Các môi trường

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.[9] 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.[36] Phân rã của urani, thori, và Kali-40 trong vỏ Trái Đất được xem là nguồn cung cấp nhiệt chính.[37][38] 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 (tùy theo quy chiếu) là từ 2 đến 4 ppm,[26][34] tương đương gấp 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc.[15] Theo tính toán thì vỏ Trái Đất từ bề mặt đến độ sâu 25 km chứa 1017 kg urani trong khi ở các đại dương có thể chứa 1013 kg.[34] Hàm lượng urani trong đất thay đổi từ 0,7 đến 11 ppm (đến 15 ppm trong đất trồng trọt do có phốt phát từ phân bón), và hàm lượng của urani trong nước biển là 3 ppm.[26]

Urani phong phú hơn antimon, thiếc, cadmi, thủy ngân, hay bạc và phổ biến như arsenic hay molybden.[9][26] Urani được tìm thấy trong hàng trăng mỏ khoáng uraninit (loại quặng urani phổ biến nhất), carnotit, autunit, uranophan, torbernit, và coffinit.[9] Hàm lượng urani nhiều nhất trong các mỏ đá có phốt phát, các khoáng như lignit và cát monazit trong các quặng giàu urani[9] (hàm lượng thương mại của các nguồn tối thiểu là 0,1% urani[15]).

Loài citrobacter có thể có nồng độ urani trong cơ thể chúng lên đến 300 lần so với môi trường xung quanh.

Một số vi khuẩn như S. putrefaciens và G. metallireducens có khả năng khử U(VI) thành U(IV).[39]

Ở một số sinh vật như Trapelia involuta hoặc vi sinh vật như vi khuẩn Citrobacter có thể hấp thụ nồng độ urani cao gấp 300 lần so với môi trường xung quanh.[40] Loài citrobacter hấp thụ các ion uranyl vào gốc glycerol phosphate (hay các phốt phát vô cơ tương tự khác). Sau một ngày, 1 gram vi khuẩn có thể tạo quanh nó một lớp vỏ 9 gram tinh thể uranyl phosphate; đều này tạo ra khả năng cho việc sử dụng các sinh vật này trong việc xử lý nước bị nhiễm phóng xạ urani bằng phương pháp sinh học.[11][41]

Trong tự nhiên, urani (VI) tạo thành các phức cacbonat có khả năng hòa tan cao trong môi trường kiềm. Điều này làm tăng khả năng di chuyển và khả năng tồn tại của urani trong đất và nước ngầm, có nguồn gốc từ các chất thải hạt nhân, gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Tuy nhiên, khó có thể kết tủa urani như phốt phát khi có nhiều cacbonat trong môi trường pH kiềm. Đã có phát hiện rằng một con Sphingomonas sp. chủng BSAR-1 có thể có tác dụng như phốt phát kiềm hoạt tính cao (PhoK). Loài này đã được đưa vào ứng dụng để kết tủa sinh học urani như các loài tổng hợp phốt phát uranyl từ các dung dịch kiềm. Khả năng kết tủa được tăng cường bởi protein PhoK trong E. coli.[42]

Thực vật hấp thụ một số urani trong đất. Nồng độ khối lượng khô của urani trong thực vật thay đổi từ 5 đến 60 ppb, và tro của gỗ có thể có hàm lượng lên đến 4 ppm.[11] Nồng độ khối lượng khô của urani trong thực phẩm từ thực vật mà con người ăn vào đặc biệt thấp, với khoảng từ 1 đến 2 microgram/ngày.[11]

Khai thác và sản xuất

Yellowcake là một hỗn hợp của các urani ôxít, là nguyên liệu để tạo ra urani tinh khiết.

Sản lượng urani trên toàn thế giới năm 2009 là 50.572 tấn, trong đó 27,3% được khai thác từ các mỏ ở Kazakhstan. Các quốc gia khai thác urani khác đáng kể gồm Canada (20,1%), Úc (15,7%), Namibia (9,1%), Nga (7,0%), và Niger (6,4%).[43]

Quặng urani được khai thác theo nhiều cách như đào mỏ lộ thiên, tách từ đất đá và khoan mỏ (xem khai thác mỏ urani).[6] Quặng urani cấp thấp chứa từ 0,01 đến 0,25% urano ôxít. Cần tiến hành một số đo đạc để áp dụng phương pháp phù hợp để tách kim loại từ các quặng trên.[44] Các quặng cấp cao được tìm thấy ở bồn trũng Athabasca, Saskatchewan, Canada trung bình có thể chứa tới 23% các ôxít urani.[45] Quặng urani được nghiền mịn thành bột, sau đó được lọc qua axít hoặc kiềm. Quá trình lọc gồm một số công đoạn như kết tủa, tách dung môi, và trao đổi ion. Hỗn hợp sau cùng được gọi là bánh vàng (yellowcake) chứa ít nhất 75% urani ôxít. Bánh vàng sau đó được xử lý nhiệt để loại bỏ các tạp chất trước khi tinh chế và chuyển đổi.[46]

Urani cấp thương mại có thể được tạo ra bằng cách khử các muối urani halua với các kim loại kiềm hoặc kim loại kiềm thổ.[9] Urani kim loại cũng có thể được tạo ra bằng các điện phân của KU5 hoặc UF4, được hòa tan trong dung dịch canxi clorua (CaCl2) và natri clorua (NaCl) nóng chảy.[9] Urani có độ tinh khiết cao được tạo ra thông qua quá trình nhiệt phân urani halua trong điện cực nóng.[9]

Tài nguyên và trữ lượng

Sản lượng urani 2005

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,[47] trong khi có 35 tấn được xếp vào tài nguyên khoáng sản (có khả năng khai thác mang lại lợi nhuận).[48] 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).[49][50] Đã có nhiều cuộc thí nghiệm để chiết xuất urani từ nước biển,[51] 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[48] 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.[47]

Úc có trữ lượng quặng urani chiếm 23% trữ lượng thế giới[52] và có mỏ urani riêng biệt lớn nhất thế giới nằm ở mỏ Olympic Dam, Nam Úc.[53]

Một số nhiên liệu hạt nhân có nguồn gốc từ các vũ khí hạt nhân.[54]

Cung ứng

Giá urani hàng tháng (USD/cân). Đỉnh điểm là giá năm 2007.[55]

Năm 2005, có 17 quốc gia sản xuất urani ôxít, trong đó Canada (27,9% sản lượng thế giới) và Úc (22,8%) là các nước sản xuất nhiều nhất, theo sau là Kazakhstan (10,5%), Nga (8,0%), Namibia (7,5%), Niger (7,4%), Uzbekistan (5,5%), Hoa Kỳ (2,5%), Argentina (2,1%), Ukraina (1,9%) và Trung Quốc (1,7%).[56] Kazakhstan tiếp tục tăng sản lượng, năm 2009 sản lượng đạt 12.826 tấn, so với Canada là 11.100 tấn và Úc là 9.430 tấn.[57][58] Urani hiện có thể được sử dụng trong ít nhất 80 năm tới,[48] mặc dù một số nghiên cứu cho biết việc đầu tư vào cuối thế kỷ XX có thể tạo ra các vấn đề về lượng cung trong thế kỷ XXI.[59]