Уран гексафториді

Кіріспе

Уран гексафториді, кейде "hex" деп те аталады, – UF6 формуласына ие бейорганикалық қосылыс. Уран гексафториді – ұшпалы және уытты ақ түсті қатты зат, ол сумен әрекеттесіп, коррозиялық фторсутек қышқылын бөліп шығарады. Бұл қосылыс алюминиймен жеңіл реакцияға түсіп, оның бетінде AlF3-тың жұқа қабатын түзетіп, одан әрі реакцияға кедергі жасайды. UF6 уранды байыту процесінде қолданылады, ол ядролық реакторлар және ядролық қарулар үшін отын өндіруге мүмкіндік береді.

Физикалық қасиеттері

Атмосфералық қысымда UF6 56,5 °C-та қатаяды. Қатты күйдегі құрылымы 77 К және 293 К температурада нейтрондық дифракция арқылы анықталды.

Химиялық қасиеттері

Уран гексафторидінің тотықтырғыш және фтормен байланыса алатын Льюис қышқылы екені көрсетілген; мысалы, ацетонитрилде мыс(II) фторидінің уран гексафторидімен реакциясы мыс(II) гептафторуранат(VI), |Cu(2+)[UF7−]2 түзетіні хабарланған. Органикалық катиондарды қамтитын полимерлі уран(VI) фторидтері бөлініп алынып, рентгендік сәулелердің дифракциясы арқылы сипатталған.

Отын циклында қолдану

Уранның ең ұшқыш қосылыстарының бірі ретінде уран гексафториді өңдеуге салыстырмалы түрде ыңғайлы және уранды байытудың екі негізгі әдісінде қолданылады: газды диффузия және газдық центрифугалау әдісі. |UF6; 64 °C (147 °F; 337 K) және 152 кПа (22 psi; 1,5 атм) үштік нүктесі бөлме температурасына жақын болғандықтан, фазалық өтулерге аз термодинамикалық жұмыс жұмсау жеткілікті. Фтордың табиғатта кездесетін тұрақты изотопы тек біреу ғана, сондықтан |UF6 изотоптарының молекулалық массасы тек уран изотопына байланысты өзгеше болады. Осы айырмашылық байыту кезінде изотоптарды физикалық түрде бөлуге негіз болады. Қалған барлық уран фторидтері – координациялық полимерлер болып табылатын, ұшпайтын қатты заттар. |UF6 ("hex") изотопосының "U массасына" айналу коэффициенті 0,676-ны құрайды. Газды диффузия процесі газдық центрифугалау процесінен шамамен 60 есе көп энергия қажет етеді: газды диффузия арқылы алынған ядролық отын, диффузия процесінде қолданылған энергиядан 25 есе көп энергия өндіреді, ал центрифуга арқылы алынған отын центрифугалау процесінде қолданылған энергиядан 1500 есе көп энергия өндіреді. Уран гексафториді байытуда қолданылатындықтан бөлек, Чехияда әзірленген, жоғары технологиялық қайта өңдеу әдісінде (фтордың ұшқыштығы) де пайдаланылады. Бұл процесте, пайдаланылған ядролық отын фтор газымен өңделіп, оксидтер немесе элементтік металдар фторидтер қоспасына айналдырылады. Содан кейін бұл қоспа дистилляцияланады, әртүрлі материалдарды бөлу үшін. Кейбір бөліну өнімдері ұшпайтын фторидтерді құрайды, олар қатты күйде қалады және оларды ядролық қалдықтар ретінде сақтауға немесе еріту немесе электрохимиялық әдістермен одан әрі өңдеуге болады. Уранды байыту кезінде үлкен мөлшерде кемітілген уран гексафториді (D|UF6 немесе D |UF6) қалдық ретінде түзіледі. D|UF6-ны ұзақ мерзімге сақтау оның химиялық тұрақсыздығына байланысты қоршаған ортаға, денсаулыққа және қауіпсіздікке қауіп тудырады. |UF6 ылғалды ауамен қатысқанда, ауадағы сумен реакцияласып, |UO2F2 (уранил фториді) және HF (сутек фториді) түзетін, екеуі де жоғары коррозиялық және улы заттар. 2005 жылы 686 500 тонна D|UF6 Огайо штатының Портсмут, Теннесси штатының Оук Ридж және Кентукки штатының Падука қалаларының жанындағы 57 122 сақтау цилиндрінде сақталды. Сақтау цилиндрлерінің коррозия және ағып кету белгілері үшін үнемі тексерілуі қажет. Болат цилиндрлердің қызмет ету мерзімі ондаған жылдармен өлшенеді.

As one of the most volatile compounds of uranium, uranium hexafluoride is relatively convenient to process and is used in both of the main uranium enrichment methods, namely gaseous diffusion and the gas centrifuge method. Since the triple point of |UF6; 64 °C(147 °F; 337 K) and 152 kPa (22 psi; 1.5 atm); is close to ambient conditions, phase transitions can be achieved with little thermodynamic work. Fluorine has only a single naturally occurring stable isotope, so isotopologues of |UF6 differ in their molecular weight based solely on the uranium isotope present. This difference is the basis for the physical separation of isotopes in enrichment. All the other uranium fluorides are nonvolatile solids that are coordination polymers. The conversion factor for the |^{238}U isotopologue of |UF6 ("hex") to "U mass" is 0.676. Gaseous diffusion requires about 60 times as much energy as the gas centrifuge process: gaseous diffusion produced nuclear fuel produces 25 times more energy than is used in the diffusion process, while centrifuge produced fuel produces 1,500 times more energy than is used in the centrifuge process. In addition to its use in enrichment, uranium hexafluoride has been used in an advanced reprocessing method (fluoride volatility), which was developed in the Czech Republic. In this process, spent nuclear fuel is treated with fluorine gas to transform the oxides or elemental metals into a mixture of fluorides. This mixture is then distilled to separate the different classes of material. Some fission products form nonvolatile fluorides which remain as solids and can then either be prepared for storage as nuclear waste or further processed either by solvation based methods or electrochemically. Uranium enrichment produces large quantities of depleted uranium hexafluoride (D|UF6 or D |UF6) as a waste product. The long term storage of D |UF6 presents environmental, health, and safety risks because of its chemical instability. When |UF6 is exposed to moist air, it reacts with the water in the air to produce |UO2F2 (uranyl fluoride) and HF (hydrogen fluoride) both of which are highly corrosive and toxic. In 2005, 686,500 tonnes of D |UF6 was housed in 57,122 storage cylinders located near Portsmouth, Ohio; Oak Ridge, Tennessee; and Paducah, Kentucky. Storage cylinders must be regularly inspected for signs of corrosion and leaks. The estimated lifetime of the steel cylinders is measured in decades.

Авариялар және жою

АҚШ-та уран гексафторидіне қатысты бірнеше апат болды, соның ішінде 1986 жылы Sequoyah Fuels Corporation мекемесінде цилиндрді толтыру кезіндегі апат және материалдың шығуы, нәтижесінде шамамен 29 500 фунт газ тәрізді UF6 шықты. АҚШ үкіметі D|UF6-ны қатты уран тотықтарына айналдырып, оларды жоюға жұмсап жатыр. D|UF6 қорының барлығын жоюға 15 миллион доллардан 450 миллион долларға дейін шығын кетпеуі мүмкін.