Urani

Sử dụng trước khi được phát hiện

Việc sử dụng urani ở dạng ôxit tự nhiên được xác định vào khoảng năm 79 TCN, khi đó nó được dùng để tạo màu vàng cho men gốm. Năm 1912, ông R. T. Gunther thuộc Trường Đại học Oxford đã tìm thấy thủy tinh màu vàng có hàm lượng 1% urani ôxit trong một biệt thự La Mã ở mũi Posillipo, Vịnh Napoli, Ý. Từ cuối thời Trung cổ, uranit được tách từ các mỏ bạc Habsburg ở Joachimsthal, Bohemia (nay là Jáchymov thuộc Cộng hòa Séc) và được dùng làm chất tạo màu trong công nghiệp chế tạo thủy tinh ở địa phương. Vào đầu thế kỷ XIX, đây là các mỏ quặng urani duy nhất được biết đến trên thế giới.

Phát hiện

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 điuranat) 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 (Conservatoire National des Arts et Métiers) 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 K₂UO₂(SO₄)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.

Nghiên cứu phân hạch

Năm 1934 một nhóm nghiên cứu do Enrico Fermi lãnh đạo đã phát hiện thấy việc bắn phá urani bằng neutron sẽ sản sinh ra các tia beta (electron hoặc positron sinh ra từ các nguyên tố; xem hạt beta). Các sản phẩm phân hạch đầu tiên bị nhầm lẫn là các nguyên tố mới có số nguyên tử là 93 và 94, theo đó, trưởng khoa Roma, ông Orso Mario Corbino tin rằng đó là ausoni và hesperi. Các thí nghiệm của Otto Hahn và Fritz Strassmann đã đưa đến việc phát hiện ra khả năng mà urani phân hạch thành các nguyên tố nhẹ hơn và giải phóng năng lượng liên kết, trong phòng thí nghiệm của Hahn ở Berlin. Tháng 2 năm 1939, Lise Meitner cùng người cháu là nhà vật lý Otto Robert Frisch đã công bố các giải thích về mặt vật lý, đồng thời đặt tên quá trình này là 'phản ứng phân hạch hạt nhân'. Không lâu sau đó, Fermi giả thuyết rằng sự phân hạch của urani có thể giải phóng đủ số neutron để duy trì một phản ứng phân hạch. Năm 1939, giả thuyết này được xác nhận, và nghiên cứu sau đó phát hiện rằng trung bình có khoảng 2,5 neutron được giải phóng từ mỗi lần phân hạch của đồng vị hiếm của urani là urani-235. Nghiên cứu tiếp theo phát hiện rằng đồng vị phổ biến hơn là urani-238 có thể bị chuyển đổi thành plutoni, và đồng vị này, giống như urani-235, cũng có khả năng phân hạch bằng các neutron nhiệt. Các phát hiện này đã thúc đẩy việc chế tạo vũ khí hạt nhân và điện hạt nhân ở một số quốc gia.
Ngày 2 tháng 12 năm 1942, một nhóm nghiên cứu thuộc dự án Manhattan do Enrico Fermi lãnh đạo đã có thể bắt đầu thực hiện phản ứng hạt nhân dây chuyền nhân tạo đầu tiên tại lò phản ứng Chicago Pile-1. Tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm dưới sự phụ trách của Stagg Field ở Đại học Chicago, nhóm này đã tạo ra những điều kiện cần thiết để một phản ứng xảy ra bằng cách lấp 360 tấn than thỏi, 53 tấn urani ôxit và 5,5 tấn urani kim loại.

Chế tạo bom

Hai loại bom nguyên tử chính được Hoa Kỳ chế tạo trong chiến tranh thế giới lần thứ 2 là: loại dựa trên nguyên liệu urani (tên "Little Boy") mà vật liệu phân hạch của nó là urani làm giàu rất cao, và loại dựa trên nguyên liệu plutoni (xem thử nghiệm Trinity và "Fat Man") theo đó plutoni được sản xuất từ urani-238. Loại bom dùng urani là vũ khí hạt nhân đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh khi được thả xuống thành phố Hiroshima, Nhật Bản ngày 6 tháng 8 năm 1945. Vụ nổ tương đương với 12.500 tấn thuốc nổ TNT, sức công phá và làn sóng nhiệt của quả bom phá hủy gần 50.000 tòa nhà và gây thiệt mạng gần 75.000 người (xem Vụ ném bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki). Ban đầu người ta tin rằng urani khá hiếm, và sự phổ biến vũ khí hạt nhân có thể tránh được bằng cách đơn giản là mua tất cả urani trên thị trường, nhưng chỉ trong vòng 1 thập kỉ có nhiều mỏ urani được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới.

