Nitrid uranu - Uranium nitride

Nitrid uranu[1]
La2O3structure.jpg
Jména
Název IUPAC
Nitrid uranu
Identifikátory
ChemSpider
Vlastnosti
U2N3
Molární hmotnost518,078 g / mol
Vzhledkrystalická pevná látka
Hustota11 300 kg · m−3, pevný
Bod tání 900 až 1100 ° C (1650 až 2010 ° F; 1170 až 1370 K) (rozkládá se na OSN)
Bod varuRozkládá se
0,08 g / 100 ml (20 ° C)
Struktura
Šestihranný, hP5
P-3m1, č. 164
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Nitrid uranu je někdo z několikačlenné rodiny keramické materiály: uran mononitrid (UN), uran sesquinitride (U2N3) a dinitrid uranu (OSN2). Slovo nitrid odkazuje na -3 oxidační stav dusíku vázaného na uran.

Nitrid uranu byl považován za potenciál palivo pro jaderné reaktory. Říká se, že je bezpečnější, silnější, hustší, tepelně vodivější a má vyšší teplotní toleranci. Výzvy pro implementaci paliva zahrnují komplexní konverzní trasu z obohaceného UF6, potřeba zabránit oxidaci během výroby a potřeba definovat a licencovat cestu konečné likvidace. Nutnost používat drahé, vysoce izotopově obohacené 15N je významným faktorem k překonání. To je nutné kvůli (relativně) vysokému průřezu zachycení neutronů mnohem běžnějšího 14N, což snižuje neutronovou ekonomiku a tím i účinnost reaktoru.[2]

Syntéza

Karbotermická redukce

Běžné techniky pro generování OSN jsou karbotermická redukce z oxid uranu (UO2) ve dvoustupňové metodě ilustrované níže.[3][4]

3UO2 + 6C → 2UC + UO2 + 4CO (v argonu,> 1450 ° C po dobu 10 až 20 hodin)
4UC + 2UO2 + 3N2 → 6UN + 4CO

Sol-gel

Sol-gel metody a tavení oblouku čisté uran pod dusíková atmosféra lze také použít.[5]

Ammonolýza

Další běžná technika pro generování OSN2 je amonolýza z tetrafluorid uranu. Tetrafluorid uranu je vystaven amoniak plyn pod vysokým tlakem a teplotou, který nahrazuje fluor dusíkem a vytváří se fluorovodík.[6] Fluorovodík je při této teplotě bezbarvý plyn a mísí se s plynným amoniakem.

Hydridační-nitridační

Dodatečná metoda syntézy UN využívá výrobu přímo z kovového uranu. Vystavením kovového uranu plynnému vodíku při teplotách vyšších než 280 ° C, UH3 mohou být vytvořeny.[7] Dále od UH3 má vyšší měrný objem než kovová fáze, lze hybridizaci použít k fyzickému rozložení jinak pevného uranu. Po hybridizaci, UH3 může být vystaven dusíkové atmosféře při teplotách kolem 500 ° C, čímž vytváří U2N3. Dodatečným zahřátím na teplotu nad 1150 ° C může být seschinitrid rozložen na UN.

2U + 3H2 → 2UH3
2UH3 + 1,5 N.2 → U2N3
U2N3 → UN + 0,5N2

Použití izotop 15N (který představuje přibližně 0,37% přírodního dusíku) je výhodnější, protože převažující izotop, 14N, má nezanedbatelné neutron absorpční průřez který ovlivňuje neutronovou ekonomiku a zejména prochází (n, p) reakcí, která produkuje značné množství radioaktivního 14C které by bylo třeba pečlivě zadržet a izolovat během přepracování nebo trvalého skladování.[8]

Rozklad

U každého komplexu dinitridu uranu se předpokládá, že má současně tři různé sloučeniny kvůli rozkladu dinitridu uranu (UN2) na seskvinitrid uranu (U2N3) a mononitrid uranu (OSN). Dinitridy uranu se rozkládají na mononitrid uranu následující sekvencí reakcí:[9]

4UN2 → 2U2N3+ N2
2U2N3 → 4UN + N2

Rozklad OSN2 je nejběžnější metodou izolace seskvinitridu uranu (U2N3).

