Свойства металлического урана

Уран – серебристо-белый металл, существующий в трёх кристаллических модификациях (α–модификация устойчива до 669 ^оС, β – 669‑776 ^оС, и γ – выше 774 ^оС). Плотность α‑модификации урана 19,12 г/см³ при 25 ⁰С. При 1000 ⁰С плотность (вероятно, γ-модификации) снижается до 17,67 г/см³. a-Фаза весьма примечательная структура, состоящая из волнистых слоев атомов в чрезвычайно асимметричной призматической решетке. Анизотропная структура затрудняет сплав урана с другими металлами. Только молибден и ниобий могут создавать с ураном твердофазные сплавы. Тем не менее, уран образует интерметаллиды со многими металлами (Fe, Ni, Mn, Co, Zn, Be,Hg, Sn, Cu, Pb, Al, Bi, Ce, In, Ir, P, Pt).

Уран сравнительно мягкий металл, хорошо поддается механической обработке. Теплопроводность 29 , примерно в три раза меньше, чем у нержавеющей стали, в 14 меньше, чем у меди. Уран плохой проводник электричества (сопротивление в 130 раз, больше чем у меди). Температура плавления 1135 ^оС.

Получение металлического урана. Содержание урана в земной коре 0,0003%. Уран получают в виде порошка методом химического восстановления из оксидов (UO₂, UO₃, U₃O₈) или (чаще) из тетрафторида (UF₄) кальцием или магнием. Тетрафторид урана для восстановления предпочтителен, так как температура плавления шлаков существенно ниже, чем температуры плавления оксидных шлаков: t_плавл (CaF₂) = 1330 ^oC: t_плавл (CaO) = 2572 ^oC.

UF₄ + 2Ca = U + 2CaF₂

Основные химические свойства. Уран очень реакционноспособен. На воздухе при комнатной температуре медленно покрывается сине-серой оксидной пленкой UO₂, во влажном воздухе окисление ускоряется. При нагревании до 350 ⁰С образуется окалина из смеси оксидов UO₂, U₃O₈. При температуре выше 700 ⁰С уран горит на воздухе ослепительно белым светом, выделяя много тепла, при этом образуется закись-окись U₃O₈ (октаоксид триурана). Уран в виде порошка или мелкой стружки пирофорен, поэтому механическая обработка требует специальных защитных мер.

U + O₂ ® UO₂ (на воздухе)

3U + 4O₂ → (U₂^VU^VI)O₈ (700 ^оС в кислороде)

При нагревании реагирует практически со всеми неметаллами: окисляется водородом, азотом, галогенами, серой. С углеродом уран образует карбиды UC, UC₂ и др.

U + S ® US₃, US₂, U₂S₃, U₃S₅ (500-800 ^oC)

U + 2E₂ → UE₄ (Е = F, комн.; E = Cl, 40-60^оС)

2U + 3H₂ « 2UH₃ (225 ^oC, выше 350 ^оС разлагается)

U + C ® UC (625-900 ^oC)

U + C ® UC₂ (>2400 ^oC)

U + 2E₂ → UE₄ (Е = F, комн.; E = Cl, 40-60^оС)

2U + 3H₂ « 2UH₃ (225 ^oC, выше 350 ^оС разлагается)

В ряду напряжений уран находится вблизи бериллия и алюминия. В горячей воде легко подвергается коррозии с выделением водорода и образованием гидроксида, при нагревании которого получается диоксид UO₂. Водород ускоряет коррозию вследствие образования гидрида UH₃. В кипящей воде (100 ⁰С) скорость коррозии достигает 2,7 мг/см²·ч. Водяной пар реагирует с ураном при 150 ⁰С, при этом получаются диоксид и гидроксид урана, а при более высокой температуре – только оксиды и водород. Это причина газового распухания урана.

U + 2H₂O → UO₂ + 2H₂ (+примесь UH₃) (150-200 ^oC)

Уран быстро растворяется в соляной и азотной кислотах, медленно – серной, фосфорной, фтористоводородной.

U + 4HCl → UCl₄ + 2H₂ (+примесь UCl₃)

4U + 14HNO_3(разб) → 4UO₂(NO₃)₂ + 3N₂O + 7H₂O

Уран устойчив по отношению к щелочам, окисляется пероксидом водорода в щелочной среде.

