Диоксид урана
 | |
| Имена | |
|---|---|
| ИЮПАК имена Диоксид урана Оксид урана(IV) | |
| Другие имена Урания оксид урана | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ХимическийПаук | |
| Информационная карта ECHA | 100.014.273 |
| Номер ЕС |
|
ПабХим CID | |
| номер РТЭКС |
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| УО 2 | |
| Молярная масса | 270.03 g/mol |
| Появление | черный порох |
| Плотность | 10,97 г/см 3 |
| Температура плавления | 2865 ° C (5189 ° F; 3138 К) |
| нерастворимый | |
| Структура | |
| Флюорит (кубический), cF12 | |
| Фм 3 м, нет. 225 | |
а = 547,1 вечера [1] | |
| Тетраэдрический (О 2− ); кубический (U IV ) | |
| Термохимия | |
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 78 Дж·моль −1 ·К −1 [2] |
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | −1084 кДж·моль −1 [2] |
| Опасности | |
| СГС Маркировка : | |
   | |
| Опасность | |
| Х300 , Х330 , Х373 , Х410 | |
| P260 , P264 , P270 , P271 , P273 , P284 , P301+P310 , P304+P340 , P310 , P314 , P320 , P321 , P330 , P391 , P403+P233 , P405 , P501 | |
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |
| точка возгорания | Н/Д |
| Паспорт безопасности (SDS) | КМГС 1251 |
| Родственные соединения | |
Другие анионы | Сульфид урана(IV) Селенид урана(IV) |
Другие катионы | Оксид протактиния(IV) Оксид нептуния(IV) |
| Ококсид триурана Триоксид урана | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Диоксид урана или оксид урана (IV) ( UO 2 ) , также известный как уран или оксид урана , представляет собой оксид урана порошок , и представляет собой черный радиоактивный кристаллический который в природе встречается в минерале уранинит . Он используется в ядерных топливных стержнях ядерных реакторов . смесь диоксидов урана и плутония используется В качестве МОКС-топлива . До 1960 года он использовался в качестве желтого и черного цвета в керамической глазури и стекле.
Производство
[ редактировать ]урана получают восстановлением триоксида урана водородом Диоксид .
- UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O при 700 °С (973 К)
Эта реакция играет важную роль в создании ядерного топлива посредством ядерной переработки и обогащения урана .
Химия
[ редактировать ]Структура
[ редактировать ]Твердое тело изоструктурно ) (имеет ту же структуру флюориту ( фториду кальция ), где каждый U окружен восемью ближайшими соседями O в кубическом расположении. диоксиды церия , тория и трансурановые элементы от нептуния до калифорния . Кроме того, такую же структуру имеют [3] Никакие другие диоксиды элементов не имеют структуры флюорита. При плавлении измеренная средняя координация UO снижается от 8 в кристаллическом твердом теле (кубики UO 8 ) до 6,7±0,5 (при 3270 К) в расплаве. [4] Модели, согласующиеся с этими измерениями, показывают, что расплав состоит в основном из полиэдрических единиц UO 6 и UO 7 , где примерно 2/3 углам и связей между многогранниками являются общими по 1 ⁄ 3 — это разделение ребер. [4]
Диоксид урана
Спеченная таблетка диоксида урана
Окисление
[ редактировать ]Диоксид урана окисляется при контакте с кислородом до октаоксида урана .
- 3 UO 2 + O 2 → U 3 O 8 при 700 °С (973 К)
Электрохимия гальваническая диоксида урана была подробно исследована, поскольку коррозия диоксида урана контролирует скорость растворения отработанного ядерного топлива . см. в разделе «Отработанное ядерное топливо» Более подробную информацию . Вода увеличивает скорость окисления металлов плутония и урана. [5] [6]
Карбонизация
[ редактировать ]Диоксид урана карбонизуется при контакте с углеродом , образуя карбид урана и окись углерода .
- .
Этот процесс необходимо проводить в среде инертного газа , поскольку карбид урана легко окисляется обратно в оксид урана .
