Нитриды урана
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Нитрид урана | |
| Идентификаторы | |
| |
3D model ( JSmol ) |
|
| ХимическийПаук |
|
ПабХим CID |
|
| Характеристики | |
| У 2 Н 3 | |
| Молярная масса | 518.078 g/mol |
| Появление | кристаллическое твердое вещество |
| Плотность | 11300 кг·м −3 , твердый |
| Температура плавления | От 900 до 1100 ° C (от 1650 до 2010 ° F; от 1170 до 1370 К) (разлагается до UN) |
| Точка кипения | Разлагается |
| 0,08 г/100 мл (20 °С) | |
| Структура | |
| Шестигранный, hP5 | |
| П-3м1, №164 | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Нитриды урана – это любой из семейства нескольких 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 рассматривается как потенциальное ядерное топливо и будет использоваться в качестве такового БРЕСТ-300 в строящемся в настоящее время в России ядерном реакторе . Говорят, что он безопаснее, прочнее, плотнее, более теплопроводен и имеет более высокую термостойкость. Проблемы внедрения топлива включают сложный маршрут конверсии из обогащенного UF 6 , необходимость предотвращения окисления во время производства и необходимость определения и лицензирования маршрута окончательной утилизации. Необходимость использования дорогих, высокоизотопно обогащенных 15 N является важным фактором, который необходимо преодолеть. Это необходимо из-за (относительно) высокого сечения захвата нейтронов гораздо более распространенного 14 N, который влияет на нейтронную экономику реактора. [2]
Синтез
[ редактировать ]Карботермическое восстановление
[ редактировать ]Обычным методом получения UN является карботермическое восстановление оксида урана (UO 2 ) в двухэтапном методе, показанном 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
[ редактировать ]золь-гель методы и дуговая плавка чистого урана в атмосфере азота . Также могут быть использованы [5]
Аммонолиз
[ редактировать ]Другим распространенным методом получения UN 2 является аммонолиз урана тетрафторида . Тетрафторид урана подвергается воздействию газообразного аммиака под высоким давлением и температурой, который заменяет фтор азотом и генерирует фторид водорода . [6] Фтороводород при этой температуре представляет собой бесцветный газ, который смешивается с газообразным аммиаком.
Гидридирование-азотирование
[ редактировать ]Дополнительный метод синтеза ООН предполагает изготовление непосредственно из металлического урана. Подвергая металлический уран воздействию газообразного водорода при температуре выше 280 °C, UH 3 . можно образовать [7] Кроме того, поскольку UH 3 имеет более высокий удельный объем, чем металлическая фаза, гибридизацию можно использовать для физического разложения твердого урана. 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 разложить до UN.
- 2U + 3H 2 → 2UH 3
- 2УХ 3 + 1,5Н 2 → У 2 Н 3
- У 2 Н 3 → УН + 0,5Н 2
Использование изотопа 15 N (который составляет около 0,37% природного азота) предпочтителен, поскольку преобладающий изотоп, 14 N имеет значительное нейтронов сечение поглощения , что влияет на экономию нейтронов и, в частности, вступает в реакцию (n,p), в результате которой образуются значительные количества радиоактивных веществ. 14 C , который необходимо тщательно изолировать и изолировать во время переработки или постоянного хранения. [8]
Разложение
[ редактировать ]Считается, что в каждом комплексе динитрида урана одновременно присутствуют три различных соединения из-за разложения динитрида урана (UN 2 ) на сесквинитрид урана (U 2 N 3 ), а затем на мононитрид урана (UN). Динитриды урана разлагаются до мононитрида урана по следующей последовательности реакций: [9]
- 4УН 2 → 2У 2 Н 3 + Н 2
- 2U 2 Н 3 → 4UN +N 2
Разложение UN 2 является наиболее распространенным методом выделения сесквинитрида урана (U 2 N 3 ).
