El nitruro de uranio pertenece a una familia de varios materiales cerámicos : mononitruro de uranio (ONU), sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ) y dinitruro de uranio (ONU 2 ). La palabra nitruro se refiere al estado de oxidación -3 del nitrógeno unido al uranio .
Nombres | |
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Nombre IUPAC Nitruro de uranio | |
Identificadores | |
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ChemSpider | |
PubChem CID | |
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Propiedades | |
U 2 N 3 | |
Masa molar | 518.078 g / mol |
Apariencia | solido cristalino |
Densidad | 11300 kg · m −3 , sólido |
Punto de fusion | 900 a 1,100 ° C (1,650 a 2,010 ° F; 1,170 a 1,370 K) (se descompone en UN) |
Punto de ebullición | Se descompone |
0,08 g / 100 ml (20 ° C) | |
Estructura | |
Hexagonal, HP5 | |
P-3m1, No. 164 | |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
El nitruro de uranio se ha considerado un combustible potencial para reactores nucleares. Se dice que es más seguro, más fuerte, más denso, más conductor térmico y tiene una mayor tolerancia a la temperatura. Los desafíos para la implementación del combustible incluyen una ruta de conversión compleja de UF 6 enriquecido , la necesidad de prevenir la oxidación durante la fabricación y la necesidad de definir y autorizar una ruta de disposición final. La necesidad de utilizar 15 N caro y altamente isotópicamente enriquecido es un factor importante a superar. Esto es necesario debido a la sección transversal de captura de neutrones (relativamente) alta del 14 N mucho más común , que afecta la economía de neutrones de un reactor. [2]
Síntesis
Reducción carbotermica
La técnica común para generar UN es la reducción carbotérmica de óxido de uranio (UO 2 ) en un método de 2 pasos que se ilustra a continuación. [3] [4]
- 3UO 2 + 6C → 2UC + UO 2 + 4CO (en argón,> 1450 ° C durante 10 a 20 horas)
- 4UC + 2UO 2 + 3N 2 → 6UN + 4CO
Sol-gel
También se pueden utilizar métodos de sol-gel y fusión por arco de uranio puro en atmósfera de nitrógeno . [5]
Amonolisis
Otra técnica común para generar UN 2 es la amonólisis del tetrafluoruro de uranio . El tetrafluoruro de uranio se expone al gas amoniaco a alta presión y temperatura, que reemplaza el flúor con nitrógeno y genera fluoruro de hidrógeno . [6] El fluoruro de hidrógeno es un gas incoloro a esta temperatura y se mezcla con el gas amoniaco.
Hidruración-nitruración
Un método adicional de síntesis de la ONU emplea la fabricación directamente a partir de uranio metálico. Al exponer uranio metálico a hidrógeno gaseoso a temperaturas superiores a 280 ° C, se puede formar UH 3 . [7] Además, dado que el UH 3 tiene un volumen específico más alto que la fase metálica, la hibridación se puede utilizar para descomponer físicamente el uranio que de otro modo sería sólido. Después de la hibridación, el UH 3 puede exponerse a una atmósfera de nitrógeno a temperaturas de alrededor de 500 ° C, formando así U 2 N 3 . Mediante calentamiento adicional a temperaturas superiores a 1150 ° C, la sesquinitrida se puede descomponer en ONU.
- 2U + 3H 2 → 2UH 3
- 2UH 3 + 1.5N 2 → U 2 N 3
- U 2 N 3 → UN + 0,5 N 2
Es preferible el uso del isótopo 15 N (que constituye alrededor del 0,37% del nitrógeno natural) porque el isótopo predominante, 14 N, tiene una sección transversal de absorción de neutrones no insignificante que afecta la economía de neutrones y, en particular, sufre una (n, p ) reacción que produce cantidades significativas de 14 C radiactivo que deberían ser cuidadosamente contenidas y secuestradas durante el reprocesamiento o el almacenamiento permanente. [8]
Descomposición
Se considera que cada complejo de dinitruro de uranio tiene tres compuestos distintos presentes simultáneamente debido a la descomposición del dinitruro de uranio (ONU 2 ) en sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ) y el mononitruro de uranio (ONU). Los dinitruros de uranio se descomponen en mononitruro de uranio mediante la siguiente secuencia de reacciones: [9]
- 4UN 2 → 2U 2 N 3 + N 2
- 2U 2 N 3 → 4UN + N 2
La descomposición de ONU 2 es el método más común para aislar sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ).