Использование
[ редактировать ]Ядерное топливо
[ редактировать ]UO 2 используется главным образом в качестве ядерного топлива , в частности, как UO 2 или как смесь UO 2 и PuO 2 ( диоксид плутония ), называемая смешанным оксидом ( МОХ-топливо ), в виде твэлов в ядерных реакторах .
Теплопроводность диоксида урана очень низкая по сравнению с ураном , нитридом урана , карбидом урана и циркониевым плакирующим материалом. Такая низкая теплопроводность может привести к локальному перегреву в центрах топливных таблеток. На графике ниже показаны различные температурные градиенты в различных топливных смесях. Для этих видов топлива плотность тепловой мощности одинакова, а диаметр всех гранул одинаковый. [ нужна ссылка ]
Топливные таблетки оксида урана
Контейнеры с исходным материалом для производства топливных таблеток диоксида урана на заводе в России
Цвет для стеклокерамической глазури
[ редактировать ]Оксид урана (урания) использовался для окраски 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 коммерческое использование обедненного урана, и его использование снова началось в более ограниченных масштабах. Керамические глазури на основе урана имеют темно-зеленый или черный цвет при восстановительном обжиге или при UO 2 использовании ; чаще всего его используют при окислении для получения ярко-желтой, оранжевой и красной глазури. [7] оранжевого цвета Fiestaware — известный пример продукта с глазурью цвета урана. Урановое стекло имеет цвет от бледно-зеленого до желтого и часто обладает сильными флуоресцентными свойствами. Урания также использовалась в рецептурах эмали и фарфора . можно определить С помощью счетчика Гейгера , содержит ли глазурь или стекло, изготовленные до 1958 года, уран.
Другое использование
[ редактировать ]До осознания вреда радиации уран включался в вставные зубы и зубные протезы, поскольку его легкая флуоресценция делала протезы более похожими на настоящие зубы в различных условиях освещения. [ нужна ссылка ]
Обедненный UO 2 (ДУО 2 ) может быть использован в качестве материала для радиационной защиты . Например, DUCRETE представляет собой материал «тяжелого бетона », в котором гравий заменен заполнителем диоксида урана; этот материал исследуется на предмет использования в контейнерах для радиоактивных отходов . Корпуса также могут быть изготовлены из ДУО 2 — стального кермета — композиционного материала , состоящего из совокупности диоксида урана, служащего радиационной защитой, графита и/или карбида кремния, служащего поглотителем и замедлителем нейтронного излучения , и стали в качестве матрицы, обладающей высокой термической стойкостью. проводимость позволяет легко отводить остаточное тепло. [ нужна ссылка ]
обедненного урана также можно использовать в качестве катализатора , например, для разложения летучих органических соединений в газовой фазе, окисления метана Диоксид в метанол и удаления серы из нефти . Он обладает высокой эффективностью и долгосрочной стабильностью при использовании для уничтожения летучих органических соединений 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 в качестве уранового компонента предпочтение отдается обеднённому урану из-за его низкой радиоактивности. [8]
возможность использования диоксида урана в качестве материала для аккумуляторных батарей Исследуется . Батареи могли бы иметь высокую плотность мощности и потенциал 4,7 В на ячейку. Другое исследованное применение - фотоэлектрохимические элементы для производства водорода с помощью солнечной энергии, где UO 2 используется в качестве фотоанода . Раньше диоксид урана также использовался в качестве теплопроводника для ограничения тока (URDOX-резистор), что было первым применением его полупроводниковых свойств. [ нужна ссылка ]
Диоксид урана проявляет сильный пьезомагнетизм в антиферромагнитном состоянии, наблюдаемый при криогенных температурах ниже К. 30 Соответственно, линейная магнитострикция, обнаруженная в UO 2, меняет знак в зависимости от приложенного магнитного поля и демонстрирует феномен магнитоупругого переключения памяти при рекордно высоких полях переключения 180 000 Э. [9] Микроскопическая природа магнитных свойств материала лежит в симметрии гранецентрированной кубической кристаллической решетки атомов урана и ее реакции на приложенные магнитные поля. [10]
Полупроводниковые свойства
[ редактировать ]Ширина запрещенной зоны диоксида урана сопоставима с шириной запрещенной зоны и диоксида урана находится рядом с оптимальным соотношением эффективности и кривой запрещенной зоны для поглощения солнечного излучения, что позволяет предположить его возможное использование для очень эффективных солнечных элементов на основе Шоттки диодной структуры ; он также поглощает волны пяти различных длин волн, включая инфракрасные, что еще больше повышает его эффективность. Его собственная проводимость при комнатной температуре примерно такая же, как у монокристаллического кремния. [11]
Диэлектрическая проницаемость диоксида урана составляет около 22, что почти в два раза выше, чем у кремния (11,2) и GaAs (14,1). Это преимущество перед Si и GaAs при построении интегральных схем , поскольку оно может обеспечить более высокую плотность интеграции с более высокими напряжениями пробоя и меньшей восприимчивостью к пробою КМОП туннельному .
