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| 名前 | |
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| IUPAC名
窒化ウラン
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| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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パブケム CID
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| プロパティ | |
| う2う3 | |
| モル質量 | 518.078 グラム/モル |
| 外観 | 結晶固体 |
| 密度 | 11300 kg·m −3、固体 |
| 融点 | 900～1,100 °C (1,650～2,010 °F; 1,170～1,370 K) (UNに分解) |
| 沸点 | 分解する |
| 0.08 g/100 ml (20 °C) | |
| 構造 | |
| 六角形、hP5 | |
| P-3m1、No.164 | |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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窒化ウランは、一窒化ウラン(UN)、三窒化ウラン (U 2 N 3 )、二窒化ウラン (UN 2 ) など、いくつかのセラミック材料のグループのいずれかです。窒化物という言葉は、ウランに結合した窒素の-3酸化状態を指します。
窒化ウランは核燃料として有望視されており、現在ロシアで建設中のBREST-300原子炉でそのように使用される予定である。より安全で、より強く、より高密度で、より熱伝導性が高く、より高い耐熱性があると言われている。この燃料の実現には、濃縮UF6からの複雑な変換ルート、製造中の酸化防止の必要性、最終処分ルートの定義と認可の必要性などがある。高価で同位体濃縮度の高い15Nを使用する必要性は、克服すべき重要な要素である。これは、はるかに一般的な14Nの（比較的）高い中性子捕獲断面積のために必要であり、原子炉の中性子経済性に影響を与える。[ 2]
合成
炭素熱還元
UNを生成するための一般的な技術は、以下に示す2段階法によるウラン酸化物（UO 2 ）の炭素熱還元である。 [3] [4]
- 3UO 2 + 6C → 2UC + UO 2 + 4CO （アルゴン中、1450℃以上で10～20時間）
- 4UC + 2UO 2 +3N 2 → 6UN + 4CO
ゾルゲル
ゾルゲル法や窒素雰囲気下での純ウランのアーク溶融も使用できる。[5]
アンモノリシス
UN2を生成するためのもう一つの一般的な技術は、四フッ化ウランのアンモニア分解である。四フッ化ウランは高圧高温下でアンモニアガスにさらされ、フッ素が窒素に置き換わり、フッ化水素が生成される。[6]フッ化水素はこの温度では無色のガスであり、アンモニアガスと混ざる。
水素化窒化
UN合成のもう1つの方法は、金属ウランから直接製造することです。金属ウランを280℃を超える温度で水素ガスにさらすと、UH3が形成されます。[7]さらに、UH3は金属相よりも比容積が大きいため、水素化を利用して固体ウランを物理的に分解することができます。水素化後、UH3を約500℃の温度で窒素雰囲気にさらすと、U2N3が形成されます。さらに1150℃を超える温度に加熱すると、セスキナイトライドはUNに分解されます。
- 2U + 3H 2 → 2UH 3
- 2UH 3 + 1.5N 2 → U 2 N 3
- Ｕ２Ｎ３ → Ｕ Ｎ ＋ ０．５ Ｎ２
同位体15N （ 天然窒素の約0.37%を占める）の使用が好ましいのは、主な同位体である14Nが中性子 吸収断面積が大きく、中性子経済性に影響するためである。特に、(n,p)反応を起こして大量の放射性14Cを生成するため、再処理や永久貯蔵中に慎重に封じ込めて隔離する必要がある。[8]
分解
各二窒化ウラン錯体は、二窒化ウラン（UN 2）が三窒化ウラン（U 2 N 3）に分解し、さらに一窒化ウラン（UN）に分解するため、3つの異なる化合物が同時に存在すると考えられています。二窒化ウランは、次の一連の反応によって一窒化ウランに分解します。[9]
- 4UN 2 → 2U 2 N 3 + N 2
- 2U 2 N 3 → 4UN +N 2