Použití

Mononitrid uranu je považován za potenciální palivo pro reaktory generace IV tak jako Napájecí modul Hyperion reaktor vytvořený uživatelem Hyperion Power Generation.[10] Bylo rovněž navrženo jako jaderné palivo v některých rychlý neutron jaderné zkušební reaktory. OSN je považován za lepší kvůli své vyšší hustotě štěpení, tepelná vodivost a teplota tání než nejběžnější jaderné palivo, oxid uranu (UO2), přičemž také prokazuje nižší uvolňování plynů štěpného produktu a bobtnání a sníženou chemickou reaktivitu s obkladovými materiály.[11] Ve srovnání se standardem má také vynikající mechanickou, tepelnou a radiační stabilitu kovový uranové palivo.[9][12] Tepelná vodivost je řádově 4-8krát vyšší než tepelná vodivost oxidu uraničitého, nejčastěji používaného jaderného paliva, při typických provozních teplotách. Zvýšená tepelná vodivost má za následek nižší tepelný gradient mezi vnitřní a vnější částí paliva,[8] potenciálně umožňuje vyšší provozní teploty a snižuje makroskopické restrukturalizace paliva, která omezuje životnost paliva.[4]

Molekulární a krystalická struktura

  • Jednoduchý kubický (P)

  • Tělo-centrovaný kubický (I)

  • Tvář centrovaný kubický (F)

Příklad struktury krystalu dinitridu uranu

Dinitrid uranu (OSN2) sloučenina má a obličejově centrovaný kubický Krystalická struktura z fluorid vápenatý (CaF2) zadejte s a vesmírná skupina Fm3m.[13]Dusíkaté formy trojné vazby na každé straně uranu tvoří a lineární struktura.[14][15]

Příklad struktury krystalu sesquinitridu uranu

α- (U2N3) má tělo centrované kubické Krystalická struktura z (Mn2Ó3) zadejte s a vesmírná skupina Ia3.[13]

Příklad krystalové struktury mononitridu uranu

OSN má obličejově centrovaný kubický Krystalická struktura z NaCl typ.[14][16] The kov složka vazby používá 5f orbitální uranu, ale tvoří relativně slabou interakci, ale je důležitá pro Krystalická struktura. The kovalentní část vazeb se tvoří z překrytí mezi 6d orbitální a 7s orbitální na uranu a 2p orbitaly na dusíku.[14][17] N tvoří a trojná vazba s uranem vytváří lineární strukturu.[15]

Deriváty nitridu uranu

V poslední době došlo k mnoha vývojům v syntéze komplexů s terminálními vazbami nitridu uranu (–U≡N). Kromě radioaktivních obav, které jsou společné pro veškerou chemii uranu, byla výroba komplexů uran nitrido zpomalena drsnými reakčními podmínkami a problémy s rozpustností. V posledních několika letech však byly popsány syntézy takových komplexů, mimo jiné například tři níže.[18][19] Byly také syntetizovány nebo pozorovány další sloučeniny U≡N s různými strukturálními rysy, jako jsou přemostění nitridových ligandů v di- / polynukleárních druzích a různé oxidační stavy.[20][21]

[N (n-Bu)4] [(C.6F5)3B − N≡U (Nt-BuAr)3][22]
N≡UF3[23]
[Na (12 korun 4)2] [N≡U − N (CH2CH2Ntips)3][24]

