Uranium có gì đặc biệt mà được dùng để sản xuất bom nguyên tử?

Uranium được sử dụng từ thời La Mã như một loại men màu vàng trong thuỷ tinh và gốm sứ. Đến năm 1789, nhà hoá học người Đức Martin Heinrich Klaproth đã trộn axit nitric (HNO3) với một chất rắn và sau đó trung hoà dung dịch bằng natri hydroxit (NaOH). Phản ứng này đã tạo ra chất màu vàng chìm xuống đáy.

Khi đốt nóng bằng than, nó biến thành một loại bột có màu đen mà nhà hoá học người Đức này đã nhầm tưởng là uranium nguyên chất. Tuy nhiên, rất có thể đó là một oxit. Kalproth đã đặt tên cho nguyên tố mới này theo tên của hành tinh Uranus, được Willaim Herschel phát hiện vào 8 năm trước đó.

Sau đó, đến năm 1841, mẫu uraium tinh khiết đầu tiên mới được phân lập thành công nhờ nhà hoá học Eugène-Melchior Péligot.

Uranium được coi là một trong những nguyên tố tự nhiên nặng nhất. Theo đó, trong hạt nhân của uranium, có 92 proton và một số lượng neutron thay đổi từ 140 đến 146. Uranium có nhiều đồng vị khác nhau nhưng phổ biến nhất là uranium-238 (với 92 proton và 146 neutron) và uranium-235 (92 proton và 146 neuton).

Nguyên tố kim loại này chỉ được hình thành trong một số sự kiện khắc nghiệt. Đây được gọi là quá trình r và xảy ra trong các vụ nổ vũ trụ như siêu tân tinh và va chạm sao neutron. Chính từ những vụ nổ này, uranium lan truyền khắp vũ trụ và trở thành một thành phần quan trọng của Trái Đất, dù nó rất hiếm.

Sự hiện diện của uranium đang phân rã là lý do vì sao Trái đất của chúng ta có nhiệt bên trong. Đây chính là đặc điểm cốt yếu của uranium. Theo thời gian, uranium phát ra bức xạ dưới dạng nguyên tử heli và biến thành thorium. Trên thực tế, hầu hết tất cả các đồng vị uranium (trong đó phiên bản có số neutron khác) đều có chu kỳ bán rã rất dài. Chẳng hạn, Uranium-238 có chu kỳ bán rã tới 4,5 tỷ năm.

Ngày nay, công dụng của uranium không còn được dùng trong việc tạo màu cho kính và men. Thay vào đó, ứng dụng của uranium chính là nằm ở tính phóng xạ được Henri Becquerel phát hiện ra vào năm 1896.

Vào 4 thập kỷ sau, tức năm 1934, một nhóm các nhà vật lý người Ý do Enrico Ferrmi dẫn đầu đã bắn phá uranium bằng neutron và phát hiện ra rằng nó phát ra các electron và positron (chính là phản hạt của electron).

Ngoài ra, những công trình nghiên cứu của Otto Hahn và Fritz Strassmann đã chỉ ra rằng uranium có thể phân huỷ thành nguyên tố nhẹ hơn. Quá trình này được đặt tên là sự phân hạch hạt nhân. Chính điều này khiến cho uranium trở thành một "kẻ thay đổi cuộc chơi", dù tốt hơn hay xấu hơn.

Theo các nhà nghiên cứu, 1 kg uranium-235 nếu được dẫn qua quá trình phân hạch thì hoàn toàn có thể giải phóng được năng lượng hoá học tương đương với việc đốt tới 1,5 triệu kg than. Chính nhờ khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng đột ngột và bùng nổ đó đã cho phép sử dụng nguyên tố này trong các nhà máy điện hạt nhân và chế tạo vũ khí hạt nhân như bom nguyên tử.

Trên thực tế, trong các nhà máy điện hạt nhân, sự phát xạ phóng xạ của những thành nhiên liệu làm bằng uranium làm nóng một chất làm mát và sau đó được sử dụng để làm nóng nước ở trong một thùng chứa khác và biến nó trở thành hơi nước. Cuối cùng hơi nước sẽ đẩy các tua-bin gắn với máy phát điện để tạo ra điện. Điều quan trọng là quá trình này lại không tạo ra khí thải nhà kính.

Uranium tự nhiên được tìm thấy thường không phải là lý tưởng trong nhiều lò phản ứng. Thực tế có hơn 99,2% uranium được khai thác trên Trái Đất là uranium-238, trong khi đó uranium-235 chỉ chiếm phần rất nhỏ, khoảng 0,711%. Tuy nhiên, đồng vị này của uranium lại rất tốt trong việc tạo ra chuỗi phản ứng hạt nhân và giúp duy trì phản ứng ổn định.

Nhưng để làm được điều đó thì cần phải có đủ uranium-235 trong thanh nhiên liệu của lò phản ứng. Đây cũng là lúc uranium cần được làm giàu và thông qua quá trình tách đồng vị để làm tăng tỷ lệ phần trăm của uranium-235.

Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi uranium trong những cuộc chiến tranh cũng khiến nhiều người lo ngại về ảnh hưởng lâu dài của nó đối với sức khoẻ.