Ứng dụng của các nguyên tố actinide

Ứng dụng của các nguyên tố actinide

      Các nguyên tố actinide được biết đến là những nguyên tố phóng xạ, một số đồng vị như ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U và ²⁴⁴Pu có thể đã tồn tại kể từ sự hình thành của hệ mặt trời. Những nguyên tố Actinide có những ứng dụng đặc thù trong các lò phản ứng hạt nhân hay trong vũ khí nguyên tử.

      Các nguyên tố actinide đã có một vài ứng dụng trong đời sống hàng ngày như chất trong thiết bị phát hiện khói (Americium, Am). Dù vậy, chúng hầu hết được sử dụng làm nhiên liệu trong các lò phản ứng hạt nhân và trong vũ khí nguyên tử. Một số nguyên tố đã giải phóng một năng lượng khổng lồ trong các phản ứng hạt nhân, trong một số điều kiện nhất định có thể trở thành phản ứng dây chuyền tự duy trì.

      Một trong những đồng vị quan trọng nhất cho ứng dụng về năng lượng hạt nhân là ²³⁵U, nó được sử dụng trong lò phản ứng nhiệt. Đồng vị này hấp thụ mạnh các neutron nhiệt và giải phóng nhiều năng lượng. Ước tính, 1 gam ²³⁵U có thể chuyển thành 1MWxNgày. Điều quan trọng là ²³⁵U giải phóng nhiều neutron hơn so với lượng hấp thụ, và khi đạt tới khối lượng tới hạn, ²³⁵U sẽ tham gia vào phản ứng dây chuyền tự duy trì.

      Một vài đồng vị của các nguyên tố actinide có khả năng tạo ra những nguồn năng lượng hạt nhân là Thorium-232 và sản phẩm của nó từ Uranium-233.

      Sự phát xạ của neutron trong quá trình phân hạch uranium rất quan trọng. Nó không chỉ để duy trì chuỗi phản ứng hạt nhân, mà còn cho sự tạo thành các actinide nặng hơn. Ví dụ, Uranium-239 phân rã β thành Plutonium-239, cũng giống như Uranium-235, nó có khả năng xảy ra sự phân hạch tự phát. Các lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới được xây dựng không phải để lấy năng lượng, mà để sản xuất Plutonium-239 được sử dụng cho vũ khí hạt nhân.

      Ứng dụng chính của Plutonium là trong vũ khí hạt nhân, trong đó đồng vị Plutonium-239 là thành phần chính do nó dễ phân hạch và sẵn có. Các thiết kế dựa trên Plutonium cho phép giảm khối lượng tới hạn khoảng một phần ba so với Uranium-235. Bom Plutonium "Fat Man" được sản xuất trong Dự án Manhattan đã nén plutonium để có mật độ cao hơn đáng kể so với bình thường, kết hợp với nguồn neutron trung tâm để bắt đầu phản ứng và tăng hiệu quả. Do đó, chỉ cần 6,2 kg Plutonium cho năng suất nổ tương đương với 20 kiloton TNT. Trên giả thuyết, chỉ cần 4 kg Plutonium, và thậm chí nhỏ hơn có thể được sử dụng để tạo ra bom nguyên tử bằng cách sử dụng các thiết kế lắp ráp tinh vi.

      Plutonium-238 là đồng vị có tiềm năng cho các lò phản ứng hạt nhân, vì nó có khối lượng tới hạn nhỏ hơn Uranium-235, nhưng nó vẫn tiếp tục giải phóng nhiều năng lượng nhiệt (0,56 W / g) bằng cách phân rã ngay cả khi chuỗi phân hạch phản ứng được dừng lại bởi thanh điều khiển. Ứng dụng của nó bị giới hạn bởi mức giá cao (khoảng 1000 USD/g). Đồng vị này đã được sử dụng trong các hệ thống nhiệt điện và chưng cất nước của một số vệ tinh và trạm vũ trụ. Vì vậy, tàu vũ trụ Galileo và Apollo (ví dụ, Apollo 14) có máy sưởi được cung cấp năng lượng bởi một lượng lớn oxit Plutonium-238; nhiệt này cũng được chuyển thành điện với nhiệt điện. Sự phân rã của Plutonium-238 tạo ra các hạt alpha gần như vô hại và không đi kèm với sự phát xạ tia gamma. Do đó, đồng vị này (~ 160 mg) được sử dụng làm nguồn năng lượng trong máy tạo nhịp tim nơi nó tồn tại lâu hơn khoảng 5 lần so với pin thông thường.

      Actinium-227 được sử dụng làm nguồn neutron. Năng lượng riêng của nó cao (khoảng 14,5 W/g) và khả năng thu được một lượng đáng kể các hợp chất ổn định nhiệt là hấp dẫn để sử dụng trong các máy phát nhiệt điện kéo dài để sử dụng từ xa. ²²⁸Ac được sử dụng như một chỉ số về phóng xạ trong nghiên cứu hóa học, vì nó phát ra các electron năng lượng cao (2,18 MeV) có thể dễ dàng phát hiện. Hỗn hợp gồm ²²⁸Ac và ²²⁸Ra được sử dụng rộng rãi như một nguồn phát tia gamma mạnh trong công nghiệp và y học.

      Bên cạnh đó, việc phát triển các vật liệu pha tạp Actinide tự phát sáng với ma trận tinh thể bền là một lĩnh vực mới của việc sử dụng Actinide khi bổ sung các hạt nhân phóng xạ alpha vào một số kính và tinh thể có thể tạo ra sự phát quang.

      Tóm gọn lại, những nguyên tố Actinide đã được ứng dụng chủ yếu vào trong công nghiệp năng lượng (năng lượng điện hạt nhân) và được sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân. Bên cạnh đó, dựa vào những đặc tính phóng xạ hay những tính chất của nguyên tố này, chúng có triển vọng trong việc chế tạo ra các vật liệu, các nguồn phát tia alpha và gamma trong công nghiệp hay là khả năng đầu độc tế bào trong việc tiêu diệt các tế bào ung thư.