Коэффициент Зеебека диоксида урана при комнатной температуре составляет около 750 мкВ/К, что значительно выше, чем 270 мкВ/К теллурида таллия-олова (Tl 2 SnTe 5 ) и теллурида таллия-германия (Tl 2 GeTe 5 ) и висмута . сплавы теллура , другие материалы, перспективные для в термоэлектрической энергетике применения , и элементы Пельтье .
радиоактивного распада Влияние 235 У и 238 Полупроводниковые свойства U не измерялись по состоянию на 2005 г. [update]. Из-за медленной 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 СБИС чипов использование обедненного оксида урана . По этой причине необходимо . Захват альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде в виде атомов гелия в кристаллической решетке, также может вызывать постепенные долговременные изменения ее свойств. [ нужна ссылка ]
Стехиометрия . материала существенно влияет на его электрические свойства Например, электропроводность UO 1,994 при более высоких температурах на порядки ниже, чем проводимость UO 2,001. [ нужна ссылка ] .
Диоксид урана, как и U 3 O 8 , представляет собой керамический материал, способный выдерживать высокие температуры (около 2300 °C по сравнению с максимальными 200 °C для кремния или GaAs), что делает его пригодным для высокотемпературных применений, таких как термофотоэлектрические устройства.
Диоксид урана также устойчив к радиационному повреждению, что делает его полезным для радиационно-стойких устройств специального военного и аэрокосмического применения.
диод Шоттки из U 3 O 8 и pnp-транзистор из UO 2 . В лаборатории успешно изготовлены [12]
Токсичность
[ редактировать ]Известно, что диоксид урана поглощается путем фагоцитоза в легких. [13]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лейндерс, Грегори; Кардинаэлс, Томас; Биннеманс, Коэн; Верверфт, Марк (2015). «Точные измерения параметров решетки стехиометрического диоксида урана» . Журнал ядерных материалов . 459 : 135–42. Бибкод : 2015JNuM..459..135L . дои : 10.1016/j.jnucmat.2015.01.029 . S2CID 97183844 .
- ^ Jump up to: а б Зумдал, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Хоутон Миффлин. п. А23. ISBN 978-0-618-94690-7 .
- ^ Пети, Л.; Свейн, А.; Сотек, З.; Теммерман, ВМ; Акции, GM (07.01.2010). «Электронная структура и ионность оксидов актинидов из первых принципов» . Физический обзор B . 81 (4): 045108. arXiv : 0908.1806 . Бибкод : 2010PhRvB..81d5108P . дои : 10.1103/PhysRevB.81.045108 . S2CID 118365366 .
- ^ Jump up to: а б Скиннер, LB; Бенмор, CJ; Вебер, JKR; Уильямсон, Массачусетс; Тамалонис, А.; Хебден, А.; Винчек, Т.; Олдерман, ОЛГ; Гатри, М.; Лейбовиц, Л.; Париз, Дж. Б. (2014). «Структура и динамика расплавленного диоксида урана» . Наука . 346 (6212): 984–7. Бибкод : 2014Sci...346..984S . дои : 10.1126/science.1259709 . ОСТИ 1174101 . ПМИД 25414311 . S2CID 206561628 .
