Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диоксид урана
UO2lattice.jpg
Имена
Имена ИЮПАК
Диоксид
урана Оксид урана (IV)
Другие имена
Урания
Оксид урана
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard100.014.273 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 215-700-3
Номер RTECS
  • YR4705000
UNII
  • InChI = 1S / 2O.U
    Ключ: FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N
  • O = [U] = O
Характеристики
UO 2
Молярная масса270,03 г / моль
Внешностьчерный порошок
Плотность10,97 г / см 3
Температура плавления 2865 ° С (5189 ° F, 3138 К)
нерастворимый
Структура
Флюорит (кубический), cF12
Фм 3 м, №225
а  = 547,1 пп [1]
Тетраэдрический (O 2- ); кубический (U IV )
Термохимия
78 Дж · моль −1 · K −1 [2]
−1084 кДж · моль −1 [2]
Опасности
Паспорт безопасностиICSC 1251
Пиктограммы GHSGHS06: ТоксичноGHS08: Опасность для здоровьяGHS09: Опасность для окружающей среды
Сигнальное слово GHSОпасность
H300 , H330 , H373 , H400 , H410 , H411
Р260 , Р264 , Р270 , Р271 , Р273 , Р284 , Р301 + 310 , Р304 + 340 , P310 , P314 , P320 , P321 , P330 , P391 , P403 + 233 , Р405 , Р501
NFPA 704 (огненный алмаз)
4
0
0
точка возгоранияN / A
Родственные соединения
Связанные оксиды урана
Октоксид триурана
Триоксид урана
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Диоксид урана или оксид урана (IV) , ( U O 2 ) , также известный как Урания или уранил оксид , представляет собой оксид из урана , и является черным, радиоактивным , кристаллический порошком , который естественно происходит в минеральном уранините . Он используется в топливных стержнях ядерных реакторов . В качестве МОКС-топлива используется смесь диоксидов урана и плутония . До 1960 года он использовался как желтый и черный цвет в керамической глазури и стекле.

Производство [ править ]

Диоксид урана получают путем уменьшения триоксида урана с водородом .

UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O при 700 ° C (973 K)

Эта реакция играет важную роль в создании ядерного топлива путем ядерной переработки и обогащения урана .

Химия [ править ]

Структура [ править ]

Твердое тело изоструктурно (имеет ту же структуру, что и флюорит ( фторид кальция ), где каждый U окружен восемью ближайшими соседями O в кубической структуре. Кроме того, такое же строение имеют диоксиды церия , тория , плутония и нептуния . Никакие другие элементарные диоксиды не имеют структуры флюорита. При плавлении измеренная средняя координация UO снижается с 8 в твердом кристаллическом ( кубики UO 8 ) до 6,7 ± 0,5 (при 3270 K) в расплаве. [3] Модели, согласующиеся с этими измерениями, показывают, что расплав состоит в основном из UO 6 и UO 7.многогранные единиц, где примерно 2 / 3 из соединений между многогранников являются угол обмена и 1 / 3 являются совместное использование края. [3]

  • Диоксид урана

  • Таблетки из спеченного диоксида урана

Окисление [ править ]

Диоксид урана окисляется при контакте с кислородом до октаоксида триурана .

3 UO 2 + O 2 → U 3 O 8 при 700 ° C (970 K)

Электрохимии диоксида урана была подробно исследованы как гальваническая коррозия диоксида урана управляет скоростью , при которой используемом топливе ядерного растворяется. См. Отработанное ядерное топливо для получения дополнительной информации. Вода увеличивает скорость окисления плутония и металлов урана . [4] [5]

Карбонизация [ править ]

Диоксид урана карбонизируется при контакте с углеродом , образуя карбид урана и монооксид углерода .

UO 2 + 4 C → UC 2 + 2 CO

Этот процесс необходимо проводить в среде инертного газа, поскольку карбид урана легко окисляется обратно в оксид урана .

Использует [ редактировать ]

Ядерное топливо [ править ]

UO 2 используется в основном в качестве ядерного топлива , в частности, как UO 2, или как смесь UO 2 и PuO 2 ( диоксид плутония ), называемая смешанным оксидом ( МОКС-топливо ), в виде топливных стержней в ядерных реакторах .

Следует отметить , что теплопроводность диоксида урана является очень низким по сравнению с ураном , нитрид урана , карбид урана и циркония облицовочного материала. Такая низкая теплопроводность может привести к локальному перегреву в центрах топливных таблеток. На приведенном ниже графике показаны различные температурные градиенты в различных топливных соединениях. Для этих видов топлива плотность тепловой энергии одинакова, а диаметр всех гранул одинаков. [ необходима цитата ]

  • Топливные таблетки из оксида урана

  • Контейнеры для исходного материала для производства топливных таблеток из диоксида урана на заводе в России

  • Зависимость теплопроводности металлического циркония и диоксида урана от температуры

Цвет стеклокерамической глазури [ править ]

Воспроизвести медиа
Счетчик Гейгера (комплект без корпуса), слышащий реакцию на оранжевый осколок Fiestaware.

