Диоксид тория (ThO 2 ), также называемый оксидом тория (IV) , представляет собой кристаллическое твердое вещество, часто белого или желтого цвета. Также известный как торий , он в основном является побочным продуктом производства лантаноидов и урана . [4] Торианит — это название минералогической формы диоксида тория . Он умеренно редок и кристаллизуется в изометрической системе. Температура плавления оксида тория составляет 3300 °C — самая высокая из всех известных оксидов. Только несколько элементов (включая вольфрам и углерод ) и несколько соединений (включая карбид тантала ) имеют более высокие температуры плавления. [6] Все соединения тория, включая диоксид, радиоактивны, поскольку у тория нет стабильных изотопов .
Thoria существует в виде двух полиморфных модификаций. Одна из них имеет кристаллическую структуру флюорита . Это необычно для бинарных диоксидов. (Другие бинарные оксиды со структурой флюорита включают диоксид церия , диоксид урана и диоксид плутония .) [ необходимо разъяснение ] Ширина запрещенной зоны тория составляет около 6 эВ . Также известна тетрагональная форма тория.
Диоксид тория более стабилен, чем монооксид тория (ThO). [7] Только при тщательном контроле условий реакции окисление металлического тория может дать монооксид, а не диоксид. При чрезвычайно высоких температурах диоксид может превратиться в монооксид либо путем реакции диспропорционирования (равновесие с жидким металлическим торием) выше 1850 К (1580 °C; 2870 °F), либо путем простой диссоциации (выделение кислорода) выше 2500 К (2230 °C; 4040 °F). [8]
Диоксид тория (Thoria) может использоваться в ядерных реакторах в качестве керамических топливных таблеток, обычно содержащихся в ядерных топливных стержнях, покрытых сплавами циркония. Торий не является расщепляющимся (но является «фертильным», производя расщепляющийся уран-233 под действием нейтронной бомбардировки); следовательно, его следует использовать в качестве топлива для ядерного реактора в сочетании с расщепляющимися изотопами урана или плутония. Этого можно достичь путем смешивания тория с ураном или плутонием или использования его в чистом виде в сочетании с отдельными топливными стержнями, содержащими уран или плутоний. Диоксид тория имеет преимущества по сравнению с обычными топливными таблетками из диоксида урана из-за его более высокой теплопроводности (более низкой рабочей температуры), значительно более высокой температуры плавления и химической стабильности (не окисляется в присутствии воды/кислорода, в отличие от диоксида урана).
Диоксид тория может быть превращен в ядерное топливо путем его разведения в уран-233 (см. ниже и обратитесь к статье о тории для получения дополнительной информации об этом). Высокая термическая стабильность диоксида тория позволяет применять его в пламенном напылении и высокотемпературной керамике.
Диоксид тория используется в качестве стабилизатора в вольфрамовых электродах при сварке TIG , электронных лампах и авиационных газотурбинных двигателях. В качестве сплава торированный вольфрамовый металл нелегко деформируется, поскольку высокоплавкий материал торий усиливает высокотемпературные механические свойства, а торий помогает стимулировать эмиссию электронов ( термионов ). Это самая популярная оксидная добавка из-за ее низкой стоимости, но ее постепенно заменяют нерадиоактивными элементами, такими как церий , лантан и цирконий .
Никель, диспергированный торием, находит применение в различных высокотемпературных операциях, таких как двигатели внутреннего сгорания, поскольку он является хорошим материалом, устойчивым к ползучести. Его также можно использовать для улавливания водорода. [9] [10] [11] [12] [13]
Диоксид тория не имеет почти никакой ценности как коммерческий катализатор, но такие применения были хорошо исследованы. Он является катализатором в синтезе большого кольца Ружички . Другие приложения, которые были исследованы, включают крекинг нефти , превращение аммиака в азотную кислоту и получение серной кислоты . [14]
Диоксид тория был основным ингредиентом торотраста , некогда распространенного рентгеноконтрастного вещества, используемого для церебральной ангиографии , однако он вызывает редкую форму рака ( ангиосаркому печени ) через много лет после введения. [15] Это использование было заменено инъекционным йодом или пероральной суспензией сульфата бария в качестве стандартных рентгеноконтрастных веществ.
Другим важным применением в прошлом была газовая калильная сетка фонарей, разработанная Карлом Ауэром фон Вельсбахом в 1890 году, которая состояла из 99% ThO 2 и 1% оксида церия (IV) . Даже в конце 1980-х годов было подсчитано, что около половины всего произведенного ThO 2 (несколько сотен тонн в год) использовалось для этой цели. [16] В некоторых калильных сетках по-прежнему используется торий, но оксид иттрия (или иногда оксид циркония ) все чаще используется в качестве замены.
При добавлении в стекло диоксид тория помогает увеличить его показатель преломления и уменьшить дисперсию . Такое стекло находит применение в высококачественных линзах для камер и научных приборов. [17] Излучение от этих линз может затемнить их и сделать желтыми в течение нескольких лет и ухудшить качество пленки, но риски для здоровья минимальны. [18] Пожелтевшие линзы можно восстановить до их первоначального бесцветного состояния путем длительного воздействия интенсивного ультрафиолетового излучения. С тех пор диоксид тория был заменен оксидами редкоземельных элементов, такими как оксид лантана, почти во всех современных стеклах с высоким индексом, поскольку они обеспечивают аналогичные эффекты и не являются радиоактивными. [19]