stringtranslate.com

Гексафторид урана

Гексафторид урана , иногда называемый гексафторидом , является неорганическим соединением с формулой UF6 . Гексафторид урана является летучим и токсичным белым твёрдым веществом, которое реагирует с водой , выделяя едкую плавиковую кислоту . Соединение реагирует с алюминием в мягкой форме , образуя тонкий поверхностный слой AlF3 , который препятствует любой дальнейшей реакции соединения. UF6 используется в процессе обогащения урана , который производит топливо для ядерных реакторов и ядерного оружия .

Подготовка

Измельченная урановая руда — U3O8 или « желтый кек» — растворяется в азотной кислоте, давая раствор уранилнитрата UO2 ( NO3 ) 2 . Чистый уранилнитрат получается путем экстракции растворителем , затем обрабатывается аммиаком для получения диураната аммония («ADU», [NH4 ] 2U2O7 ) . Восстановление водородом дает UO2 , который преобразуется плавиковой кислотой ( HF ) в тетрафторид урана , UF4 . Окисление фтором дает UF6 .

На заводе Honeywell по переработке гексафторида урана используется другой процесс.

В процессе ядерной переработки уран реагирует с трифторидом хлора , образуя UF6 :

U + 2ClF 3 → UF 6 + Cl 2

Характеристики

Физические свойства

При атмосферном давлении UF 6 возгоняется при температуре 56,5 °C. [4]

UF 6 в стеклянной ампуле

Структура твердого тела была определена методом нейтронной дифракции при 77 К и 293 К. [5] [6]

Химические свойства

Было показано, что гексафторид урана является окислителем [9] и кислотой Льюиса , способной связываться с фторидом ; например, сообщается, что реакция фторида меди(II) с гексафторидом урана в ацетонитриле приводит к образованию гептафторураната(VI) меди(II), Cu2 + [UF−7] 2 . [10]

Полимерные фториды урана (VI), содержащие органические катионы, были выделены и охарактеризованы методом рентгеновской дифракции. [11]

Применение в топливном цикле

Фазовая диаграмма UF 6

Как одно из самых летучих соединений урана, гексафторид урана относительно удобен в обработке и используется в обоих основных методах обогащения урана , а именно в газовой диффузии и методе газового центрифуги . Поскольку тройная точка UF6 ; 64 ° C (147 °F; 337 K) и 152 кПа (22 фунта на квадратный дюйм; 1,5 атм); [12] близка к условиям окружающей среды, фазовые переходы могут быть достигнуты с небольшой термодинамической работой .

Фтор имеет только один устойчивый изотоп природного происхождения, поэтому изотопологи UF6 различаются по молекулярной массе исключительно в зависимости от присутствующего изотопа урана . [13] Это различие является основой физического разделения изотопов при обогащении .

Все остальные фториды урана — нелетучие твердые вещества, представляющие собой координационные полимеры .

Коэффициент пересчета для изотополога 238 U UF 6 («гекс») в «массу U» составляет 0,676. [14]

Газовая диффузия требует примерно в 60 раз больше энергии, чем процесс с использованием газовой центрифуги: ядерное топливо, произведенное с использованием газовой диффузии, производит в 25 раз больше энергии, чем используется в процессе диффузии, в то время как топливо, произведенное с использованием центрифуги, производит в 1500 раз больше энергии, чем используется в процессе с использованием центрифуги.

Помимо использования в обогащении, гексафторид урана использовался в передовом методе переработки ( летучесть фторида ), который был разработан в Чешской Республике . В этом процессе отработанное ядерное топливо обрабатывается газообразным фтором для преобразования оксидов или элементарных металлов в смесь фторидов. Затем эта смесь перегоняется для разделения различных классов материалов. Некоторые продукты деления образуют нелетучие фториды, которые остаются в виде твердых веществ и затем могут быть либо подготовлены для хранения в качестве ядерных отходов, либо подвергнуты дальнейшей переработке либо методами, основанными на сольватации , либо электрохимически .

Обогащение урана производит большие количества обедненного гексафторида урана (D UF 6 или D- UF 6 ) в качестве отходов. Длительное хранение D- UF 6 представляет риски для окружающей среды, здоровья и безопасности из-за его химической нестабильности. Когда UF 6 подвергается воздействию влажного воздуха, он реагирует с водой в воздухе, образуя UO 2 F 2 ( фторид уранила ) и HF ( фтористый водород ), оба из которых являются высококоррозионными и токсичными. В 2005 году 686 500 тонн D- UF 6 были размещены в 57 122 баллонах для хранения, расположенных недалеко от Портсмута, Огайо ; Ок-Риджа, Теннесси ; и Падьюки, Кентукки . [15] [16] Баллоны для хранения должны регулярно проверяться на предмет признаков коррозии и утечек. Предполагаемый срок службы стальных баллонов измеряется десятилетиями. [17]

Аварии и утилизация

В США произошло несколько аварий с гексафторидом урана, включая аварию при заполнении баллона и выброс материала на предприятии Sequoyah Fuels Corporation в 1986 году, когда, по оценкам, вытекло 29 500 фунтов газообразного UF6 . [ 18] [19] Правительство США перерабатывало D UF6 в твердые оксиды урана для утилизации. [20] Такая утилизация всего запаса D UF6 может обойтись в сумму от 15 до 450 миллионов долларов. [21]

  • Разрыв 14-тонного транспортного цилиндра UF6. 1 погибший, десятки раненых. Выброс ~29500 фунтов материала. Sequoyah Fuels Corporation, 1986 г.
    Разрыв 14-тонного транспортного цилиндра UF 6. 1 погибший, десятки раненых. Выброс ~29500 фунтов материала. Sequoyah Fuels Corporation, 1986 г.
  • Склад DUF6 издалека
    Складской двор D UF 6 издалека
  • Цилиндры DUF6: окрашенные (слева) и корродированные (справа)
    Цилиндры D UF 6 : окрашенные (слева) и корродированные (справа)

