảy đây là trạng
thái dẻo và dễ uốn nhất.
2.2. Hợp chất của Urani
2.2.1. Trạng thái ôxi hóa và ôxit
a) Ôxit
Hình 2.2. Triurani octaoxit và urani dioxit là hai dạng oxit urani phổ

biến nhất.
Yellowcake đã được nhiệt phân là sản phẩm được sản xuất công nghiệp chứa
các nhóm urani có trạng thái ôxi hóa khác nhau từ thấp nhất đến cao nhất. Các hạt
có thời gian lưu giữ ngắn trong lò nung sẽ ít bị ôxi hóa hơn những hạt có thời gian
lưu giữ dài hơn. Hàm lượng urani thường được tính theo U
3
O
8
, kể từ những ngày
thực hiện dự án Manhattan, khi đó U
3
O
8
đã được sử dụng làm tiêu chuẩn báo cáo
trong hóa phân tích.
12

Các mối quan hệ pha trong tổ hợp urani-ôxi mang tính phức tạp. Các trạng
thái ôxi hóa quan trọng nhất của urani là urani(IV) và urani(VI) với hai ôxit tương
ứng là urani điôxit (UO
2
) và urani triôxit (UO
3
). Các urani ôxit khác gồm urani
monoxit (UO), diurani pentoxit (U
2
O
5
) và urani peroxit (UO
4

.2H
2
O) đều tồn tại.
Các dạng urani ôxit phổ biến nhất là triurani octaoxit (U
3
O
8
) và UO
2
. Cả hai
ôxit nay đều ở dạng rắn, ít hoàn tan trong nước và tương đối bền trong nhiều kiểu
môi trường. Triurani octaoxit là hợp chất urani ổn định nhất và là dạng thường gặp
trong tự nhiên (tùy thuộc vào các điều kiện). Urani điôxit là dạng được dùng làm
nhiên liệu hạt nhân phổ biến.

Ở nhiệt độ thường, UO
2
sẽ chuyển một cách từ từ
thành U
3
O
8
. Do tính ổn định, các urani ôxit thường được xem là dạng hợp chất dùng
để lưu trữ hoặc loại bỏ.
b) Dịch hóa học
Hình 2.3. Các trạng thái ôxy hóa của urani: III, IV, V, VI
Các muối của tất cả bốn trạng thái ôxi hóa là dung dịch hòa tan trong nước
và có thể được nghiên cứu ở dạng dung dịch nước. Các trạng thái ôxi hóa gồm
U
3+

(đỏ), U
4+
(lục), UO
2
+
(không bền) và UO
2
2+
(vàng). Một vài hợp chất bán kim
loại và rắn như UO và US tồn tại trong urani ở trạng thái ôxi hóa thông thường (II),
nhưng không có các ion đơn tồn tại trong dung dịch ở trạng thái đó. Các ion U
3+
giải
phóng hydro từ nước vì vậy được xem là trạng thái không bền. Ion UO
2
2+
đặc trưng
cho trạng thái ôxi hóa (VI) và tạo thành các hợp chất như uranyl cacbonat, uranyl
clorua và uranyl sulfat. UO
2
2+
cũng tạo phức với các chất tạo phức hữu cơ, chất
thường gặp nhất là uranyl axetat.
c) Cacbonat
13

Trong khi một lượng lớn cacbonat không hòa tan trong nước, urani cacbonat
thỉnh thoảng hòa tan trong nước. Điều này xảy ra là do cation U(VI) có thể liên kết
hai ôxit và 3 cacbonat hoặc nhiều hơn để tạo thành các phức anion.
2.2.2. Hydrua, cacbic và nitrit

Kim loại urani nung ở nhiệt độ 250 đến 300°C (482 đến 572 °F) phản ứng
với hydro tạo thành urani hydrua. Thậm chí ở nhiệt độ cao hơn có thể loại bỏ hydro.
Tính chất này khiến cho urani hydrua trở thành một loại vật liệu tiện lợi để tạo ra
bột urani phản ứng, cùng với các hợp chất khác như cacbic, nitrit, và halua. Hai
dạng tinh thể của urani hydrua tồn tại là: dạng α tồn tại ở nhiệt độ thấp còn dạng β
được tạo ra ở nhiệt độ trên 250°C.
Urani cacbic và urani nitrit là các hợp chất bán kim loại tương đối trơ, tan rất
ít trong các loại axit, phản ứng với nước, và có thể đốt cháy trong không khí tạo
thành U
3
O
8
. Các cabic của urani gồm urani monocacbic (UC), urani đicacbic (UC
2
),
và điurani tricacbic (U
2
C
3
). Cả hai hợp chất UC và UC
2
được tạo thành bằng cách
thêm cacbon vào urani nóng chảy hoặc urani kim loại tiếp xúc với cacbon
monoxit ở nhiệt độ cao U
2
C
3
, ổn định dưới 1800°C, được điều chế bằng cách pha
trộn hỗp hợp nóng của UC và UC
2

