Phân hạch tự nhiên thời tiền sử

Năm 1972, nhà vật lý người Pháp, Francis Perrin, phát hiện ra 15 lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên cổ không còn hoạt động trong 3 khoáng sàng quặng riêng biệt ở mỏ Oklio tại Gabon, Tây Phi, hay còn gọi là các lò phản ứng hạt nhân hóa thạch Oklo. Một trong 3 khoáng sàng có tuổi 1,7 tỉ năm; vào thời điểm đó, urani-235 chiếm khoảng 3% tổng lượng urani trên Trái Đất.[8] Hàm lượng này lớn đủ để một phản ứng dây chuyền duy trì phân hạch hạt nhân xảy ra, là yếu tố chứng minh cho các điều kiện tồn tại của chúng. Khả năng lưu giữ các sản phẩm chất thải hạt nhân bởi lớp bao bọc trầm tích đã được chính quyền liên bang Hoa Kỳ trích dẫn để chứng minh cho các điều kiện bảo quản của kho chứa chất thải hạt nhân núi Yucca.[8]

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.[9] 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.[10] 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.[11] Vào đầu thế kỷ XIX, đây là các mỏ quặng urani duy nhất được biết đến trên thế giới.

Phát hiện

Antoine Henri Becquerel đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ khi phơi tấm phim với urani (1896).

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.[11] 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).[11][12] Ông đặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus, một hành tinh vừa được William Herschel phát hiện trước đó 8 năm.[13]

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.[11][14]

Antoine Henri Becquerel phát hiện ra tính phóng xạ khi sử dụng urani vào năm 1896.[15] 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'.[16] 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

Enrico Fermi (góc dưới bên trái) và các cộng sự tạo ra phản ứng dây chuyền tự duy trì đầu tiên (1942).

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).[17] 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.[18][19][20] 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,[17] 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'.[21] 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.[17] 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.[17]

Chế tạo bom

Đám mây nấm trên bầu trời Hiroshima sau vụ nổ quả bom nguyên tử nguồn gốc urani mang tên 'Little Boy' (1945)

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).[16] 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.[22]

Dùng trong lò phản ứng hạt nhân

4 bóng đèn tròn sử dụng điện từ lò phản ứng hạt nhân đầu tiên, EBR-I (1951)

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).[23] 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[24] 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.[17][25]

Ô nhiễm và di sản từ thời chiến tranh lạnh

Dự trữ vũ khí hạt nhân giữa Hoa Kỳ và Nga giai đoạn 1945–2020

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[26] đã làm gia tăng đáng kể lượng bụi hạt nhân từ những đồng vị con của urani trên toàn thế giới.[27] Thêm vào đó là bụi và ô nhiễm gây ra từ các vụ tai nạn hạt nhân.[28][29]

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.[30] 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.[31]

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.[32] 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.[32] 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.[32] 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.[33]