U + 4H₂O_2(конц) → U(OH)₄ (в конц. NaOH)

Уран относительно устойчив в атмосфере СО₂, что позволило применять этот газ в качестве теплоносителя в газографитных реакторах, где топливом служит природный металлический уран. Однако оксид и диоксид углерода реагируют с ураном при температурах выше 400 ^оС с образованием карбидов и оксидов урана. Порошкообразный уран реагирует с аммиаком при 400 ^оС с образованием нитрида.

В Лос-Аламосской национальной лаборатории использовали УФ фотолиз азида урана UN₃ для получения нитрида UN (2012 г.). Впервые удалось получить устойчивый нитрид урана, где атом азота связан только с одним атомом урана. В предыдущих работах получались смеси нитрилов урана: UN, U₂N₃, UN₂. В отличие от других способов производства, фотолиз позволяет изготавливать чистый нитрид урана с заданными свойствами. Нитрид урана представляет собой термостойкую керамику с неплохой теплопроводностью, что позволяет использовать его в новых высокоэффективных ядерных реакторах.

Сплавы и интерметаллиды урана по своим физико-химическим и механическим свойствам зачастую превосходят металлический уран. Некоторые из них (с Be, Mg, Zr, Al) используют в композициях ядерного топлива. Легирование урана указанными металлами, а также Si и Мо позволяет повысить коррозионную стойкость.

Ныне на всех строящихся и эксплуатируемых АЭС с легководными и тяжеловодными реакторами металлический уран не применяется. Используется преимущественно керамическое (оксидное) топливо. Причина этого перехода – в недопустимости контакта металлического урана с водой, что может произойти в случае разгерметизации твэлов, а также в изменении размеров уранового топлива при облучении, особенно в условиях большой глубины выгорания, больших интегральных потоков нейтронов и высоких температур.

При температуре более 300 ⁰С (температура 1-го контура реакторов ВВЭР по давлением 160 атм) скорость коррозии урана в воде примерно 9 г/(см²·ч), поэтому взаимодействие металлического урана с горячей водой при потере герметичности твэла приведет к быстрому окислению и распространению урана и продуктов его деления в контур теплоносителя.

Микротрещины в твэлах могут возникать по нескольким причинам. В условиях эксплуатации происходит изменение размеров твэлов из-за радиационного роста и распухания. Обычно различают три области радиационных повреждений металлического урана:

1) область радиационного роста и радиационно-ускоренной ползучести – при температурах до 500 ⁰С;

2) область кавитационного (катастрофического) распухания – 370–520 ⁰С;

3) область газового распухания – выше 500 ⁰С.

Радиационный рост металлического урана обусловлен анизотропным изменением радиусов отдельных зерен урана в процессе облучения и возникающими при этом напряжении. Анизотропия свойств урана зависит от метода обработки.

Кавитационное распухание заключается в образовании пор неправильной формы и наблюдается при температурах, когда еще сохраняются напряжения радиационного роста.

Газовое распухание обусловлено выделением газообразных продуктов деления и ростом пузырьков инертных газов (гелия, криптона и др.).

Однако следует отметить преимущества металлического топлива:

- высокая теплопроводность (сравнительно с урановой керамикой);

- большая плотность (плотность урана – 18,7 г/см³, диоксида – 10,96 г/см³);

- лучший нейтронный баланс и, следовательно, меньший расход урана;

- возможность получения высокой плотности энерговыделения и, следовательно, уменьшение размеров АЗ;

- простота и сравнительно невысокая стоимость изготовления топлива;

- достижение более высоких коэффициентов воспроизводства, особенно в реакторах БН.

При прямой замене оксидного уранового топлива металлическим, по оценкам фирмы «Вестингауз Электрик» для реактора PWR электрической мощностью 1 ГВт стоимость изготовления топлива снизится в ~ 3 раза, а стоимость переработки в 1,5 раза. Необходимое обогащение по урану-235 составит 1,8 % вместо 3,3 %. Наибольший эффект ожидается в тяжеловодных реакторах и БН. Поэтому в последнее время в ряде стран активно ведутся исследования по разработке металлического топлива на основе урана и целого ряда легирующих добавок (Mo, Zr, Si, Fe, Al и др.) с целью увеличения его коррозионной стойкости, снижению расходования и т.д.

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 777; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!