- ^ Хашке, Джон М; Аллен, Томас Х; Моралес, Луис А. (1999). «Реакции диоксида плутония с водой и кислородно-водородными смесями: механизмы коррозии урана и плутония» (PDF) . дои : 10.2172/756904 . Проверено 6 июня 2009 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Хашке, Джон М; Аллен, Томас Х; 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. дои : 10.1016/S0925-8388(00)01222-6 .
- ^ Ортель, Стефан. Уран в керамике. История-технологии-производитель .
- ^ 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. Бибкод : 1996Natur.384..341H . дои : 10.1038/384341a0 . S2CID 4299921 .
- ^ Хайме, Марсело; Саул, Андрес; Саламон, Майрон Б.; Цапф, Вивьен; Харрисон, Нил; Дуракевич, Томаш; Лэшли, Джейсон С.; Андерссон, Дэвид А.; Станек, Кристофер Р.; Смит, Джеймс Л.; Гофрик, Крыштоф (2017). «Пьезомагнетизм и магнитоупругая память в диоксиде урана» . Природные коммуникации . 8 (1): 99. Бибкод : 2017NatCo...8...99J . дои : 10.1038/s41467-017-00096-4 . ПМЦ 5524652 . ПМИД 28740123 .
- ^ Антонио, Дэниел Дж.; Вайс, Джоэл Т.; Шанкс, Кэтрин С.; Рафф, Джейкоб ПК; Хайме, Марсело; Саул, Андрес; Суинберн, Томас; Саламон, Майрон Б.; Лавина, Барбара; Кури, Дэниел; Грюнер, Сол М.; Андерссон, Дэвид А.; Станек, Кристофер Р.; Дуракевич, Томаш; Смит, Джеймс Л.; Ислам, Захир; Гофрик, Крыштоф (2021). «Пьезомагнитное переключение и сложные фазовые равновесия в диоксиде урана». Коммуникационные материалы . 2 (1): 17. arXiv : 2104.06340 . Бибкод : 2021CoMat...2...17A . дои : 10.1038/s43246-021-00121-6 . S2CID 231812027 .
- ^ Ан, Юн Кью; Тейлор, Антуанетта Дж .; Конрадсон, Стивен Д.; Тругман, Стюарт А.; Дуракевич, Томаш; Родригес, Джордж (2011). «Сверхбыстрая прыжковая динамика 5 f- электронов в изоляторе Мотта UO 2, изученная методом фемтосекундной спектроскопии накачки-зонда». Письма о физических отзывах . 106 (20): 207402. Бибкод : 2011PhRvL.106t7402A . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.207402 . ПМИД 21668262 .
- ^ Мик, Томас Т.; фон Рёдерн, Б. (2008). «Полупроводниковые приборы из оксидов актинидов». Вакуум . 83 (1): 226–8. Бибкод : 2008Вакуу..83..226М . дои : 10.1016/j.vacuum.2008.04.005 .
- ^ Принципы биохимической токсикологии. Тимбрелл, Джон. ПА 2008 ISBN 0-8493-7302-6 [ нужна страница ]
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Барретт, ЮАР; Джейкобсон, AJ; Тофилд, Британская Колумбия; Фендер, БЭФ (1982). «Получение и строение оксида бария-урана BaUO3+x». Acta Crystallographica Раздел B. 38 (11): 2775. Бибкод : 1982AcCrB..38.2775B . дои : 10.1107/S0567740882009935 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Полупроводниковые свойства оксидов урана. Архивировано 1 сентября 2012 г. на Wayback Machine.
- Список диоксида урана в бесплатном словаре
- Диоксид урана. Архивировано 16 сентября 2013 г. в Wayback Machine International Bio-Analytical Industries, Inc.