Usos
El mononitruro de uranio se está considerando como un combustible potencial para reactores de generación IV , como el reactor Hyperion Power Module creado por Hyperion Power Generation . [10] También se ha propuesto como combustible nuclear en algunos reactores nucleares de prueba de neutrones rápidos. La ONU se considera superior debido a su mayor densidad fisionable, conductividad térmica y temperatura de fusión que el combustible nuclear más común, el óxido de uranio (UO 2 ), al tiempo que demuestra una menor liberación de gases e hinchamiento de productos de fisión, y una menor reactividad química con los materiales de revestimiento. [11] También tiene una estabilidad mecánica, térmica y de radiación superior en comparación con el combustible de uranio metálico estándar . [9] [12] La conductividad térmica es del orden de 4 a 8 veces mayor que la del dióxido de uranio, el combustible nuclear más comúnmente utilizado, a temperaturas de funcionamiento típicas. El aumento de la conductividad térmica da como resultado un gradiente térmico más bajo entre las secciones interna y externa del combustible, [8] permitiendo potencialmente temperaturas de operación más altas y reduciendo la reestructuración macroscópica del combustible, lo que limita la vida útil del combustible. [4]
Estructura molecular y cristalina
El compuesto de dinitruro de uranio (UN 2 ) tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras del tipo fluoruro de calcio (CaF 2 ) con un grupo espacial de Fm 3 m. [13] El nitrógeno forma enlaces triples en cada lado del uranio formando una estructura lineal . [14] [15]
α- (U 2 N 3 ) tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo del tipo (Mn 2 O 3 ) con un grupo espacial de Ia 3 . [13]
UN tiene una estructura cristalina cúbica centrada en la cara del tipo NaCl . [14] [16] El componente metálico del enlace usa el orbital 5 f del uranio pero forma una interacción relativamente débil pero es importante para la estructura cristalina . La porción covalente de los enlaces se forma a partir de la superposición entre el orbital 6 d y el orbital 7 s en el uranio y los orbitales 2 p en el nitrógeno. [14] [17] El N forma un triple enlace con el uranio creando una estructura lineal. [15]
Dinitruro de uranio
Sesquinitruro de uranio
Mononitruro de uranio
Derivados de nitrido de uranio
Recientemente, ha habido muchos avances en la síntesis de complejos con enlaces terminales de nitruro de uranio (–U≡N). Además de las preocupaciones radioactivas comunes a toda la química del uranio, la producción de complejos de nitrido de uranio se ha visto frenada por las duras condiciones de reacción y los desafíos de solubilidad. No obstante, en los últimos años se ha informado de síntesis de dichos complejos, por ejemplo, los tres que se muestran a continuación, entre otros. [18] [19] También se han sintetizado u observado otros compuestos de U≡N con varias características estructurales, como ligandos de nitruro puente en especies di- / polinucleares y varios estados de oxidación. [20] [21]
Ver también
- Carburo de uranio
- Óxido de uranio
- Ciclo del combustible nuclear
- Reactor nuclear
- Lista de densidades de energía
Referencias
- ^ RB Matthews; KM Chidester; CW Hoth; RE Mason; RL Petty (1988). "Fabricación y ensayo de combustible de nitruro de uranio para reactores espaciales de energía". Revista de materiales nucleares . 151 (3): 345. doi : 10.1016 / 0022-3115 (88) 90029-3 .
- ^ Chaudri, Khurrum Saleem (2013). "Análisis acoplado para el diseño de nuevos combustibles utilizando UN y UC para SCWR". Avances en energía nuclear . 63 : 57–65. doi : 10.1016 / j.pnucene.2012.11.001 .
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enlaces externos
- Nuevo enlace de uranio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)