Từ lòng đất, nơi Uranium ẩn mình trong những khối đá khô cằn với tên gọi Uraninite pitchblende (Hình 1). Tuy nhiên chúng không phổ biến, Kazakhstan, Canada và Úc gộp lại mới sản xuất được 70% Uranium toàn cầu, thậm chí trong quặng, hàm lượng Uranium chỉ dao động từ 0,1 → 2% nghĩa là mỗi tấn đá đào lên chỉ thu được vài kilogram kim loại màu xám xịt.
Với những vùng đất cho phép, người ta sử dụng kỹ thuật thẩm thấu tại chỗ. Bơm axit sulfuric hoặc cacbonat xuống lòng đất để hòa tan Uranium, đó không phải là một phản ứng đơn độc mà là một quá trình về bản chất là kết hợp oxy hóa Uranium(IV) thành Uranium(VI) rồi tạo phức hòa tan (sulfat hoặc carbonate) để kéo Uranium vào dung dịch, có hai bước chính:
1. Oxy hóa Uranium(IV) → Uranium(VI)
Từ dạng khoáng ít tan (ví dụ Uraninite, UO2, ở trạng thái Uranium(IV)) phải bị oxy hóa thành ion Uranyl UO22+ (Uranium(VI)) để hòa tan được. Oxy hóa này do chất oxy hóa trong dung dịch (O2 hòa tan Fe3+, Mn4+ trong khoáng, hoặc các chất oxy hóa khác) thực hiện.
UO2 +
2/2 O2 + 2 H+ → UO2+ + H2O
2. Tạo phức hòa tan
Sau khi có UO22+, ion này liên kết với anion trong dung dịch (sulfat hoặc cacbonat) tại các phức Uranyl hòa tan:
< >Với axit sulfuric/sulfat: hình thành các phức Uranyl-sulfat (ví dụ UO2SO4, các phức polimer/sulfato phức tạp hơn). Tổng quát:UO2+ + SO42- → UO2SO4 (và các phức liên quan)
< >Với cacbonat/bicarbonate (hệ kiềm): tạo các phức Uranyl-carbonat có điện tích âm mạnh, ví dụ:UO22+ + 3 CO32- → UO2(CO3)34-
Sau đó hút ngược lên. Tất cả quặng sau đó được nghiền mịn, xử lý hóa chất, lọc tạp chất và cuối cùng thu về một thứ bột vàng óng ánh như nghệ gọi là Yellowcake (urani oxit) (U3O8) (Hình 2) chứa khoảng 80% Uranium tinh khiết.
Hình 2. Bột Yellowcake - Urani oxit (U3O8)
Mỗi tấn Yellowcake nằm yên trong kho, có thể tích tụ có thể tích tụ năng lượng tương đương hàng triệu tấn than đá. Ở dạng này bức xạ α phát ra rất yếu đến mức một tờ giấy cũng chặn được nên nhà khoa học vẫn có thể chạm tay trần vào Yellowcake miễn là không ngửi, không hít, không nuốt vào người. Sau Yellowcake là màn biến hóa ra Uranium hexafluoride (UF6) - chất khí dễ bay hơi (Hình 3), là chìa khóa của công nghệ làm giàu.
Hình 3. Minh họa hình học phân tử UF6
Mọi thứ bắt đầu khi người ta đưa Yellowcake vào các lò phản ứng hóa học kín cho nó phản ứng với axit hydrofluoride để tạo ra UF6, khái quát lộ trình chung của phản ứng hóa học trên như sau:
1. Yellowcake (chủ yếu U3O8) trước tiên được biến thành các muối fluoride trung gian (ví dụ UF4) bằng phản ứng với HF.
2. Sau đó fluoride trung gian (thường UF4) bị fluor hóa bằng F2 (hoặc một số tác nhân flo mạnh khác) để tạo Uranium hexafluoride (UF6).
Chất này chuyển từ rắn sang khí ở 56oC được nén vào thùng thép chịu ăn mòn cao vì chỉ cần dính nước là phản ứng ra axit độc chết người liền (Hình 4&5).
Hình 4. Xilanh/thiết bị liên quan đến sản xuất đóng gói UF6 từ nhà cung cấp chuyển đổi Uranium
Hình 5. Hình xilanh DUF6 bảo quản/chuẩn bị chuyển đổi
Ở nhiệt độ phòng UF6 kết tinh thành dạng bột màu xanh lá cây nhìn như là tuyết nên giới kỹ thuật gọi luôn là tuyết hạt nhân (Hình 6).
