Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нитрид урана [1]
La2O3structure.jpg
Имена
Название ИЮПАК
Нитрид урана
Идентификаторы
ChemSpider
Характеристики
U 2 N 3
Молярная масса518,078 г / моль
Внешностькристаллическое твердое вещество
Плотность11300 кг · м −3 , твердые
Температура плавления От 900 до 1100 ° C (от 1650 до 2,010 ° F; от 1170 до 1370 K) (разлагается до UN)
Точка кипенияРазлагается
0,08 г / 100 мл (20 ° C)
Структура
Шестиугольный, hP5
П-3м1, №164
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Нитрид урана - это любой из семейства керамических материалов : мононитрид урана (UN), сесквинитрид урана (U 2 N 3 ) и динитрид урана (UN 2 ). Слово нитрид относится к степени окисления -3 азота, связанного с ураном .

Нитрид урана рассматривался как потенциальное топливо для ядерных реакторов. Он считается более безопасным, прочным, плотным, более теплопроводным и имеет более высокий температурный допуск. Проблемы, связанные с внедрением топлива, включают сложный маршрут конверсии с обогащенного UF 6 , необходимость предотвращения окисления во время производства и необходимость определения и лицензирования маршрута окончательного захоронения. Необходимость использования дорогого высокообогащенного изотопами 15 N является важным фактором, который необходимо преодолеть. Это необходимо из-за (относительно) высокого поперечного сечения захвата нейтронов гораздо более распространенного 14 N, что снижает нейтронную экономию и, следовательно, эффективность реактора. [2]

Синтез [ править ]

Карботермическое восстановление [ править ]

Общие методы для генерации ООН карботермическое восстановление из оксида урана (UO 2 ) в способе 2 этапа показаны ниже. [3] [4]

3UO 2 + 6C → 2UC + UO 2 + 4CO (в аргоне> 1450 ° C в течение 10-20 часов)
4UC + 2UO 2 + 3N 2 → 6UN + 4CO

Золь-гель [ править ]

Также можно использовать золь-гель методы и дуговую плавку чистого урана в атмосфере азота . [5]

Аммонолиз [ править ]

Другой распространенный метод для создания ООН 2 является аммонолизом из тетрафторида урана . Тетрафторид урана подвергается воздействию газообразного аммиака под высоким давлением и температурой, в результате чего фтор замещается азотом и образуется фтористый водород . [6] Фтороводород при этой температуре является бесцветным газом и смешивается с газообразным аммиаком.

Гидрирование-азотирование [ править ]

Дополнительный метод синтеза UN использует изготовление непосредственно из металлического урана. Воздействуя на металлический уран газообразным водородом при температуре выше 280 ° C, может быть образован UH 3 . [7] Кроме того, поскольку UH 3 имеет более высокий удельный объем, чем металлическая фаза, гибридизация может быть использована для физического разложения урана в твердом состоянии. После гибридизации UH 3 может подвергаться воздействию атмосферы азота при температуре около 500 ° C, в результате чего образуется U 2 N 3 . При дополнительном нагревании до температуры выше 1150 ° C сесквинитрид можно затем разложить до UN.

2U + 3H 2 → 2UH 3
2UH 3 + 1.5N 2 → U 2 N 3
U 2 N 3 → UN + 0,5 N 2

Использование изотопа 15 N (который составляет около 0,37% природного азота) является предпочтительным, потому что преобладающий изотоп 14 N имеет немаловажное сечение поглощения нейтронов, которое влияет на экономию нейтронов и, в частности, он подвергается (n, p ) реакция, при которой образуются значительные количества радиоактивного 14 C, который необходимо будет тщательно удерживать и изолировать во время переработки или постоянного хранения. [8]

Разложение [ править ]

Считается, что в каждом динитридном комплексе урана одновременно присутствуют три различных соединения из-за разложения динитрида урана (UN 2 ) на сесквинитрид урана (U 2 N 3 ) и мононитрид урана (UN). Динитриды урана разлагаются до мононитрида урана по следующей последовательности реакций: [9]

4UN 2 → 2U 2 N 3 + N 2
2U 2 N 3 → 4UN + N 2

Разложение UN 2 является наиболее распространенным методом выделения сесквинитрида урана (U 2 N 3 ).

