Nitruros de uranio
Nitruro de uranio[1]
Nombres
Nombre IUPAC
Nitruro de uranio
Identificadores
  • ONU: 25658-43-9 controlarY
  • ONU 2 : 12033-83-9
Modelo 3D ( JSmol )
  • ONU: Imagen interactiva
  • ONU 2 : Imagen interactiva
  • U 2 N 3 : Imagen interactiva
Araña química
  • ONU: 105089
Identificador de centro de PubChem
  • ONU: 117595
  • InChI=1S/NU
    Clave: MVXWAZXVYXTENN-UHFFFAOYSA-N
  • ONU: U#N
  • ONU 2 : N#[U]#N
  • U 2 N 3 : N#[U]=N([U]#N)
Propiedades
Tu 2 y 3
Masa molar518,078 g/mol
Aparienciasólido cristalino
Densidad11300 kg·m −3 , sólido
Punto de fusión900 a 1100 °C (1650 a 2010 °F; 1170 a 1370 K) (se descompone en UN)
Punto de ebulliciónSe descompone
0,08 g/100 ml (20 °C)
Estructura
Hexagonal, hP5
P-3m1, n.º 164
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
controlarY verificar  ( ¿qué es   ?)controlarY☒norte
Compuesto químico

Los nitruros de uranio pertenecen a una familia de varios materiales cerámicos : mononitruro de uranio (UN), sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ) y dinitruro de uranio (UN 2 ). La palabra nitruro se refiere al estado de oxidación −3 del nitrógeno unido al uranio .

El nitruro de uranio se ha considerado como un combustible nuclear potencial y se utilizará como tal en el reactor nuclear BREST-300 que se está construyendo actualmente en Rusia. 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 a partir de UF6 enriquecido , la necesidad de prevenir la oxidación durante la fabricación y la necesidad de definir y licenciar una ruta de eliminación final. La necesidad de utilizar 15 N costoso y altamente enriquecido isotópicamente es un factor importante que hay que 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 carbotérmica

La técnica común para generar UN es la reducción carbotérmica del óxido de uranio (UO 2 ) en un método de dos pasos ilustrado 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 sol-gel y fusión por arco de uranio puro bajo atmósfera de nitrógeno . [5]

Amonolisis

Otra técnica común para generar UN 2 es la amonolisis del tetrafluoruro de uranio . El tetrafluoruro de uranio se expone al gas amoniaco a alta presión y temperatura, lo 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 UN emplea la fabricación directamente a partir de uranio metálico. Al exponer el uranio metálico a gas hidrógeno a temperaturas superiores a 280 °C, se puede formar UH3. [ 7] Además, dado que el UH3 tiene un volumen específico mayor que la fase metálica, se puede utilizar la hidruración para descomponer físicamente el uranio que de otro modo sería sólido. Después de la hidruración, el UH3 se puede exponer a una atmósfera de nitrógeno a temperaturas de alrededor de 500 °C, formando así U2N3 . Mediante un calentamiento adicional a temperaturas superiores a 1150 °C, el sesquinitruro se puede descomponer a UN.

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

El uso del isótopo 15 N (que constituye alrededor del 0,37% del nitrógeno natural) es preferible porque el isótopo predominante, 14 N, tiene una sección transversal de absorción de neutrones significativa que afecta la economía de neutrones y, en particular, sufre una reacción (n,p) que produce cantidades significativas de 14 C radiactivo que necesitaría ser cuidadosamente contenido y secuestrado 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 (UN 2 ) en sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ) y luego en mononitruro de uranio (UN). Los dinitruros de uranio se descomponen en mononitruro de uranio mediante la siguiente secuencia de reacciones: [9]

4UN2 → 2U2N3 + N2​​​
2U2N3 → 4UN + N2​

La descomposición de UN 2 es el método más común para aislar el 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 de prueba nucleares de neutrones rápidos . El UN 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 de productos de fisión e hinchamiento, 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 pequeño entre las secciones internas y externas del combustible, [8] lo que potencialmente permite temperaturas de funcionamiento más altas y reduce 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]

El UN tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras del tipo NaCl . [14] [16] El componente metálico del enlace utiliza 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] N forma un triple enlace con el uranio creando una estructura lineal. [15]

  • Dinitruro de uranio
    Dinitruro de uranio
  • Sesquinitruro de uranio
    Sesquinitruro de uranio
  • Mononitruro de uranio
    Mononitruro de uranio