Dùng trong lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân than chì X-10 ở Phòng thí nghiệm Oak Ridge (ORNL) ở Oak Ridge, Tennessee, trước đây còn gọi là Clinton Pile và X-10 Pile, là lò phản ứng hạt nhân thứ 2 trên thế giới (sau lò phản ứng Chicago Pile của Enrico Fermi) và là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được thiết kế và xây dựng để vận hành liên tục. Lò phản ứng tái sinh thí nghiệm I thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Idaho gần Arco, Idaho là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên sản xuất điện vào ngày 20 tháng 12 năm 1951. Ban đầu, bốn bóng đèn 150 W được thấp sáng từ lò phản ứng, sau đó những cải tiến đã nâng sản lượng điện lên hết công suất thiết kế (sau đó, thị trấn Arco trở thành thị trấn đầu tiên trên thế giới sử dụng toàn bộ điện phát ra từ năng lượng hạt nhân). Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới, Obninsk ở Liên Xô, bắt đầu phát điện bằng lò phản ứng AM-1 vào ngày 27 tháng 6 năm 1954. Các nhà máy điện hạt nhân khác vào thời đó gồm: Calder Hall ở Anh phát điện ngày 17 tháng 10 năm 1956 và nhà máy điện hạt nhân Shippingport ở Pennsylvania phát điện ngày 26 tháng 5 năm 1958. Năng lượng hạt nhân được dùng đầu tiên vào năm 1954 cho tàu ngầm năng lượng hạt nhân USS Nautilus.

Ô nhiễm và di sản từ thời chiến tranh lạnh

Các vụ thử nghiệm hạt nhân trên mặt đất do Liên Xô và Hoa Kỳ thực hiện vào thập niên 1950 và đầu thập niên 1960, và Pháp thực hiện vào thập niên 1979 và 1980 đã làm gia tăng đáng kể lượng bụi hạt nhân từ những đồng vị con của urani trên toàn thế giới. Thêm vào đó là bụi và ô nhiễm gây ra từ các vụ tai nạn hạt nhân.
Những người khai thác mỏ urani có khả năng bị ung thư cao hơn. Ví dụ, nguy cơ ung thư phổi vượt trội ở những thợ mỏ urani người Navajo đã được ghi nhận và xác định có liên hệ với nghề nghiệp của họ. Đạo luật bồi thường phơi nhiễm phóng xạ (Radiation Exposure Compensation Act) của Hoa Kỳ năm 1990 yêu cầu trả phí bồi thường 100.000 USD cho các thợ mỏ urani được chẩn đoán là mắc bệnh ung thư hoặc các bệnh đường hô hấp khác.
Trong thời kỳ chiến tranh lạnh giữa Hoa Kỳ và Liên Xô, những kho dự trữ urani khổng lồ chứa hàng chục ngàn vũ khí hạt nhân dùng urani làm giàu và plutoni sản xuất từ urani. Từ khi Liên Xô sụp đổ năm 1991, ước tính 540 tấn vũ khí dùng urani được làm giàu cao (đủ để sản xuất khoảng 40.000 đầu đạn hạt nhân) được cất giữ trong các cơ sở thiếu an toàn ở Nga và một số nước thuộc Liên Xô trước kia. Từ năm 1993 đến 2005, cảnh sát ở châu Á, châu Âu, và Nam Mỹ đã có ít nhất 16 lần ngăn chặn các chuyến hàng cung cấp urani hay plutoni nhập lậu, đa số trong đó có nguồn gốc từ các nước thuộc Liên Xô cũ. Từ năm 1993 đến 2005, chương trình kiểm toán, kiểm soát và bảo vệ vật liệu (Material Protection, Control, and Accounting Program) do chính phủ liên bang Hoa Kỳ điều phối đã tiêu tốn khoảng 550 triệu USD để hỗ trợ an ninh cho các kho vũ khí urani và plutoni ở Nga. Phần ngân sách này được sử dụng để cải tiến, tăng cường an ninh tại các cơ sở nghiên cứu và thiết bị lưu trữ. Tháng 2 năm 2006, tờ báo Scientific American tường thuật rằng một số an ninh thiết bị bao gồm chuỗi tường chắn liên hợp đang trong tình trạng tồi tệ do không được sửa chữa. Theo một cuộc phỏng vấn từ bài báo trên, có một thiết bị trước đó được dùng để lưu trữ các mẫu urani được làm giàu (cấp độ vũ khí) trong một buồng riêng trước dự án cải tiến; một thiết bị khác theo dõi trữ lượng đầu đạn hạt nhân đang lưu trữ bằng cách sử dụng thẻ danh mục.

Tài nguyên và trữ lượng

Ước tính có khoảng 5,5 triệu tấn quặng urani dự trữ có thể khai thác một cách kinh tế ở mức giá 130 USD/kg, trong khi có 35 tấn được xếp vào tài nguyên khoáng sản (có khả năng khai thác mang lại lợi nhuận). 
Ngoài ra, còn một lượng khoảng 4,6 tỉ tấn urani ước tính có mặt trong nước biển (trong thập niên 1980, các nhà khoa học Nhật Bản đã cho thấy cách khai thác urani từ nước biển bằng phương pháp trao đổi ion là có tính khả thi về mặt kỹ thuật). 
Đã có nhiều cuộc thí nghiệm để chiết xuất urani từ nước biển, nhưng sản phẩm thu được thấp do trong nước biển có nhiều cacbonat.
Trong năm 2005, việc thăm dò urani trên thế giới tăng vọt gây tốn chi phí khoảng 200 triệu USD, tăng 54% so với năm trước nhờ vào việc giá urani tăng trên thị trường. Xu hướng này tiếp tục tăng trong năm 2006, khi việc chi tiêu cho quá trình thăm dò tăng kỷ lục hơn 774 triệu USD, hơn 250% so với năm 2004.
Úc có trữ lượng quặng urani chiếm 23% trữ lượng thế giới và có mỏ urani riêng biệt lớn nhất thế giới nằm ở mỏ Olympic Dam, Nam Úc.
Một số nhiên liệu hạt nhân có nguồn gốc từ các vũ khí hạt nhân.