Использует [ редактировать ]

Мононитрид урана рассматривается как потенциальное топливо для реакторов поколения IV, таких как реактор Hyperion Power Module, созданный Hyperion Power Generation . [10] Он также был предложен в качестве ядерного топлива в некоторых испытательных ядерных реакторах на быстрых нейтронах . UN считается лучшим из-за его более высокой расщепляющейся плотности, теплопроводности и температуры плавления, чем у наиболее распространенного ядерного топлива, оксида урана (UO 2 ), а также демонстрирует меньшее выделение газов продуктов деления и набухание, а также пониженную химическую активность с материалами оболочки. [11] Он также обладает превосходной механической, термической и радиационной стабильностью по сравнению со стандартным металлическим урановым топливом. [9] [12] Коэффициент теплопроводности в 4-8 раз выше, чем у диоксида урана, наиболее часто используемого ядерного топлива, при типичных рабочих температурах. Повышенная теплопроводность приводит к более низкому тепловому градиенту между внутренней и внешней частями топлива [8], что потенциально позволяет повысить рабочие температуры и уменьшить макроскопическую реструктуризацию топлива, которая ограничивает срок службы топлива. [4]

Молекулярная и кристаллическая структура [ править ]

  • Простая кубическая (P)

  • Телоцентрированный кубический (I)

  • Гранецентрированный кубический (F)

Пример структуры кристалла динитрида урана

Соединение динитрида урана (UN 2 ) имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру типа фторида кальция (CaF 2 ) с пространственной группой Fm3m. [13] Азот образует тройные связи на каждой стороне урана, образуя линейную структуру . [14] [15]

Пример структуры кристалла сесквинитрида урана

α- (U 2 N 3 ) имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру типа (Mn 2 O 3 ) с пространственной группой Ia3. [13]

Пример кристаллической структуры мононитрида урана

UN имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру типа NaCl . [14] [16] металл компонент связи использует 5 ф орбитального урана , но образует относительно слабого взаимодействия , но имеет важное значение для кристаллической структуры . Ковалентную часть образует связи с перекрытием между 6 d орбитали и 7 с орбитальным на уран и 2 р - орбиталей на азот. [14] [17] N образует тройную связь с ураном, создавая линейную структуру. [15]

Нитридопроизводные урана [ править ]

В последнее время появилось много разработок в области синтеза комплексов с концевыми нитридными связями урана (–U≡N). В дополнение к проблемам радиоактивности, общим для всей химии урана, производство нитридокомплексов урана замедляется из-за суровых условий реакции и проблем с растворимостью. Тем не менее, в последние несколько лет сообщалось о синтезе таких комплексов, например трех, показанных ниже, среди прочих. [18] [19] Другие соединения U≡N также были синтезированы или наблюдались с различными структурными особенностями, такими как мостиковые нитридные лиганды в ди- / полиядерных соединениях, а также в различных степенях окисления. [20] [21]

[N ( n -Bu) 4 ] [(C 6 F 5 ) 3 B-N≡U (N t -BuAr) 3 ] [22]
N≡UF 3 [23]
[Na (12-корон-4) 2 ] [N≡U-N (CH 2 CH 2 Ntips) 3 ] [24]

См. Также [ править ]

  • Карбид урана
  • Оксид урана
  • Ядерный топливный цикл
  • Ядерный реактор
  • Список плотностей энергии

Ссылки [ править ]

