Phân rã hạt nhân Uranium-235

1- Các thuật ngữ hóa học về hạt nhân nguyên tử

Nhân nguyên tử gồm loại hạt kết hợp là proton và neutron.

* Proton là một loại hạt trong nhân nguyên tử, chúng mang điện dương. Tổng số proton trong hạt nhân gọi là điện tích hạt nhân, ký hiệu là Z.

* Neutron là một loại hạt trong nhân nguyên tử, chúng không mang điện. Nguyên tử có thêm neutron nhiều thì càng nặng. Tổng số proton (Z) và neutron tạo nên khối lượng nguyên tử (số khối), ký hiệu là A.

* Ví dụ ta có 235U92, đó là thuộc nguyên tố Uranium vì cùng số proton Z = 92; tuy nhiên nguyên tử nầy chứa thêm 143 neutron nên số khối nguyên tử nầy là 235.

Vì nhóm Uranium luôn có Z=92, để phân biệt các nguyên tử trong cùng nguyên tố (đồng vị) ta viết chúng với dấu - như sau: U-235.

* Đồng vị là các dạng nguyên tử của cùng nguyên tố hóa học có cùng số proton trong hạt nhân nguyên tử nhưng có số khối khác nhau vì có chứa số neutron khác nhau.

* Đồng vị phóng xạ là các dạng nguyên tử của cùng nguyên tố hóa học có cùng số proton trong hạt nhân nguyên tử nhưng không bền tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân.

* Đồng vị bền (đồng vị ổn định) là đồng vị mà hạt nhân không có một biến đổi tự phát nào trong suốt thời gian tồn tại.

* Đồng vị phóng xạ bền là các nguyên tử phóng xạ có chu kỳ bán rã rất lâu (vài trăm triệu năm). Vì thời gian bán rã lâu như thế nên gần như hai thuật ngữ Đồng vị bền và Đồng vị phóng xạ bền cùng nghĩa.

2- Nguyên tố Uranium cùng các đồng vị

Như nói trên, tất cả các nguyên tử có Z = 92 đều là nguyên tố Uranium.

Các tài liệu địa chất cho biết Urani tự nhiên tồn tại dưới dạng hỗn hợp ôxit urani U2O8 trong quặng pesơblin.

Quặng này là nguyên liệu xuất phát để điều chế kim loại nguyên chất hoặc các hợp chất khác.

Họ cũng xác định rằng lượng Urani có trong quả đất tương đối ít, hàm lượng trung bình trong đất đá chỉ chiếm khoảng ba phần triệu, gần như cùng hàm lượng của các nguyên tố hiếm hoi khác như Bo, Môlipđen, Ytecbi và Tali.

Kim loại Urani lại gồm hai thành phần đồng vị chủ yếu, U-238 và U-235. Đây là 2 đồng vị phóng xạ bền.

Trong đó, U-238 chiếm hàm lượng áp đảo với 99,3%. Còn đồng vị U-235 quá ít, chỉ chiếm 0,7% (tức 7 phần ngàn; Ghi chú: làm tròn số để đơn giản).

(Trong tự nhiên còn có đồng vị U-234, số lượng không đáng kể. Dãy đồng vị tự nhiên và nhân tạo thay đổi từ U-217 đến U-242).

3- Làm giàu Uranium

Đồng vị uranium-235 có vai trò quan trọng trong các lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân vì nó là đồng vị duy nhất ở dạng tự nhiên có khả năng bị phá vỡ bởi các nơtron nhiệt.

Trong thực tế, khó có thể tách được một lượng U-235 ròng tuyệt đối.

Chỉ có thể làm giàu đồng vị U-235 trong hỗn hợp kim loại Urani đến một tỉ lệ nhất định. Với độ giàu khoảng 5% (hay U-235 giàu 5%), kim loại hỗn hợp Uranium đã có thể dùng làm nhiên liệu cho nhà máy điện hạt nhân.

Nhưng để làm chất nổ cho bom nguyên tử thì U-235 phải chiếm trên 90% trong hỗn hợp kim loại Uranium.

* Quặng Uranium mới khai thác không nghèo không giàu (U-238 99,3% và U-235 0,7%). Nghèo hay giàu ở đây là tỉ lệ U-235/U-238.

* Khi Quặng được tinh chế đủ để chạy nhà máy điện hạt nhân, gọi là Uranium giàu. Đương nhiên phải xét mức độ giàu bao nhiêu.

* Các thanh nhiên liệu uranium khi cháy hết U-235, chỉ còn độ 0,1 - 0,2% thì gọi là Uranium nghèo (depleted uranium - DU). Tuy "nghèo" nhưng vẫn quý vì nó chính là U-238 gần nguyên chất!

Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt do Mỹ giúp xây từ năm 1963, vận hành với các thanh nhiên liệu Uranium có độ giàu thấp (Low-enriched uranium - LEU), khoảng 18%. Năm 1975 Mỹ tháo ra và mang về nước. Thập niên 1980 Liên xô giúp phục hồi lò, vận hành với các thanh nhiên liệu chứa hàm lượng U235 là 36%, được gọi là uranium độ giàu cao (High-enriched uranium - HEU). Từ năm 2007, Lò Đà Lạt lại được Mỹ (mua của Nga) cung cấp các thanh nhiên liệu Uranium có độ giàu thấp <20%.

Như vậy, quá trình tăng thành phần U-235 trong kim loại hỗn hợp Uranium được gọi là công nghệ làm giàu Uranium.