Ôxit

Bánh urani vàng (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 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.
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 (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 làm nhiên liệu hạt nhân phổ biến. Ở nhiệt độ thường, UO₂ sẽ chuyển một cách từ từ thành U₃O₈. Do tính ổn định, các urani ôxit thường được xem là dạng hợp chất dùng để lưu trữ hoặc loại bỏ.

Dịch hóa học

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 U³⁺ (đỏ), U⁴⁺ (lục), UO⁺2 (không bền) và UO₂²⁺ (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 U³⁺ giải phóng hydro từ nước vì vậy được xem là trạng thái không bền. Ion UO²⁺2 đặc trưng cho trạng thái ôxi hóa (VI) và tạo thành các hợp chất như uranyl cacbonat, uranyl clorua và uranyl sulfat. UO²⁺2 cũng tạo phức với các chất tạo phức hữu cơ, chất thường gặp nhất là uranyl axetat.

Cacbonat

Các tương tác của các ion cacbonat với urani(VI) làm cho biểu đồ Pourbaix thay đổi mạnh khi giá trị trung bình bị thay đổi từ nước sang dung dịch chứa cacbonat. 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.

Ảnh hưởng của pH

Các biểu đồ thành phần của urani minh họa cho đặc điểm này: khi pH của dung dịch urani(VI) tăng thì urani bị chuyển thành urani ôxit ngậm nước và với giá trị pH cao nó chuyển thành phức hydroxit anion.
Khi cho thêm cacbonat vào, urani bị chuyển thành một dãy các phức cacbonat nếu pH tăng. Một ảnh hưởng của các phản ứng này là tăng độ hòa tan của urani khi giá trị pH nằm trong khoảng 6 đến 8, điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định lâu dài của các nhiên liệu hạt nhân urani ôxit đã qua sử dụng.

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 U₃O₈. Các cacbic của urani gồm urani monocacbic (UC), urani đicacbic (UC₂), và điurani tricacbic (U₂C₃). Cả hai hợp chất UC và UC₂ được tạo thành bằng cách thêm cacbon vào urani nóng chảy hoặc urani kim loại tiếp xúc với cacbon monoxit ở nhiệt độ cao. U₂C₃, ổn định dưới 1800 °C, được điều chế bằng cách pha trộn hỗp hợp nóng của UC và UC₂ 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 (UN₂) và điurani trinitrit (U₂N₃).

Quân sự

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 (xem Hội chứng chiến tranh vùng Vịnh).
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 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.

Urani và sức khỏe con người

Một người có thể tiếp xúc với urani (hoặc các hạt nhân con của nó như radon) qua việc hít bụi trong không khí hoặc qua các thực phẩm hoặc nước bị nhiễm chúng. Hàm lượng urani trong không khí thường rất nhỏ; tuy nhiên, đối với những người làm việc trong các nhà máy sản xuất phân phốt phát, hoặc sống gần các nhà máy sản xuất hoặc thử nghiệm vũ khí hạt nhân, hoặc sống hay làm việc gần những nơi từng có các trận đánh sử dụng vũ khí hạt nhân, hay gần nhà máy nhiệt điện dùng than, các cơ sở khai thác hoặc xử lý quặng urani, hoặc làm giàu urani, có thể tăng nguy cơ phơi nhiễm urani. Những ngôi nhà hoặc các công trình trên các mỏ urani (tự nhiên hoặc nhân tạo) có thể chịu nhiều tăng ảnh hưởng phơi nhiễm khí radon.
Hầu hết urani đi vào cơ thể qua đường thực phẩm được bài tiết qua đường tiêu hóa. Chỉ có 0,5% được hấp thụ khi ở các dạng không hòa tan như các ôxit urani, ngược lại việc hấp thụ các ion uranyl có thể nhiều hơn lên đến 5%. Tuy nhiên, các hợp chất urani hòa tan có khuynh hướng đi qua cơ thể một cách nhanh chóng trong khi các hợp chất không hòa tan đặc biệt khi đi vào cơ thể ở dạng bụi trong phổi sẽ gây những biến chứng nghiêm trọng. Sau khi vào máu, urani đã được hấp thụ có khuynh hướng tích tụ sinh học và tồn tại nhiều năm trong các tế bào xương do liên hệ của urani với phốt phát.
Urani không liên kết ở dạng các ion uranyl, các ion này tích tụ trong xương, gan, thận và các tế bào sinh sản. Urani có thể được làm sạch từ các bề mặt thép và các tầng chứa nước.

Ảnh hưởng

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, 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.