  1. ^ РБ Мэтьюз; К.М. Чидестер; CW Хот; RE Mason; Р. Л. Петти (1988). «Изготовление и испытания топлива из нитрида урана для космических энергетических реакторов». Журнал ядерных материалов . 151 (3): 345. DOI : 10,1016 / 0022-3115 (88) 90029-3 .
  2. ^ Чаудри, Khurrum Салим (2013). «Совместный анализ для новой конструкции топлива с использованием UN и UC для SCWR». Прогресс в атомной энергетике . 63 : 57–65. DOI : 10.1016 / j.pnucene.2012.11.001 .
  3. ↑ Минато, Кадзуо; Акабори, Мицуо; Такано, Масахиде; Араи, Ясуо; Накадзима, Кунихиса; Ито, Акинори; Огава, Тору (2003). «Изготовление нитридных топлив для трансмутации минорных актинидов». Журнал ядерных материалов . 320 (1–2): 18–24. DOI : 10.1016 / S0022-3115 (03) 00163-6 . ISSN 0022-3115 . 
  4. ^ a b Кармак, WJ (2004). «Внутреннее гелеобразование применительно к производству нитрида урана для космического ядерного топлива». Материалы конференции AIP . 699 : 420–425. DOI : 10.1063 / 1.1649601 . ISSN 0094-243X . 
  5. ^ Ganguly, C .; Hegde, P. J. Sol-Gel Sci. Technol. . 1997 , 9, 285.
  6. ^ Сильва, GWC; Йеманс, CB; Ma, L .; Церефице, GS; Czerwinski, KR; Sarrelberger, AP Chem. Mater. . 2008 , 20, 3076.
  7. ^ urn: nbn: se: kth: diva-35249: Методы производства (U-Zr) N-топлива
  8. ^ а б Мэтьюз, РБ; Чидестер, КМ; Хот, CW; Мейсон, RE; Петти, Р. Л. Журнал ядерных материалов . ' 1988 , 151 (3), 345.
  9. ^ a b Сильва, Г.В. Чинтака; Yeamans, Charles B .; Sattelberger, Alfred P .; Хартманн, Томас; Cerefice, Gary S .; Червински, Кеннет Р. (2009). «Последовательность реакций и кинетика разложения нитрида урана». Неорганическая химия . 48 (22): 10635–10642. DOI : 10.1021 / ic901165j . ISSN 0020-1669 . 
  10. ^ Персонал (2009-11-20). «Hyperion запускает быстрый реактор, работающий на U2N3 и Pb-Bi-теплоносителе» . Nuclear Engineering International . Global Trade Media, подразделение Progressive Media Group Ltd.
  11. ^ «Простой метод получения стабильной формы нитрида урана». Advanced Ceramics Report . Международные информационные бюллетени. 1 августа 2012 г. [Исследователь]… Стивен Лиддл , говорит: «… это могло бы помочь… извлечь и отделить 2-3% высокорадиоактивных материалов в ядерных отходах».
  12. ^ Мизутани, А .; Секимото, Х. Энн. Nucl. Энергия . 2005 , 25 (9), 623–638.
  13. ^ a b Рандл, RE; Баензигер, Северная Каролина; Wilson, AS; Макдональд, Р. А. Дж. Ам. Chem Soc. . 1948 , 70, 99.
  14. ^ a b c Weck PF, Kim E., Balakrishnan N., Poineau F., Yeamans CB, and Czerwinski KR Chem. Phys. Lett. . 2007 , 443, 82. DOI : 10.1016 / j.cplett.2007.06.047
  15. ^ a b Wang, X .; Andrews, L .; Влайсавлевич, Б .; Гальярди, Л. Неорганическая химия . 2011 , 50 (8), 3826–3831. DOI: 10.1021 / ic2003244
  16. ^ Мюллер, MH; Knott, HW Acta Crystallogr. . 1958 , 11, 751–752. DOI: 10.1107 / S0365110X58002061]
  17. ^ Еварестов, Р.А., Панин, А.И., Лосев, М.В. Журнал структурной химии . 2008 , 48, 125–135.
  18. ^ Ноктон, G .; Pécaut, J .; Маццанти, М. Нитридоцентрированный азидный кластер урана, полученный из азида урана. Энгью. Chem. Int. Эд. 2008, 47 (16), 3040–3042. DOI : 10.1002 / anie.200705742
  19. ^ Томсон, РК; Cantat, T .; Скотт, Б.Л .; Моррис, Делавэр; Батиста, ER; Киплингер, Дж. Л. Фотолиз азида урана приводит к активации связи C – H и дает доказательства наличия конечного нитрида урана. Химия природы 2010, 2 , 723–729. DOI : 10.1038 / nchem.705
  20. ^ Fox, AR; Arnold, PL; Cummins, CC Множественная связь урана с азотом: изоструктурные анионные, нейтральные и катионные комплексы нитрида урана с линейным ядром U = N = U. Варенье. Chem. Soc. 2010, 132 (10), 3250–3251. DOI : 10.1021 / ja910364u
  21. ^ Эванс, WJ; Козимор С.А.; Циллер, Дж. В. Молекулярные окта-урановые кольца с чередующимися нитридными и азидными мостиками. Наука 2005, 309 (5742), 1835–1838. DOI : 10.1126 / science.1116452
  22. ^ Fox, A .; Камминс, К. Множественная связь урана с азотом: случай четырехкоординатного нитридоборатного комплекса урана (VI). Варенье. Chem. Soc. , 2009, 131 (16), 5716–5717. DOI : 10.1021 / ja8095812
  23. ^ Андрей, L .; Ван, X .; Lindh, R .; Roos, B .; Марсден, К. Простые молекулы N≡UF 3 и P≡UF 3 стройными связямис ураном. Энгью. Chem. Int. Эд. 2008, 47 (29), 5366-5370. DOI : 10.1002 / anie.200801120
  24. ^ Король, D .; Тунец, F .; McInnes, E .; McMaster, J .; Льюис, В .; Блейк, А .; Лиддл, ST Синтез и структура комплекса конечного нитрида урана. Наука 2012, 337 (6095) , 717–720. DOI : 10.1126 / science.1223488

Внешние ссылки [ править ]

  • Новая урановая облигация в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)