Derivados del nitrilo 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 radiactivas comunes a toda la química del uranio, la producción de complejos de nitruro de uranio se ha visto ralentizada por las duras condiciones de reacción y los problemas de solubilidad. No obstante, en los últimos años se han notificado 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 U≡N con diversas características estructurales, como ligandos de nitruro puente en especies dinucleares/polinucleares y varios estados de oxidación. [20] [21]

[N( n -Bu) 4 ] [(C 6 F 5 ) 3 B−N≡U(N t -BuAr) 3 ] [22]
N≡UF3 [23 ]
[Na(12-corona-4) 2 ] [N≡U−N(CH 2 CH 2 Npuntas) 3 ] [24]

Véase también

Referencias

  1. ^ RB Matthews; KM Chidester; CW Hoth; RE Mason; RL Petty (1988). "Fabricación y prueba de combustible de nitruro de uranio para reactores de energía espacial". Journal of Nuclear Materials . 151 (3): 345. Bibcode :1988JNuM..151..345M. doi :10.1016/0022-3115(88)90029-3.
  2. ^ Chaudri, Khurrum Saleem (2013). "Análisis acoplado para el diseño de nuevos combustibles utilizando UN y UC para SCWR". Progreso en energía nuclear . 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). "Fabricación de combustibles de nitruro para la transmutación de actínidos menores". Revista de materiales nucleares . 320 (1–2): 18–24. Código Bib : 2003JNuM..320...18M. doi :10.1016/S0022-3115(03)00163-6. ISSN  0022-3115.
  4. ^ ab Carmack, WJ (2004). "Gelificación interna aplicada a la producción de combustible nuclear espacial de nitruro de uranio". Actas de la conferencia AIP . 699 : 420–425. Código Bibliográfico :2004AIPC..699..420C. doi :10.1063/1.1649601. ISSN  0094-243X.
  5. ^ Ganguly, C.; Hegde, P. J. Sol-Gel Sci. Technol. . 1997 , 9, 285.
  6. ^ Silva, GWC; Yemans, CB; Mamá, L.; Cerefice, GS; Czerwinski, KR; Sarrelberger, AP Chem. Madre. . 2008 , 20, 3076.
  7. ^ urn:nbn:se:kth:diva-35249: Métodos de fabricación de combustibles (U-Zr)N
  8. ^ ab Matthews, RB; Chidester, KM; Hoth, CW; Mason, RE; Petty, RL Revista de materiales nucleares . ' 1988 , 151(3), 345.
  9. ^ ab Silva, GW Chinthaka; Yeamans, Charles B.; Sattelberger, Alfred P.; Hartmann, Thomas; Cerefice, Gary S.; Czerwinski, Kenneth R. (2009). "Secuencia de reacción y cinética de la descomposición del nitruro de uranio". Química inorgánica . 48 (22): 10635–10642. doi :10.1021/ic901165j. ISSN  0020-1669. PMID  19845318.
  10. ^ Staff (20 de noviembre de 2009). "Hyperion lanza un reactor rápido refrigerado por bicarbonato de plomo alimentado con U2N3". Ingeniería nuclear internacional . Global Trade Media, una división de Progressive Media Group Ltd.
  11. ^ "Método simple para producir una forma estable de nitruro de uranio". Advanced Ceramics Report . Boletines internacionales. 1 de agosto de 2012. El investigador Stephen Liddle dice: "... podría ayudar... a extraer y separar el 2-3% del material altamente radiactivo en los desechos nucleares".
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  15. ^ ab Wang, X.; Andrews, L.; Vlaisavljevich, B.; Gagliardi, L. Química inorgánica . 2011 , 50(8), 3826–3831. doi:10.1021/ic2003244
  16. ^ Mueller, MH; Knott, HW Acta Crystallogr. . 1958 , 11, 751–752. doi:10.1107/S0365110X58002061
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  22. ^ Fox, A.; Cummins, C. Enlace múltiple uranio-nitrógeno: el caso de un complejo de nitridoborato de uranio(VI) de cuatro coordenadas. J. Am. Chem. Soc. , 2009, 131 (16), 5716–5717. doi :10.1021/ja8095812
  23. ^ Andrew, L.; Wang, X.; Lindh, R.; Roos, B.; Marsden, C. Moléculas simples de N≡UF3 y P≡UF3 con enlaces triples al uranio. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47 (29), 5366-5370. doi :10.1002/anie.200801120
  24. ^ King, D.; Tuna, F.; McInnes, E.; McMaster, J.; Lewis, W.; Blake, A.; Liddle, ST Síntesis y estructura de un complejo terminal de nitruro de uranio. Science 2012, 337 (6095) , 717–720. doi :10.1126/science.1223488
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