Hiện nay, có nhiều phương pháp để làm giàu Uranium như: Tách đồng vị điện từ (Electromagnetic Isotope Separation), Khuyếch tán nhiệt (Thermal Diffusion), Khuyến tán khí (Gaseous Diffusion), Khí động học (Aerodynamic Processes), tách đồng vị La-de (Laser Isotope Separation), Trao đổi iôn và hoá học (Chemical and Ion Exchange), Tách Plasma (Plasma Separation) và Khí ly tâm (Gas Centrifuge).

Phương pháp phổ biến để làm giàu Uranium hiện nay là phương pháp ly tâm (Iran hiện đang sử dụng phương pháp này).

Phương pháp ly tâm để tách đồng vị U-235 ra khỏi U-238 dựa trên sự khác nhau về lực ly tâm của các phân tử khí nhẹ và nặng hơn. Sự tách riêng bằng phương pháp ly tâm được thực hiện trong các xy lanh quay. Hổn hợp các phân tử các loại khác nhau khi đi vào các xy lanh quay được tách thành hai dòng. Những phân tử nặng hơn bị gạt ra vùng ngoại biên của máy ly tâm và chuyển động xuống dưới dọc theo thành ngoài, còn cũng những phân tử ấy nhưng nhẹ hơn thì bị đẩy vào phần trung tâm hướng lên trên dọc theo trục của máy ly tâm. Trong phương pháp này, U-238 và U-235 chỉ đạt được sự tách riêng hoàn toàn khi cho hỗn hợp khí đi qua máy liên tục hàng nghìn lần.

Muốn đạt độ giàu U-235 càng cao và thu được khối lượng nhiên liệu lớn, cần có nhiều máy ly tâm, hàng trăm, hàng nghìn và thậm chí hàng chục nghìn cỗ máy.

Rõ ràng, với hàng trăm máy siêu ly tâm đang làm việc hết công suất, Iran đã có công nghệ làm giàu Uran.

4- Sự phân rã nguyên tử Uranium-235

Trong phân rã nguyên tử, hạt nhân nguyên tử bị chia làm hai hoặc nhiều hạt nhỏ hơn và một số phần thừa (neutron, photon...). Quá trình này tỏa ra một lượng năng lượng đáng kể - đây chính là nguồn năng lượng hạt nhân mà chúng ta đang đề cập đến. Hiện phản ứng hạt nhân được sử dụng rộng rãi nhất là chuyển hóa từ đồng vị Uranium-235 lên Uranium-236 rồi phân tách thành các đồng vị Kr-92 và Ba-141 cùng 3 hạt neutron. Quá trình này tạo ra một lượng năng lượng vô cùng lớn. (A: 92 + 141 + 3 = 236. Trong sơ đồ nầy Z bảo tồn: 36 + 56 = 92).

[Kr = Krypton; Ba = Barium]

                                    

Bỏ qua giai đoạn trung gian Uranium-235 chuyển lên Uranium-236 (nhờ hấp thụ hạt neutron), phản ứng dây chuyền của phân rã nguyên tử Uranium-235 được mô tả như sau:

                                    

Sự phân rã U-235 có thể đi theo đường khác:

Ở mô hình nầy, U-235 hấp thụ 1 neutron (U-236) tự phân rã thành đồng vị Ce-140 và Rb-93 kèm 3 neutron (A: 140 + 93 + 3 = 236. Trong sơ đồ nầy Z không bảo tồn: 58 + 37).

[Ce = Cerium; Rb = Rubidium].

5- Chất thải hạt nhân

Theo thời gian, nhiên liệu hạt nhân biến thành nguyên tố nhẹ hơn và không thể gây nên phản ứng phân hạch. (Như 2 sơ đồ ở phần Phân rã nguyên tử Uranium-235, các nguyên tố nhẹ có thể là: Krypton, Barium, Cerium, Rubidium). Vì độ giàu U-235 trong thanh nhiên liệu thấp, sản phẩm không phân rã hạt nhân còn có nhiều U-238. Nếu không được tái chế hoặc làm giàu, chúng sẽ trở thành chất thải hạt nhân.

Chất thải hạt nhân nói chung là nguy hiểm vì tính phóng xạ cao. Đa số trường hợp đều chọn chôn vùi chất thải phóng xạ nầy.

Dùng nhiên liệu uranium có độ giàu cao (40 - 90%) có nhiều mặt lợi: Thời gian sử dụng lâu (đỡ ngừng lò thay thanh nhiên liệu) và giảm khối lượng chất thải. Tuy nhiên lại dễ chế biến các thanh nhiên liệu nầy thành bom nguyên tử.

U-238 còn trong chất thải hạt nhân có thể cẩn thận tách riêng (chi phí cao do ngừa phóng xạ). Người ta dùng U-238 thông thường tách từ quặng trước đó (làm giàu uranium). U-238 là kim loại siêu nặng, thường chế thành các đầu đạn để tăng tính xuyên thấu, hay các khung chịu lực.

Điều lưu ý rằng U-238 dù không tham gia trong phản ứng nhiên liệu nhiệt hạch, nhưng nó lại khởi đầu cho một phản ứng mới: biến thành Plutonium, mà một đồng vị Pu-239 cũng có tác dụng y chang U-235. Trong chất thải hạt nhân, Plutonium cũng "tình cờ" được tạo ra!

Quá trình xảy ra như sau: hạt nhân U-238 bắt một nơ trôn chậm và trở thành hạt nhân U-239. Gần như tức thời, hạt nhân mới này phát ra liên tiếp 2 hạt (bêta) để hoá thân thành một hạt nhân hoàn toàn mới, một đồng vị khác của nguyên tố Plutoni: Pu-239.

Thành phố Hiroshima bị thả bom U-235 thì thành phố Nagasaki bị thả bom Pu-239