Viz také

Reference

  1. ^ R. B. Matthews; K. M. Chidester; C. W. Hoth; R. E. Mason; R. L. Petty (1988). "Výroba a testování paliva z nitridu uranu pro kosmické energetické reaktory". Journal of Nuclear Materials. 151 (3): 345. doi:10.1016/0022-3115(88)90029-3.
  2. ^ Chaudri, Khurrum Saleem (2013). "Spojená analýza pro nový design paliva pomocí UN a UC pro SCWR". Pokrok v oblasti jaderné energie. 63: 57–65. doi:10.1016 / j.pnucene.2012.11.001.
  3. ^ Minato, Kazuo; Akabori, Mitsuo; Takano, Masahide; Arai, Yasuo; Nakajima, Kunihisa; Itoh, Akinori; Ogawa, Toru (2003). "Výroba nitridových paliv pro transmutaci menších aktinidů". Journal of Nuclear Materials. 320 (1–2): 18–24. doi:10.1016 / S0022-3115 (03) 00163-6. ISSN  0022-3115.
  4. ^ A b Carmack, W. J. (2004). „Internal Gelation as Applied to the Production of Uranium Nitride Space Nuclear Fuel“. Sborník konferencí 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. ^ Silva, G. W. C .; Yeamans, C. B .; Ma, L .; Cerefice, G. S .; Czerwinski, K. R .; Sarrelberger, A. P. Chem. Mater.. 2008, 20, 3076.
  7. ^ urn: nbn: se: kth: diva-35249: Výrobní metody pro (U-Zr) N-paliva
  8. ^ A b Matthews, R. B .; Chidester, K. M .; Hoth, C. W .; Mason, R. E .; Petty, R. L. Journal of Nuclear Materials. '1988, 151(3), 345.
  9. ^ A b Silva, G. W. Chinthaka; Yeamans, Charles B .; Sattelberger, Alfred P .; Hartmann, Thomas; Cerefice, Gary S .; Czerwinski, Kenneth R. (2009). "Reakční sekvence a kinetika rozkladu nitridu uranu". Anorganická chemie. 48 (22): 10635–10642. doi:10.1021 / ic901165j. ISSN  0020-1669.
  10. ^ Zaměstnanci (2009-11-20). „Hyperion uvádí na trh rychlý reaktor U2N3, Pb-Bi chlazený“. Nuclear Engineering International. Global Trade Media, divize společnosti Progressive Media Group Ltd.
  11. ^ "Jednoduchý způsob výroby stabilní formy nitridu uranu". Pokročilá zpráva o keramice. Mezinárodní zpravodaje. 1. srpna 2012. [Výzkumník ... Stephen Liddle, říká: „... mohlo by to pomoci ... extrahovat a oddělit 2–3% vysoce radioaktivního materiálu v jaderném odpadu.“
  12. ^ Mizutani, A .; Sekimoto, H. Ann. Nucl. Energie. 2005, 25(9), 623–638.
  13. ^ A b Rundle, R.E .; Baenziger, N. C .; Wilson, A. S .; McDonald, R. A. J. Am. Chem Soc.. 1948, 70, 99.
  14. ^ A b C Weck P. F., Kim E., Balakrishnan N., Poineau F., Yeamans C. B. a Czerwinski K. R. Chem. Phys. Lett.. 2007, 443, 82. doi:10.1016 / j.cplett.2007.06.047
  15. ^ A b Wang, X .; Andrews, L .; Vlaisavljevich, B .; Gagliardi, L. Anorganická chemie. 2011, 50 (8), 3826–3831. doi: 10.1021 / ic2003244
  16. ^ Mueller, M. H .; Knott, H. W.Acta Crystallogr.. 1958, 11, 751–752. doi: 10.1107 / S0365110X58002061]
  17. ^ Évarestov, R. A., Panin, A. I., & Losev, M. V. Journal of Structural Chemistry. 2008, 48, 125–135.
  18. ^ Nocton, G .; Pécaut, J .; Mazzanti, M. A Nitrido-Centered Uranium Azido Cluster Získané z UraniumAzide. Angew. Chem. Int. Vyd. 2008, 47 (16), 3040–3042. doi:10.1002 / anie.200705742
  19. ^ Thomson, R. K.; Cantat, T .; Scott, B.L .; Morris, D. E.; Batista, E. R .; Kiplinger, J. L. Fotolýza azidu uranu má za následek aktivaci vazby C – H a poskytuje důkazy o terminálním nitridu uranu. Přírodní chemie 2010, 2, 723–729. doi:10,1038 / nchem.705
  20. ^ Fox, A. R .; Arnold, P.L .; Cummins, C. C. Vícenásobné vázání uranu a dusíku: izostrukturní aniontové, neutrální a kationtové komplexy nitridu uranu s lineárním jádrem U═N═U. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (10), 3250–3251. doi:10.1021 / ja910364u
  21. ^ Evans, W. J .; Kozimor, S. A .; Ziller, J. W. Molekulární okta-uranové prstence se střídavými nitridovými a azidovými můstky. Věda 2005, 309 (5742), 1835–1838. doi:10.1126 / science.1116452
  22. ^ Fox, A .; Cummins, C. Vícenásobné vázání uranu a dusíku: Případ komplexu nitridoboritanu uranu (VI) se čtyřmi souřadnicemi. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (16), 5716–5717. doi:10.1021 / ja8095812
  23. ^ Andrew, L .; Wang, X .; Lindh, R .; Roos, B .; Marsden, C. Jednoduchý N≡UF3 a P≡UF3 Molekuly s trojnými vazbami na uran. Angew. Chem. Int. Vyd. 2008, 47 (29), 5366-5370. doi:10.1002 / anie.200801120
  24. ^ King, D .; Tuna, F .; McInnes, E .; McMaster, J .; Lewis, W .; Blake, A .; Liddle, S. T. Syntéza a struktura terminálního komplexu nitrid uranu. Věda 2012, 337 (6095), 717–720. doi:10.1126 / science.1223488

externí odkazy