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 [...]... 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... 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 (4,51×109 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 uranithori...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... khác gồm urani monoxit (UO), diurani pentoxit (U2O5) và urani peroxit (UO4.2H2O) đều tồn tại Các dạng urani ôxit phổ biến nhất là triurani octaoxit (U3O8) và UO2 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... 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... dạng hơi lý tưởng), và là hợp chất dễ bay hơi nhất của urani Một phương pháp điều chế urani tetraclorua (UCl4) là kết hợp trực tiếp clo với hoặc là kim loại urani hoặc urani hydrua Sự khử UCl4 bởi hydro tạo ra urani triclorua (UCl3) 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... Hàm lượng urani thường được tính theo U3O8, kể từ những ngày thực hiện dự án Manhattan, khi đó U3O8 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 (UO2) và urani triôxit (UO3) Các urani ôxit khác gồm urani monoxit... 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... uranithori 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... urani mononitrit (UN), urani đinitrit (UN2) và điurani trinitrit (U2N3) 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 (UF4); UF4 được điều chế bằng cách hydroclorua hóa urani điôxit UF4 được khử bằng hydro ở 1000°C tạo ra 14 urani triflorua (UF3) Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp, . 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. 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. 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