Thorium là gì? Các bài nghiên cứu khoa học về Thorium

Giới thiệu về thorium

Thorium là một nguyên tố kim loại thuộc nhóm actini trong bảng tuần hoàn, có ký hiệu hóa học là Th và số nguyên tử là 90. Đây là kim loại có màu xám bạc, mềm, dễ gia công và tương đối bền nếu bảo quản trong môi trường khô ráo. Thorium tồn tại tự nhiên gần như hoàn toàn dưới dạng đồng vị ²³²Th với chu kỳ bán rã khoảng 14,05 tỷ năm – tương đương với tuổi của Trái Đất – khiến nó là một trong những nguyên tố phóng xạ ổn định nhất trong tự nhiên.

Về mặt lịch sử, thorium được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1828 bởi nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius. Ông đặt tên cho nguyên tố này theo thần Thor – vị thần sấm sét trong thần thoại Bắc Âu. Thorium đã từng được sử dụng phổ biến trong các sản phẩm công nghiệp như áo đèn khí, ống tia âm cực và một số hợp kim chịu nhiệt. Tuy nhiên, kể từ khi các vấn đề liên quan đến phóng xạ được hiểu rõ hơn, việc sử dụng thorium trong đời sống hàng ngày đã giảm đáng kể.

Trong nhiều năm gần đây, thorium được nhắc đến nhiều hơn như một lựa chọn thay thế uranium trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Các nghiên cứu quốc tế cho thấy thorium có tiềm năng tạo ra năng lượng an toàn hơn, sạch hơn và bền vững hơn nếu được sử dụng đúng cách trong chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Tính chất vật lý và hóa học của thorium

Thorium là kim loại có điểm nóng chảy cao, khoảng 1750°C, mật độ 11,7 g/cm³ và dẫn nhiệt tốt. Ở điều kiện tiêu chuẩn, thorium tồn tại ở dạng tinh thể lập phương tâm diện (FCC). Khi để ngoài không khí, bề mặt thorium dễ bị oxy hóa, chuyển sang màu xám đen do hình thành lớp oxide bảo vệ. Đặc điểm này khiến thorium cần được bảo quản trong môi trường trơ hoặc kín khí nếu không muốn bị ăn mòn.

Về mặt hóa học, thorium thường tồn tại ở trạng thái oxy hóa +4 trong hầu hết các hợp chất. Ion Th⁴⁺ có khả năng tạo phức với nhiều ligand như nitrate, sulfate, phosphate và các acid hữu cơ. Các hợp chất thông dụng của thorium bao gồm:

• Thorium dioxide (ThO₂): dạng oxide bền, chịu nhiệt cao, được nghiên cứu làm nhiên liệu hạt nhân.
• Thorium nitrate [Th(NO₃)₄]: dễ tan trong nước, được sử dụng trong phân tích hóa học và điều chế phức chất.
• Thorium fluoride (ThF₄): quan trọng trong quá trình điều chế nhiên liệu lò muối nóng chảy.

Bảng dưới đây tóm tắt một số tính chất đặc trưng của nguyên tố thorium:

Thuộc tính	Giá trị
Ký hiệu hóa học	Th
Số nguyên tử	90
Khối lượng nguyên tử	232,04 u
Chu kỳ bán rã	14,05 tỷ năm
Trạng thái phổ biến	Th4+

Thông tin chi tiết thêm có thể tham khảo tại cơ sở dữ liệu: PubChem - Thorium

Phân bố và khai thác

Thorium xuất hiện phổ biến trong vỏ Trái Đất hơn uranium và thường tập trung trong các khoáng vật như monazite, thorianite, bastnäsite và xenotime. Trong đó, monazite là nguồn thương mại quan trọng nhất, chứa từ 2% đến 12% thorium theo khối lượng, cùng với các nguyên tố đất hiếm khác.

Phân bố trữ lượng thorium trên thế giới tập trung chủ yếu tại một số quốc gia có nguồn tài nguyên khoáng sản lớn. Theo đánh giá của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), các quốc gia có tiềm năng khai thác thorium cao bao gồm:

• Ấn Độ – chiếm khoảng 25% trữ lượng thorium toàn cầu, tập trung tại vùng ven biển Kerala và Andhra Pradesh.
• Hoa Kỳ – trữ lượng lớn nhưng chưa khai thác thương mại rộng rãi do ưu tiên uranium.
• Australia và Brazil – có tiềm năng khai thác từ các mỏ đất hiếm.
• Na Uy – đang tiến hành các khảo sát đánh giá khai thác.