Оксид урана (уран) использовался для окрашивания стекла и керамики до Второй мировой войны, и до тех пор, пока не было обнаружено применение радиоактивности, это было его основным применением. В 1958 году военные США и Европы снова разрешили его коммерческое использование в качестве обедненного урана, и его использование снова началось в более ограниченных масштабах. Керамические глазури на основе урана имеют темно-зеленый или черный цвет при обжиге в восстановительном режиме или при использовании UO 2 ; чаще его используют при окислении для получения ярко-желтой, оранжевой и красной глазури. [6] Fiestaware оранжевого цвета - хорошо известный пример продукта с глазурью цвета урана. Урановое стекло имеет цвет от бледно-зеленого до желтого цвета и часто имеет сильные флуоресцентные свойства. Урания также использовался в составахэмаль и фарфор . С помощью счетчика Гейгера можно определить, содержит ли уранию глазурь или стекло, произведенные до 1958 года.

Другое использование [ править ]

До осознания вреда излучения уран использовался в искусственных зубах и зубных протезах, поскольку его легкая флуоресценция делала протезы более похожими на настоящие зубы в различных условиях освещения.

Обедненный UO 2 (DUO 2 ) можно использовать в качестве материала для защиты от излучения . Например, DUCRETE - это «тяжелый бетон » материал, в котором гравий заменен заполнителем диоксида урана; этот материал исследуется для использования в контейнерах для радиоактивных отходов . Бочки могут быть также сделаны из DUO 2 - стальная металлокерамики , A композитного материала , изготовленные из совокупности диоксида урана , выступающий в качестве радиационной защиты, графита и / или карбида кремния , служащих в качествеПоглотитель и замедлитель нейтронного излучения , а также сталь в качестве матрицы, высокая теплопроводность которой позволяет легко отводить остаточное тепло. [ необходима цитата ]

Истощенная двуокись урана может быть также использована в качестве катализатора , например , для деградации летучих органических соединений в газовой фазе, окисления от метана до метанола , и удаления серы из нефти . Он имеет высокую эффективность и долгосрочную стабильность при использовании для уничтожения ЛОС по сравнению с некоторыми коммерческими катализаторами , такими как катализаторы из драгоценных металлов , TiO 2 и Co 3 O 4 . В этой области проводится много исследований, причем DU является предпочтительным компонентом урана из-за его низкой радиоактивности. [7]

Исследуется возможность использования диоксида урана в качестве материала для аккумуляторных батарей . Батареи могут иметь высокую плотность мощности и потенциал 4,7 В на элемент. Другое исследуемое применение - фотоэлектрохимические элементы для производства водорода с помощью солнечной энергии, где UO 2 используется в качестве фотоанода . Раньше диоксид урана также использовался в качестве проводника тепла для ограничения тока (резистор URDOX), что было первым использованием его полупроводниковых свойств. [ необходима цитата ]

Диоксид урана также является самым сильным известным пьезомагнетиком в антиферромагнитном состоянии, наблюдаемом при криогенных температурах ниже 30 кельвинов . UO 2 демонстрирует линейную магнитострикцию, меняющую знак со знаком приложенного магнитного поля, и переключение магнитоупругой памяти при магнитных полях около 180 000 Э. [8]

Свойства полупроводников [ править ]

Ширина запрещенной зоны двуокиси урана сравнимы с таковыми кремния и арсенида галлия , вблизи оптимального для эффективности против запрещенной зоны кривой для поглощения солнечного излучения, предполагая его возможное использование в очень эффективных солнечных элементов на основе диода Шоттки структуры; он также поглощает на пяти разных длинах волн, включая инфракрасный, что еще больше повышает его эффективность. Его собственная проводимость при комнатной температуре примерно такая же, как у монокристаллического кремния. [9]

Диэлектрическая проницаемость диоксида урана составляет около 22, что почти в два раза выше , чем кремний (11.2) и GaAs (14.1). Это преимущество перед Si и GaAs при создании интегральных схем , поскольку оно может обеспечить интеграцию с более высокой плотностью при более высоких напряжениях пробоя и с меньшей восприимчивостью к туннельному пробою КМОП .

Коэффициент Зеебека диоксида урана при комнатной температуре составляет около 750 мкВ / К, что значительно выше 270 мкВ / К теллурида таллия-олова (Tl 2 SnTe 5 ) и теллурида германия таллия (Tl 2 GeTe 5 ) и висмута - теллуровые сплавы, другие перспективные материалы для термоэлектрической энергетики и элементы Пельтье .