dưới áp lực cơ học. Urani nitrit được điều chế
bằng cách cho kim loại tác dụng với nitơ bao gồm urani mononitrit (UN), urani
đinitrit (UN
2
) và điurani trinitrit (U
2
N
3
).
2.2.3. Halua
Hình 2.4. Urani hexaflorua là một chất trung gian để tách urani-235
ra khỏi urani tự nhiên.
Tất cả urani florua được tạo ra từ urani tetraflorua (UF
4
); UF
4
được điều chế
bằng cách hydroclorua hóa urani điôxit. UF
4
được khử bằng hydro ở 1000°C tạo ra
14

urani triflorua (UF
3
). Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp, phản ứng
củaUF
4
rắn với urani hexaflorua (UF
6
) khí có thể tạo thành các florua trung gian

như U
2
F
9
, U
4
F
17
, và UF
5
.
Ở nhiệt độ phòng, UF
6
có áp suất hơi cao, nên nó được dùng vào quá
trình khuếch tán khí để tách urani-235 từ đồng vị urani-238. Hợp chất này có thể
được điều chế từ urani đoxit và urani hydrua theo phản ứng:
UO
2
+ 4 HF → UF
4
+ 2 H
2
O (500 °C, thu nhiệt)
UF
4
+ F
2
→ UF
6
(350 °C, thu nhiệt)

Kết quả tạo ra UF
6
, là chất rắn màu trắng, có tính hoạt động cao (bởi quá
trình florua hóa), dễ thăng hoa (gần như ở dạng hơi lý tưởng), và là hợp chất dễ bay
hơi nhất của urani.
Một phương pháp điều chế urani tetraclorua (UCl
4
) là kết hợp trực
tiếp clo với hoặc là kim loại urani hoặc urani hydrua. Sự khử UCl
4
bởi hydro tạo ra
urani triclorua (UCl
3
) trong khi các urani chứa số clo cao hơn được điều chế bởi
phản ứng với clo bổ sung. Tất cả urani clorua phản ứng với nước và không khí.
Các muối urani bromua và iôtua được tạo ra từ phản ứng trực tiếp
của brom và iot với urani hoặc bằng cách thêm UH
3
vào các axit của nguyên tố này.
Ví dụ như:UBr
3
, UBr
4
, UI
3
, và UI
4
. Urani oxyhalua có thể hòa tan trong nước,
gồm UO
2

F
2
, UOCl
2
, UO
2
Cl
2
, và UO
2
Br
2
. Sự ổn định của các oxyhalua này giảm
khi khối lượng nguyên tử của thành phần halua tăng.
3. Ứng dụng
3.1. Quân sự

15

Hình 3.1. Urani nghèo được sử dụng trong quân sự với nhiều mục đích khác nhau
như các đầu đạn tỉ trọng cao.
Ứng dụng chính của urani trong lĩnh vực quân sự là làm các đầu đạn tỉ trọng
cao. Loại đạn này bao gồm hợp kim urani làm nghèo (DU) với 1–2% các nguyên tố
khác. Ở vận tốc tác động cao, mật độ, độ cứng và tính tự bốc cháy của đạn bắn ra có
thể làm tăng sức phá hủy các mục tiêu bọc sắt hạng nặng. Xe tăng bọc sắt và các
loại xe bọc thép khác có thể di chuyển cũng được làm từ các mảnh urani nghèo.
Việc sử dụng DU trở thành vấn đề gây tranh cãi về chính trị và môi trường sau khi
các loại đạn DU được các nước như Hoa Kỳ, Anh và nhiều nước khác sử dụng
trong suốt cuộc chiến tranh vịnh Ba Tư và Balkans. Việc này đã đặt ra câu hỏi rằng
liệu còn bao nhiêu hợp chất urani tồn tại trong đất.