Việc khai thác thorium thường được thực hiện song song với việc khai thác đất hiếm, vì các khoáng vật chứa thorium thường cũng là nguồn của các nguyên tố đất hiếm quan trọng. Tuy nhiên, do tính phóng xạ, việc xử lý và tinh chế thorium đòi hỏi tiêu chuẩn an toàn cao hơn nhiều so với khoáng sản thông thường.

Xem bản đồ phân bố toàn cầu tại: IAEA - Thorium Fuel Cycle

Phóng xạ và an toàn

Thorium là nguyên tố phóng xạ alpha yếu, với mức độ hoạt độ phóng xạ thấp do chu kỳ bán rã rất dài. Tuy nhiên, chuỗi phân rã của ²³²Th bao gồm các đồng vị có mức độ phóng xạ cao hơn như radium-228 và radon-220 (thoron), tạo ra nguy cơ tích lũy phóng xạ trong môi trường nếu không kiểm soát tốt.

Nguy cơ sức khỏe chính liên quan đến thorium đến từ việc hít phải bụi hoặc sol khí chứa ThO₂ hoặc các sản phẩm phân rã của nó. Khi bị hấp thụ vào cơ thể, thorium có thể tích tụ trong gan, phổi và xương, làm tăng nguy cơ ung thư sau nhiều năm phơi nhiễm. Do đó, các biện pháp kiểm soát kỹ thuật như thông gió, che chắn bức xạ, sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE) là bắt buộc khi thao tác với thorium trong phòng thí nghiệm hoặc cơ sở công nghiệp.

Trong bối cảnh khai thác và ứng dụng quy mô lớn, vấn đề xử lý chất thải chứa thorium cũng là một thách thức nghiêm trọng. Các quốc gia cần có chiến lược rõ ràng trong lưu trữ lâu dài và quản lý vùng đất bị ảnh hưởng phóng xạ để đảm bảo an toàn cho dân cư và môi trường xung quanh.

Ứng dụng trong công nghiệp

Thorium từng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ tính chất chịu nhiệt cao, độ ổn định hóa học và khả năng phát xạ điện tử tốt. Trong suốt thế kỷ 20, thorium chủ yếu được sử dụng trong áo đèn khí (gas mantles) cho đèn măng-sông, nơi ThO₂ được dùng để tạo ánh sáng trắng rực rỡ khi bị nung nóng. Tuy nhiên, do tính phóng xạ, ứng dụng này đã bị hạn chế tại nhiều quốc gia.

Trong ngành luyện kim, thorium được sử dụng để tạo hợp kim magnesi-thorium dùng trong sản xuất linh kiện hàng không và vũ trụ. Các hợp kim này có ưu điểm là nhẹ, bền ở nhiệt độ cao và kháng ăn mòn, rất phù hợp cho các bộ phận chịu tải trọng lớn trong động cơ phản lực.

Một số ứng dụng khác của thorium bao gồm:

• Làm điện cực trong hàn TIG nhờ điểm nóng chảy cao và khả năng phát xạ điện tử tốt
• Chất xúc tác trong công nghiệp lọc dầu, đặc biệt là trong quá trình cracking
• Thành phần trong thủy tinh quang học có chiết suất cao và độ bền tia X

Mặc dù vậy, do lo ngại về rủi ro phóng xạ, nhiều ứng dụng phi năng lượng của thorium đã và đang bị thay thế bởi các vật liệu ít nguy hiểm hơn.

Thorium trong lò phản ứng hạt nhân

Thorium không phải là nguyên tố phân hạch như uranium-235 hay plutonium-239, nhưng có thể chuyển hóa thành uranium-233 – một chất phân hạch mạnh – thông qua quá trình bắt neutron chậm. Đây là cơ sở của chu trình nhiên liệu thorium, được xem là giải pháp thay thế an toàn và bền vững hơn so với nhiên liệu uranium truyền thống.

Phản ứng chuyển hóa có thể biểu diễn như sau:

$^{232}\text{Th} + n \rightarrow ^{233}\text{Th} \xrightarrow[]{\beta^-} ^{233}\text{Pa} \xrightarrow[]{\beta^-} ^{233}\text{U}$

Uranium-233 tạo ra có khả năng phân hạch cao, tương đương hoặc thậm chí vượt trội so với U-235. Khi được đưa vào lò phản ứng, U-233 có thể duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân, đồng thời tiếp tục chuyển hóa thorium mới thành U-233 – tạo thành chu trình nhiên liệu khép kín.