Использование
[ редактировать ]Мононитрид урана рассматривается в качестве потенциального топлива для реакторов поколения IV, таких как реактор Hyperion Power Module , созданный Hyperion Power Generation . [10] Его также предлагали в качестве ядерного топлива в некоторых испытательных ядерных реакторах на быстрых нейтронах . UN считается превосходящим из-за его более высокой делящейся плотности, теплопроводности и температуры плавления , чем наиболее распространенное ядерное топливо, оксид урана (UO 2 ), а также демонстрирует более низкое выделение газов-продуктов деления и набухание, а также пониженную химическую реактивность с материалами оболочки. . [11] Оно также обладает превосходной механической, термической и радиационной стабильностью по сравнению со стандартным из металлического урана. топливом [9] [12] Теплопроводность примерно в 4–8 раз выше, чем у диоксида урана, наиболее часто используемого ядерного топлива, при типичных рабочих температурах. Повышенная теплопроводность приводит к меньшему температурному градиенту между внутренней и внешней частями топлива. [8] потенциально допуская более высокие рабочие температуры и уменьшая макроскопическую реструктуризацию топлива, что ограничивает срок службы топлива. [4]
Молекулярная и кристаллическая структура
[ редактировать ]Соединение динитрида урана (UN 2 ) имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру типа фторида кальция (CaF 2 ) с пространственной группой Fm 3 m. [13] Азот образует тройные связи на каждой стороне урана, образуя линейную структуру . [14] [15]
α-(U 2 N 3 ) имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру типа (Mn 2 O 3 ) с пространственной группой Ia 3 . [13]
UN имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру типа NaCl . [14] [16] Металлический кристаллической компонент связи использует 5f -орбиталь урана, но образует относительно слабое взаимодействие, но важно для структуры . Ковалентная d часть связей образуется в результате перекрытия 6 -орбиталей и 7 s-орбиталей урана и 2 p-орбиталей азота. [14] [17] N образует тройную связь с ураном, создавая линейную структуру. [15]
Динитрид урана
Сесквинитрид урана
Мононитрид урана
Производные нитридо урана
[ редактировать ]В последнее время появилось много разработок в области синтеза комплексов с концевыми связями нитрида урана (–U≡N). Помимо проблем с радиоактивностью, общих 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 других. [18] [19] Другие соединения U≡N также были синтезированы или обнаружены с различными структурными особенностями, такими как мостиковые нитридные лиганды в ди-/полиядерных соединениях, и различными степенями окисления. [20] [21]
 |  |  |
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ РБ Мэтьюз; К.М. Чидестер; К.В. Хот; Р.Э. Мейсон; Р. Л. Петти (1988). «Изготовление и испытания нитридного уранового топлива для космических энергетических реакторов». Журнал ядерных материалов . 151 (3): 345. Бибкод : 1988JNuM..151..345M . дои : 10.1016/0022-3115(88)90029-3 .
- ^ Чаудри, Хуррум Салим (2013). «Совместный анализ конструкции нового топлива с использованием ООН и UC для SCWR». Прогресс в атомной энергетике . 63 : 57–65. дои : 10.1016/j.pnucene.2012.11.001 .
- ^ Минато, Кадзуо; Акабори, Мицуо; Такано, Масахидэ; Арай, Ясуо; Накадзима, Кунихиса; Ито, Акинори; Огава, Тору (2003). «Производство нитридного топлива для трансмутации младших актинидов». Журнал ядерных материалов . 320 (1–2): 18–24. Бибкод : 2003JNuM..320...18M . дои : 10.1016/S0022-3115(03)00163-6 . ISSN 0022-3115 .
- ^ Jump up to: а б Кармак, WJ (2004). «Внутреннее гелеобразование применительно к производству космического ядерного топлива на основе нитрида урана». Материалы конференции AIP . 699 : 420–425. Бибкод : 2004AIPC..699..420C . дои : 10.1063/1.1649601 . ISSN 0094-243X .
- ^ Гангули, К.; Хегде, P.J. Sol-Gel Sci. Технол. . 1997 , 9, 285.
- ^ Сильва, GWC; Йиманс, CB; Ма, Л.; Церефис, GS; Червинский, КР; Саррелбергер, A.P. Chem. Материал. . 2008 , 20, 3076.
- ^ urn:nbn:se:kth:diva-35249: Методы производства (U-Zr)N-топлива.
- ^ Jump up to: а б Мэтьюз, РБ; Чидестер, КМ; Хот, CW; Мейсон, RE; Петти, Р.Л. Журнал ядерных материалов . ' 1988 , 151(3), 345.