Urani làm nghèo cũng được sử dụng làm vật liệu chống đạn, dùng trong các
container để chứa và vận chuyển các vật liệu phóng xạ. Trong khi bản thân kim loại
urani có tính phóng xạ, mật độ của cao của urani làm cho nó có khả năng bắt giữ
phóng xạ hiệu quả hơn chì từ các nguồn phóng xạ mạnh như radi. Các ứng dụng
khác của DU là dùng làm đối tượng cho các bề mặt kiểm soát của phi thuyền, bệ
phóng cho các phương tiện phóng trở lại (Trái Đất) và vật liệu làm khiên. Do có tỉ
trọng cao, vật liệu này được tìm thấy trong các hệ thống truyền động quán tính và
trong các la bàn dùng con quay hồi chuyển. DU còn được ưa chuộng hơn so với các
kim loại nặng khác do khả năng dễ gia công và chi phí tương đối thấp.
Trong giai đoạn cuối của chiến tranh thế giới thứ 2, trong chiến tranh lạnh và
các cuộc chiến sau đó, urani đã được dùng làm nguyên liệu chất nổ để sản xuất vũ
khí hạt nhân. Có hai loại bom phân hạch chính đã được sản xuất: một thiết bị tương
đối đơn giản sử dụng urani-235 và loại phức tạp hơn sử dụng plutoni-239 gốc urani-
238. Sau đó, các loại bom nhiệt hạch phức tạp hơn và mạnh hơn sử dụng plutoni
trong vỏ bọc urani để tạo ra hỗn hợp triti và deuteri để chịu được phản ứng nhiệt
hạch đã ra đời.
16

3.2. Dân dụng

Hình 3.2. Ứng dụng dân dụng của urani chủ yếu là làm nguồn nhiệt điện trong các
nhà máy điện hạt nhân.
Ứng dụng chủ yếu của urani trong lĩnh vực dân dụng là làm nhiên liệu cho
các nhà máy điện hạt nhân. Các nhà máy điện hạt nhân thương mại sử dụng nhiên
liệu urani đã được làm giàu với hàm lượng urani-235 khoảng 3%.

Lò phản ứng
candu là lò thương mại duy nhất có thể sử dụng nhiên liệu urani chưa được làm
giàu. Nhiên liệu được sử dụng cho các lò phản ứng của Hải quân Hoa Kỳ là urani-
235 đã được làm giàu rất cao. Trong lò phản ứng tái sinh, urani-238 cũng có thể

được chuyển đổi thành plutoni qua phản ứng sau:
238
U (n, gamma) →
239
U -(beta) →
239
Np -(beta) →
239
Pu.
Hình 3.3. Thủy tinh urani bị chiếu tia tử ngoại: một đĩa thủy tinh chuyển sang xanh
còn chân đế thủy tinh vẫn không màu.
Trước khi phát hiện ra phóng xạ, urani được sử dụng chủ yếu với một lượng
nhỏ trong thủy tinh vàng và đồ gốm, như thủy tinh urani.
17

Hình 3.4. Thủy tinh urani được dùng làm vỏ bọc trong tụ điện chân không. Bên
trong bóng thủy tinh có một xi-lanh bằng kim loại kết nối với các điện cực.
Việc Marie Curie phát hiện và tách radi trong các quặng urani đã thúc đẩy
việc khai thác mỏ để tách radi, dùng để làm các loại sơn dạ quang trên các con số
của đồng hồ và bàn số trên máy bay. Điều này làm cho một lượng lớn urani trở
thành chất thải, vì mỗi 3 tấn urani chỉ tách ra được 1 gram radi. Lượng chất thải này
đã được chuyển hướng đến ngành công nghiệp thủy tinh, làm cho thủy tinh urani rất
rẻ và phổ biến. Bên cạnh thủy tinh gốm, còn có gạch urani được sử dụng phổ biến
trong nhà tắm và bếp, các loại này có thể được sản xuất với nhiều màu khác nhau
như lục, đen, lam, đỏ và các màu khác.
Urani cũng được sử dụng làm hóa chất nhiếp ảnh (đặc biệt là urani nitrat để
làm toner).
Việc phát hiện ra tính phóng xạ của urani mở ra những ứng dụng thực tế và
khoa học của nguyên tố này. Chu kỳ bán rã dài của đồng vị urani-238
(4,51×10

9
năm) làm cho nó trở nên thích hợp trong việc sử dụng để định tuổi các đá
macma cổ nhất và các phương pháp định tuổi phóng xạ khác, như định tuổi urani-
thori và định tuổi urani-chì. Kim loại urani được sử dụng trong máy X-quang để tạo
ra tia X năng lượng cao.
3.3. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người
Chức năng thông thường của thận, não, gan, tim và các hệ cơ quan khác
trong cơ thể có thể bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với urani, bởi vì ngoài các phóng xạ
rất yếu, urani còn là kim loại độc. Urani cũng là chất độc có khả năng tái sản
xuất. Các ảnh hưởng phóng xạ phổ biến ở mức độ địa phương là phóng xạ anpha,
18