Радиоактивный распад воздействие 235 U и 238 U на его полупроводниковых свойствах не было измерено как 2005 . Из-за низкой скорости распада этих изотопов он не должен существенно влиять на свойства солнечных элементов из диоксида урана и термоэлектрических устройств, но может стать важным фактором для микросхем СБИС . По этой причине необходимо использование обедненного оксида урана . Захват альфа-частиц, испускаемых во время радиоактивного распада в виде атомов гелия в кристаллической решетке, также может вызывать постепенные долгосрочные изменения ее свойств. [ необходима цитата ]

Стехиометрии материала значительно влияет на его электрические свойства. Например, электропроводность UO 1.994 на порядки ниже при более высоких температурах, чем проводимость UO 2.001 .

Диоксид урана, как и U 3 O 8 , представляет собой керамический материал, способный выдерживать высокие температуры (около 2300 ° C по сравнению с максимум 200 ° C для кремния или GaAs), что делает его пригодным для высокотемпературных применений, таких как термофотовольтаические устройства.

Диоксид урана также устойчив к радиации повреждения, что делает его полезным для Rad-трудно устройств для специальных военных и аэрокосмических применений.

Диод Шоттки из U 3 O 8 и PNP - транзистор из UO 2 были успешно изготовлены в лаборатории. [10]

Токсичность [ править ]

Известно, что диоксид урана абсорбируется в легких путем фагоцитоза . [11]

См. Также [ править ]

  • Cleveite
  • Ducrete
  • Оксид урана

Ссылки [ править ]

  1. ^ Leinders, Грегори; Кардинаэлс, Томас; Биннеманс, Коэн; Verwerft, Марк (2015). «Точные измерения параметров решетки стехиометрического диоксида урана» . Журнал ядерных материалов . 459 : 135–42. Bibcode : 2015JNuM..459..135L . DOI : 10.1016 / j.jnucmat.2015.01.029 .
  2. ^ a b Zumdahl, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Houghton Mifflin. п. A23. ISBN 978-0-618-94690-7.
  3. ^ a b Скиннер, LB; Бенмор, CJ; Вебер, JKR; Уильямсон, Массачусетс; Tamalonis, A .; Hebden, A .; Винцек, Т .; Олдермен, OLG; Guthrie, M .; Leibowitz, L .; Паризе, JB (2014). «Структура и динамика расплавленного диоксида урана» . Наука . 346 (6212): 984–7. Bibcode : 2014Sci ... 346..984S . DOI : 10.1126 / science.1259709 . ОСТИ 1174101 . PMID 25414311 .  
  4. ^ Хашке, Джон М; Аллен, Томас H; Моралес, Луис А. (1999). «Реакции диоксида плутония с водой и кислородно-водородными смесями: механизмы коррозии урана и плутония» (PDF) . Проверено 6 июня 2009 .
  5. ^ Хашке, Джон М; Аллен, Томас H; Моралес, Луис А. (2001). «Реакции диоксида плутония с водой и водородно-кислородными смесями: механизмы коррозии урана и плутония». Журнал сплавов и соединений . 314 (1-2): 78–91. DOI : 10.1016 / S0925-8388 (00) 01222-6 .
  6. ^ Örtel, Стефан. Уран в дер Керамик. Geschichte - Technik - Hersteller .
  7. ^ Хатчингс, Грэм Дж .; Хенеган, Кэтрин С .; Хадсон, Ян Д.; Тейлор, Стюарт Х. (1996). «Катализаторы на основе оксида урана для разрушения летучих хлорорганических соединений». Природа . 384 (6607): 341–3. Bibcode : 1996Natur.384..341H . DOI : 10.1038 / 384341a0 .
  8. ^ М. Хайме и др. (2017), Пьезомагнетизм и магнитоупругая память в диоксиде урана. Природные коммуникации 8 , 99.
  9. ^ An, Yong Q .; Тейлор, Антуанетта Дж .; Конрадсон, Стивен Д .; Тругман, Стюарт А .; Дуракевич, Томаш; Родригес, Джордж (2011). «Сверхбыстрая динамика прыжков 5 f- электронов в изоляторе Мотта UO 2, исследованная методом фемтосекундной спектроскопии накачки и зонда». Письма с физическим обзором . 106 (20): 207402. Bibcode : 2011PhRvL.106t7402A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.207402 . PMID 21668262 . 
  10. ^ Кроткий, Томас Т .; фон Родерн, Б. (2008). «Полупроводниковые приборы из оксидов актиноидов». Вакуум . 83 (1): 226–8. Bibcode : 2008Vacuu..83..226M . DOI : 10.1016 / j.vacuum.2008.04.005 .
  11. ^ Принципы биохимической токсикологии. Тимбрелл, Джон. PA 2008 ISBN 0-8493-7302-6 [ необходима страница ] 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Barrett, SA; Джейкобсон, AJ; Тофилд, Британская Колумбия; Fender, BEF (1982). «Получение и структура оксида бария и урана BaUO3 + x». Acta Crystallographica Раздел B . 38 (11): 2775. DOI : 10,1107 / S0567740882009935 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Полупроводниковые свойства оксидов урана
  • Список бесплатных словарей по диоксиду урана
  • Диоксид урана International Bio-Аналитическое Industries, Inc.