Hình 6. Tuyết hạt nhân
Bây giờ là giai đoạn then chốt: “làm giàu” Uranium – cũng là quá trình tăng tỷ lệ U235 từ 0,7% lên 3 → 5% dùng cho nhà máy điện hoặc vượt 90% nếu dùng cho vũ khí hạt nhân. Muốn làm được điều này phải dùng đến giàn máy ly tâm – cỗ máy quay siêu nhanh với tốc độ trên 50.000 vòng/phút.
Khi UF6 được bơm vào lực quay tách đồng vị nhẹ U235 ra giữa còn U238 bị văng ra ngoài, khí U235 “giàu” được hút riêng còn phần nghèo bị tống đi, nhưng để đạt độ tinh khiết cần thiết thì không phải quay một đến hai lần là xong mà là hàng trăm, hàng nghìn máy ly tâm được nối tiếp nhau như dây chuyền chạy suốt ngày đêm. Khi đã đủ “giàu” Uranium lại được chuyển hóa về dạng rắn Uranium dioxide (UO2) – thứ bột đen siêu mịn (Hình 7), bột này được ép thành viên hình trụ nhỏ xíu đường kính khoảng 1cm rồi nung ở nhiệt độ hơn 1600oC để tạo thành vật liệu rắn chắc, chịu được cả bức xạ lẫn nhiệt cao trong lò phản ứng, mỗi viên chỉ nặng 7 gram nhưng chứa năng lượng khủng khiếp (Hình 8).
Người ta kiểm tra từng viên bằng tia X, quét lazer, phân tích hóa học để đảm bảo không dính tạp chất, chỉ cần một hạt boron lẫn vào cũng có thể làm lệch nhịp phản ứng dây chuyền. Những viên Uranium này được nhét vào các ống zirconium dài 4 mét – kim loại đặc biệt, không ăn mòn và không hấp thụ neutron (Hình 9), khoảng 400 viên một ống, rồi hàn kín lại bằng lazer, các ống được xếp thành cụm nhiên liệu, mỗi cụm nặng nửa tấn, kiểm tra bằng siêu âm hơn 100.000 mối hàn (Hình 10), một lò phản ứng có thể chứa đến 480 cụm như vậy, nghĩa là nguyên liệu đủ để phát điện cho cả thành phố mà không thải ra tí CO2 nào.
Khi đưa vào lò neutron bắn phá hạt nhân U235 làm nó vỡ ra giải phóng năng lượng khủng khiếp và tạo ra thêm neutron mới gây ra chuỗi phản ứng phân hạch, nhiệt sinh ra được dùng đun sôi nước, sinh hơi và quay tuabin máy phát điện, chỉ một cụm nhiên liệu cũng đủ cấp điện cho 100 hộ gia đình trong suốt một năm. Lò phản ứng còn được bao bọc bởi tường bê tông cốt thép dày đến 2m có hệ thống cảm biến tự động tắt nếu có sự cố. Các thanh điều khiển làm từ boron được đưa vào để “phanh” phản ứng nếu cần. Sau khoảng 12 đến 18 tháng, nhiên liệu đã qua sử dụng được đưa ra khỏi lò nhưng vẫn còn rất nóng và phát xạ cao. Nó được robot lấy rồi cho vào bể nước sâu 8m để làm nguội và chắn phóng xạ. Các thanh nhiên liệu này sẽ được ngâm trong bể ít nhất 10 năm trước khi chuyển sang dạng lưu trữ khô trong thùng thép, những thùng có thể chống chịu va chạm, động đất và thậm chí là rơi máy bay.
Uranium không chỉ có ở các mỏ mặt đất. Đại dương chứa tới khoảng 4,5 tỉ tấn Uranium gấp gần 1000 lần so với trữ lượng Uranium trên đất liền, nhưng khai thác nó là cả vấn đề. Do nồng độ cực kỳ thấp ở mức 3,3 phần tỉ và sự hiện diện của các ion gây nhiễu trong môi trường biển phức tạp, độ khó của nhiệm vụ này tương đương với việc tìm 1 gram muối trong 300.000 lít nước ngọt vậy nếu không muốn nói là khó khăn hơn. Mới đây các nhà khoa học ở Mỹ đã phát triển phương pháp mới bằng dòng điện dùng điện cực carbon phủ mangan oxit để hút Uranium từ nước biển, cách này nhanh gấp ba lần so với công nghệ cũ và có thể tái sử dụng nhiều lần, tuy nhiên để biến nó thành công nghệ thương mại thì vẫn là bài toán nan giải vì rất tốn điện và đắt đỏ, nhưng nếu thành công thế giới sẽ có Uranium đủ xài hàng thế kỷ mà không sợ bị ai kiểm soát.
* Bài viết có tham khảo từ nhiều tài liệu khoa học trên các kênh kiến thức và sách báo khoa học