một kiểu phân rã ban đầu của U-238, có thời gian tồn tại rất ngắn, và sẽ không
xuyên qua da. Các ion uranyl (UO
2
+
), như ở dạng uranium trioxit hay uranyl nitrate
và các hợp chất hóa trị sáu khác có thể gây ra những dị tật bẩm sinh và phá hủy hệ
miễn dịch của các con thú trong phòng thí nghiệm. Khi CDC xuất bản một nghiên
cứu cho thấy không có dấu hiệu ung thư ở người được ghi nhận khi tiếp xúc với
urani tự nhiên hoặc urani đã làm nghèo, tiếp xúc với urani và các sản phẩm phân rã
của nó, đặc biệt là radon, được cho là gây ra những mối đe dọa đáng kể về sức
khỏe.
Mặc dù phơi nhiễm urani tình cờ qua đường hô hấp với urani
hexafluorua nồng độ cao sẽ gây tử vong ở người, nguyên nhân chính gây tử vong
liên quan đến việc tạo ra axit flohydric có độc tính cao và các muối uranyl
fluorua hơn là do bản thân urani. Urani là một chất tự bốc cháy nên khi ở dạng hạt
mịn nó có nguy cơ cháy trong không khí ở nhiệt độ phòng.
19

KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện đề tài: “ Tìm hiểu về nguyên tố hiếm và phóng
xạ Urani” bằng nhiều phương pháp nghiên cứu chúng ta đã hiểu rõ hơn về một số
vấn đề sau:
Tổng quan về nguyên tố Urani
Tính chất và hợp chất của Urani
Một số ứng dụng của Urani trong kĩ thuật.
Việt Nam là một trong những quốc gia có tiềm năng lớn về quặng đất hiếm,
các mỏ đất hiếm chủ yếu thuộc nhóm nhẹ, hàm lượng quặng thuộc loại trung bình,
phân bố tập trung ở vùng Tây Bắc, nên có điều kiện thuận lợi để phát triển ngành
công nghiệp khai thác, chế biến trong tương lai. Vì vậy, nhà nước cần có chính sách
đầu tư thăm dò, khai thác nguồn tài nguyên khoáng sản này phục vụ phát triển kinh
tế khu vực và đất nước.
20

TÀI LIỆU THAM KHẢO
I. Tiếng Việt
[1] Nguyễn Ngọc Anh, Trần Thanh Tùng 1986. “Báo cáo Đánh giá triển vọng
quặng phóng xạ các vùng Việt Bắc và Quảng Nam - Đà Nẵng”. Hà Nội.
[2] Trịnh Xuân Bền, Nguyễn Quang Hưng, 1998. Cơ sở chọn vùng và đề xuất kế
hoạch thăm dò urani phục vụ chương trình phát triển điện nguyên tử ở nước ta. Hội
thảo Nguyên liệu hạt nhân lần 1. Viện Năng lượng nguyên tử VN, Hà Nội.
II. Tiếng Anh
[3] C. R. Hammond (2000). “The Elements, in Handbook of Chemistry and
Physics 81st edition”.
[4] D.E. McClain, A.C. Miller, & J.F. Kalinich. “Status of Health Concerns about
Military Use of Depleted Uranium and Surrogate Metals in Armor-Penetrating
Munitions” (PDF).
[5] De Gregorio, A. (2003). "A Historical Note About How the Property was
Discovered that Hydrogenated Substances Increase the Radioactivity Induced by

Neutrons".
[6] E M. Péligot (1842). “Recherches Sur L'Uranium”. Annales de chimie et de
physique 5 (5): 5–47.
[7] Fermi, Enrico (12 tháng 12, 1938). “Artificial radioactivity produced by
neutron bombardment: Nobel Lecture” (PDF). Royal Swedish Academy of
Sciences.
[8] Hoffman, D. C.; Lawrence, F. O.; Mewherter, J. L.; Rourke, F. M.
(1971).“Detection of Plutonium-244 in Nature”
[9] Magurno, B.A.; Pearlstein (1981). “Proceedings of the conference on nuclear
data evaluation methods and procedures. BNL-NCS 51363, vol. II”. Upton, NY
(USA): Brookhaven National Lab. tr. 835 ff. Truy cập ngày 6 tháng 8 năm 2014.
[10] Morss, L.R.; Edelstein, N.M. and Fuger (2006). “The Chemistry of the Actinide
and Transactinide Elements”. Netherlands: Springer.
[11] “U ranium” . Columbia Electronic Encyclopedia. Columbia University Press.
[12] “Uranium”. The American Heritage Dictionary of the English Language.
Houghton Mifflin Company.
[13] “Uranium recovery from Seawater”. Japan Atomic Energy Research Institute.
23 tháng 8 năm 1999.
21