UN 2の分解は、ウラン三窒化物 (U 2 N 3 )を分離する最も一般的な方法です。
用途
一窒化ウランは、ハイペリオン・パワー・ジェネレーションが開発したハイペリオン・パワー・モジュール原子炉などの第4世代原子炉の燃料として検討されている。[10]また、高速中性子核実験炉の燃料としても提案されている。UNは、 最も一般的な核燃料である酸化ウラン（UO 2 ）よりも核分裂密度、熱伝導率、融点が高いため優れていると考えられており、核分裂生成物ガスの放出と膨張が少なく、被覆材との化学反応性が低いことも示されている。[11]また、標準的な金属ウラン燃料 と比較して、機械的、熱的、放射線安定性も優れている。[9] [12] 熱伝導率は、一般的な動作温度で、最も一般的に使用されている核燃料である二酸化ウランの4～8倍のオーダーである。熱伝導率が高くなると、燃料の内側と外側のセクション間の熱勾配が小さくなり、 [8]動作温度を高くできる可能性があり、燃料の寿命を制限する燃料のマクロ的な再構築が軽減される。 [4]
分子と結晶構造
二窒化ウラン（UN 2）化合物は、空間群Fm 3 mのフッ化カルシウム（CaF 2）型の面心立方 結晶構造を持っています。 [13] 窒素はウランの両側に三重結合を形成し、線状構造を形成します。[14] [15]
α-(U 2 N 3 )は、 (Mn 2 O 3 )型の体心立方 結晶構造を持ち、空間群はIa 3である。[13]
UNはNaCl型の面心立方 結晶構造を持つ 。[14] [16]結合の金属成分はウランの5f軌道を使用する が、比較的弱い相互作用を形成するが、結晶構造にとって重要である。結合の共有結合部分は 、ウランの6d軌道 と7s軌道と窒素の2p軌道の重なりから形成される。 [14] [17] Nはウランと三重結合を形成し、線形構造を形成する。[15]
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二窒化ウラン -
ウラン三窒化物 -
一窒化ウラン
ウラン窒化物誘導体
最近、末端ウラン窒化物（–U≡N）結合を持つ錯体の合成において多くの進展がありました。ウラン化学全般に共通する放射能の懸念に加えて、厳しい反応条件と溶解性の課題により、ウラン窒化物錯体の生産は遅れています。とはいえ、このような錯体の合成は過去数年間で報告されており、例えば以下に示す3つがその例です。[18] [19]他にも、二核/多核種の架橋窒化物配位子やさまざまな酸化状態など、さまざまな構造的特徴を持つU≡N化合物が合成または観察されています。[20] [21]
参照
参考文献
- ^ RB Matthews; KM Chidester; CW Hoth; RE Mason; RL Petty (1988). 「宇宙発電炉用窒化ウラン燃料の製造と試験」Journal of Nuclear Materials . 151 (3): 345. Bibcode :1988JNuM..151..345M. doi :10.1016/0022-3115(88)90029-3.
- ^ Chaudri, Khurrum Saleem (2013). 「SCWR 用 UN と UC を使用した新しい燃料設計の結合解析」。Progress in Nuclear Energy 63 : 57–65. doi :10.1016/j.pnucene.2012.11.001。
- ^ 港一夫;赤堀光夫高野 正秀；新井康雄；中島邦久；伊藤明則；小川徹（2003）。 「マイナーアクチニドの核変換のための窒化物燃料の製造」。核物質ジャーナル。320 (1-2): 18-24。Bibcode :2003JNuM..320...18M。土井：10.1016/S0022-3115(03)00163-6。ISSN 0022-3115。
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- ^ urn:nbn:se:kth:diva-35249: (U-Zr)N燃料の製造方法
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- ^ 「安定したウラン窒化物を生成する簡単な方法」。Advanced Ceramics Report。国際ニュースレター。2012 年 8 月 1 日。
研究者の
Stephen Liddle
氏は、「...これは、核廃棄物に含まれる高放射性物質の 2 ～ 3% を抽出して分離するのに役立つ可能性があります」と述べています。
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外部リンク
- ビデオの周期表における新しいウラン結合（ノッティンガム大学）