Ссылки

  1. ^ "Гексафторид урана". Архивировано из оригинала 2013-09-16 . Получено 2013-08-08 .
  2. ^ abcd Джонсон, Джеральд К. (1979). «Энтальпия образования гексафторида урана». Журнал химической термодинамики . 11 (5): 483–490. doi :10.1016/0021-9614(79)90126-5.
  3. ^ Фторид урана(VI)
  4. ^ Брикведде, Фердинанд Г.; Хоге, Гарольд Дж.; Скотт, Рассел Б. (1948). «Низкотемпературные теплоемкости, энтальпии и энтропии UF4 и UF6». J. Chem. Phys. 16 (5): 429–436. Bibcode :1948JChPh..16..429B. doi : 10.1063/1.1746914 .
  5. ^ JH Levy; John C. Taylor; Paul W. Wilson (1976). «Структура фторидов. Часть XII. Исследование нейтронной дифракции на одном кристалле гексафторида урана при 293 К». J. Chem. Soc., Dalton Trans. (3): 219–224. doi :10.1039/DT9760000219.
  6. ^ JH Levy, JC Taylor и AB Waugh (1983). "Нейтронные порошковые структурные исследования UF 6 , MoF 6 и WF 6 при 77 К". Журнал химии фтора . 23 : 29–36. doi :10.1016/S0022-1139(00)81276-2.
  7. ^ JC Taylor, PW Wilson, JW Kelly: «Структуры фторидов. I. Отклонения от идеальной симметрии в структуре кристаллического UF 6 : нейтронографический анализ», Acta Crystallogr. , 1973 , B29 , стр. 7–12; doi :10.1107/S0567740873001895.
  8. ^ Кимура, Масао; Шомакер, Вернер; Смит, Дарвин В.; Бернард (1968). «Исследование электронно-дифракционного анализа гексафторидов вольфрама, осмия, иридия, урана, нептуния и плутония». J. Chem. Phys. 48 (8): 4001–4012. Bibcode :1968JChPh..48.4001K. doi :10.1063/1.1669727. Архивировано из оригинала 2023-01-11 . Получено 2020-10-10 .
  9. ^ GH Olah; J. Welch (1978). «Синтетические методы и реакции. 46. Окисление органических соединений гексафторидом урана в растворах галогеналканов». J. Am. Chem. Soc. 100 (17): 5396–5402. doi :10.1021/ja00485a024.
  10. ^ JA Berry; RT Poole; A. Prescott; DWA Sharp; JM Winfield (1976). «Окислительные и акцепторные свойства гексафторида урана в ацетонитриле в качестве фторид-иона». J. Chem. Soc., Dalton Trans. (3): 272–274. doi :10.1039/DT9760000272.
  11. ^ SM Walker; PS Halasyamani; S. Allen; D. O'Hare (1999). "От молекул к каркасам: переменная размерность в системе UO 2 (CH 3 COO) 2 ·2H 2 O/HF(aq)/пиперазин. Синтезы, структуры и характеристика нульмерного (C 4 N 2 H 12 )UO 2 F 4 ·3H 2 O, одномерного (C 4 N 2 H 12 ) 2 U 2 F 12 ·H 2 O, двумерного (C 4 N 2 H 12 ) 2 (U 2 O 4 F 5 ) 4 ·11H 2 O и трехмерного (C 4 N 2 H 12 )U 2 O 4 F 6 ". J. Am. Chem. Soc . 121 (45): 10513–10521. doi :10.1021/ja992145f.
  12. ^ "Гексафторид урана: Источник: Приложение A PEIS (DOE/EIS-0269): Физические свойства". web.evs.anl.gov . Получено 18.08.2022 .
  13. ^ "Обогащение урана и процесс газовой диффузии". USEC Inc. Архивировано из оригинала 2007-10-19 . Получено 2007-09-24 .
  14. ^ "Конвертер единиц молярной массы калькулятор". TranslatorsCafé . Миссиссога, Онтарио, Канада: ANVICA Software Development. 1 февраля 2021 г.
  15. ^ "Сколько обедненного гексафторида урана хранится в Соединенных Штатах?". Часто задаваемые вопросы об обедненном UF 6 . Аргоннская национальная лаборатория .
  16. ^ "Программные документы по управлению истощенным UF6". Архивировано из оригинала 2008-02-16 . Получено 2006-05-17 .
  17. ^ «Что такое DUF6? Опасен ли он и что с ним делать?». Институт исследований энергетики и окружающей среды. 2007-09-24.
  18. ^ Brugge, D.; Delemos, JL; Bui, C. (2007). «Выброс топлива Sequoyah Corporation и разлив в Church Rock: нераскрытые ядерные выбросы в общинах американских индейцев». American Journal of Public Health . 97 (9): 1595–1600. doi :10.2105/AJPH.2006.103044. PMC 1963288. PMID  17666688 . 
  19. ^ "Были ли аварии, связанные с гексафторидом урана?". Часто задаваемые вопросы об обедненном UF 6. Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 2017-06-09.
  20. ^ "Что будет с гексафторидом урана, хранящимся в Соединенных Штатах?". Часто задаваемые вопросы об обедненном UF 6. Аргоннская национальная лаборатория.
  21. ^ «Существуют ли в настоящее время какие-либо действующие объекты по утилизации, которые могут принять весь обедненный оксид урана, который будет получен в результате конверсии обедненного запаса UF6 Министерства энергетики?». Часто задаваемые вопросы об обедненном UF6 . Аргоннская национальная лаборатория.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Гексафторид урана .