Các loại lò phản ứng phù hợp với thorium bao gồm:

Loại lò	Đặc điểm	Trạng thái
Lò muối nóng chảy (MSR)	Nhiên liệu thorium được hòa tan trong muối lỏng	Đang thử nghiệm tại Trung Quốc
Lò phản ứng nước nặng (PHWR)	Sử dụng nước nặng làm chất điều hòa neutron	Phù hợp với thorium pha trộn
Lò khí áp suất cao (HTGR)	Vận hành ở nhiệt độ cao, sử dụng khí helium làm chất tải nhiệt	Đang được nghiên cứu tại châu Âu

Xem chi tiết tại: World Nuclear Association - Thorium

Ưu điểm và thách thức của nhiên liệu thorium

Thorium mang lại nhiều lợi ích tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Một số điểm mạnh nổi bật gồm:

• Trữ lượng trong tự nhiên gấp 3-4 lần uranium, phân bố rộng và dễ khai thác
• Sinh ít chất thải phóng xạ lâu dài, đặc biệt là đồng vị plutonium
• U-233 sinh ra có thể đốt cháy hoàn toàn, giúp tăng hiệu suất nhiên liệu
• Khó sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân do có tạp U-232 phát tia gamma mạnh

Tuy nhiên, việc sử dụng thorium cũng gặp một số rào cản kỹ thuật và kinh tế:

• Không thể khởi động phản ứng phân hạch trực tiếp – cần một nguồn neutron ban đầu
• U-233 tạo ra dễ bị nhiễm tạp Pa-231 hoặc U-232, gây khó khăn trong xử lý nhiên liệu
• Hạ tầng hiện tại chủ yếu được thiết kế cho uranium – cần đầu tư lại công nghệ
• Chi phí nghiên cứu và chứng nhận lò phản ứng thorium còn cao

Do đó, mặc dù có tiềm năng lớn, thorium vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu và phát triển thực nghiệm trước khi có thể triển khai thương mại rộng rãi.

Tình hình nghiên cứu và triển khai toàn cầu

Ấn Độ là quốc gia đi đầu trong phát triển chu trình nhiên liệu thorium với chiến lược ba giai đoạn được khởi xướng từ thập niên 1950. Giai đoạn cuối cùng của chương trình này sẽ sử dụng thorium làm nhiên liệu chính cho các lò phản ứng thế hệ mới, nhắm tới mục tiêu tự chủ năng lượng hạt nhân dài hạn.

Trung Quốc đang thử nghiệm lò muối nóng chảy thorium tại tỉnh Cam Túc, một trong những dự án tiên phong kết hợp thorium với công nghệ lò thế hệ IV. Na Uy và một số quốc gia châu Âu cũng đang đánh giá khả năng vận hành thorium trong lò phản ứng hiện có thông qua các chương trình nghiên cứu công – tư hợp tác.

Tại Hoa Kỳ, nhiều công ty khởi nghiệp hạt nhân đang phát triển các mô hình lò thorium quy mô nhỏ, tập trung vào tính an toàn, khả năng tái chế nhiên liệu và giảm chất thải. Tuy nhiên, do thiếu khung pháp lý và hỗ trợ chính sách, tiến độ còn khá chậm so với tiềm năng.

Triển vọng trong phát triển năng lượng bền vững

Trong bối cảnh thế giới tìm kiếm các giải pháp năng lượng thay thế sạch hơn và bền vững hơn, thorium nổi lên như một lựa chọn đầy hứa hẹn. Với hiệu suất cao, nguy cơ tai nạn thấp và khả năng giảm thiểu chất thải phóng xạ, thorium có thể đóng vai trò quan trọng trong thế hệ lò phản ứng hạt nhân tiếp theo.

Tuy nhiên, để thorium trở thành hiện thực, cần sự phối hợp đồng bộ giữa nghiên cứu học thuật, đầu tư công nghệ và hỗ trợ chính sách từ chính phủ. Việc chia sẻ dữ liệu quốc tế, thúc đẩy các chương trình thử nghiệm quy mô lớn và thiết lập tiêu chuẩn an toàn riêng cho lò thorium là các bước cần thiết.

Với tầm nhìn dài hạn và chiến lược phù hợp, thorium có thể trở thành nền tảng cho một hệ thống năng lượng hạt nhân an toàn và bền vững trong thế kỷ 21.

Tài liệu tham khảo

1. World Nuclear Association. Thorium
2. International Atomic Energy Agency. Thorium Fuel Cycle
3. PubChem. Thorium - Compound Summary
4. U.S. Department of Energy. Thorium: A Viable Nuclear Fuel?
5. National Renewable Energy Laboratory. Research on Thorium Nuclear Energy