- ^ Jump up to: а б Сильва, Г.В. Чинтака; Йиманс, Чарльз Б.; Саттельбергер, Альфред П.; Хартманн, Томас; Серефис, Гэри С.; Червински, Кеннет Р. (2009). «Последовательность реакций и кинетика разложения нитрида урана». Неорганическая химия . 48 (22): 10635–10642. дои : 10.1021/ic901165j . ISSN 0020-1669 . ПМИД 19845318 .
- ^ Персонал (20 ноября 2009 г.). «Hyperion запускает быстрый реактор с топливом U2N3 и Pb-Bi-охлаждаемым» . Международная организация ядерной инженерии . Global Trade Media, подразделение Progressive Media Group Ltd.
- ^ «Простой метод получения стабильной формы нитрида урана». Отчет о продвинутой керамике . Международные информационные бюллетени. 1 августа 2012 года.
[Исследователь]... Стивен Лиддл говорит: «... это могло бы помочь... извлечь и отделить 2-3% высокорадиоактивного материала из ядерных отходов».
- ^ Мизутани, А.; Сэкимото, Х. Энн. Нукл. Энергия . 2005 , 25(9), 623–638.
- ^ Jump up to: а б Рандл, RE; Бенцигер, Северная Каролина; Уилсон, А.С.; Макдональд, Р.А. Дж. Ам. Хим Соц. . 1948 , 70, 99.
- ^ Jump up to: а б с Век П.Ф., Ким Э., Балакришнан Н., Пуано Ф., Йиманс CB и Червински KR Chem. Физ. Летт. . 2007 , 443, 82. дои : 10.1016/j.cplett.2007.06.047
- ^ Jump up to: а б Ван, X.; Эндрюс, Л.; Влайсавлевич Б.; Гальярди, Л. Неорганическая химия . 2011 , 50(8), 3826–3831. дои: 10.1021/ic2003244
- ^ Мюллер, Миннесота; Нотт, HW Acta Crystallogr. . 1958 , 11, 751–752. дои: 10.1107/S0365110X58002061
- ^ Эварестов Р.А., Панин А.И., Лосев М.В. Журнал структурной химии . 2008 , 48, 125–135.
- ^ Ноктон, Г.; Пеко, Ж.; Маццанти, М. Нитридоцентрированный азидо-кластер урана, полученный из уранаАзид. Энджью. хим. Межд. Эд. 2008, 47 (16), 3040–3042. два : 10.1002/anie.200705742
- ^ Томсон, РК; Кантат, Т.; Скотт, БЛ; Моррис, Делавэр; Батиста, скорая помощь; Киплингер, Дж.Л. Фотолиз азида урана приводит к активации связи C–H и свидетельствует о наличии концевого нитрида урана. Химия природы 2010, 2 , 723–729. два : 10.1038/nchem.705
- ^ Фокс, Арканзас; Арнольд, Польша; Cummins, CC Множественная связь уран-азот: изоструктурные анионные, нейтральные и катионные комплексы нитрида урана с линейным ядром U═N═U. Дж. Ам. хим. Соц. 2010, 132 (10), 3250–3251. дои : 10.1021/ja910364u
- ^ Эванс, WJ; Козимор, С.А.; Циллер, Дж. В. Молекулярные октаурановые кольца с чередующимися нитридными и азидными мостиками. Наука 2005, 309 (5742), 1835–1838. дои : 10.1126/science.1116452
- ^ Фокс, А.; Камминс, К. Множественная связь уран-азот: случай четырехкоординационного комплекса нитридобората урана (VI). Дж. Ам. хим. Соц. , 2009, 131 (16), 5716–5717. два : 10.1021/ja8095812
- ^ Эндрю, Л.; Ван, X.; Линд, Р.; Роос, Б.; Марсден, К. Простые молекулы N≡UF 3 и P≡UF 3 с тройными связями с ураном. Энджью. хим. Межд. Эд. 2008, 47 (29), 5366-5370. два : 10.1002/anie.200801120
- ^ Кинг, Д.; Тунец, Ф.; Макиннес, Э.; Макмастер, Дж.; Льюис, В.; Блейк, А.; Лиддл, С.Т. Синтез и структура терминального комплекса нитрида урана. Наука 2012, 337 (6095) , 717–720. дои : 10.1126/science.1223488
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Новая урановая облигация в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)