Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химическое соединение
Chemical compound
Диоксид тория (ThO2), также называемый оксидом тория(IV), — это кристаллическое твердое вещество, часто белого или желтого цвета. Также известный как ториевый оксид, он в основном является побочным продуктом производства лантаноидов и урана. Все соединения тория, включая диоксид, радиоактивны, поскольку не существует стабильных изотопов тория.
Thorium dioxide (ThO2), also called thorium(IV) oxide, is a crystalline solid, often white or yellow in colour. Also known as thoria, it is mainly a by product of lanthanide and uranium production. All thorium compounds, including the dioxide, are radioactive because there are no stable isotopes of thorium.
Структура и реакции
Тория существует в двух полиморфных модификациях. Одна из них имеет кристаллическую структуру фторита. Это редкость среди бинарных диоксидов. (К другим бинарным оксидам с фторитной структурой относятся диоксид церия, диоксид урана и диоксид плутония.) Ширина запрещенной зоны тория составляет около 6 эВ. Также известна тетрагональная форма тория. Диоксид тория более стабилен, чем монооксид тория (ThO). Только при строгом контроле условий реакции окисление тория может привести к образованию монооксида, а не диоксида. При очень высоких температурах диоксид может превращаться в монооксид либо посредством реакции диспропорционирования (достигая равновесия с жидким торием) при температуре выше, либо в результате простой диссоциации (с выделением кислорода) при температуре выше.
Thoria exists as two polymorphs. One has a fluorite crystal structure. This is uncommon among binary dioxides. (Other binary oxides with fluorite structure include cerium dioxide, uranium dioxide and plutonium dioxide.) The band gap of thoria is about 6 eV. A tetragonal form of thoria is also known. Thorium dioxide is more stable than thorium monoxide (ThO). Only with careful control of reaction conditions can oxidation of thorium metal give the monoxide rather than the dioxide. At extremely high temperatures, the dioxide can convert to the monoxide either by a disproportionation reaction (equilibrium with liquid thorium metal) above or by simple dissociation (evolution of oxygen) above .
Ядерное топливо
Диоксид тория (торий) может использоваться в ядерных реакторах в качестве керамических топливных таблеток, обычно содержащихся в ядерных топливных стержнях, оболочка которых изготовлена из сплавов циркония. Торий не является делящимся (но является "плодородным", воспроизводя делящийся уран-233 под воздействием нейтронного облучения); следовательно, он должен использоваться в качестве ядерного топлива в сочетании с делящимися изотопами урана или плутония. Этого можно достичь путем смешивания тория с ураном или плутонием, либо использованием его в чистом виде совместно с отдельными топливными стержнями, содержащими уран или плутоний. Диоксид тория обладает преимуществами перед традиционными топливными таблетками из диоксида урана благодаря более высокой теплопроводности (что обеспечивает более низкую рабочую температуру), значительно более высокой температуре плавления и химической стабильности (не окисляется в присутствии воды/кислорода, в отличие от диоксида урана). Диоксид тория может быть превращен в ядерное топливо путем наработки урана-233 (см. ниже и статью о тории для получения более подробной информации). Высокая термическая стабильность диоксида тория позволяет использовать его в процессах плазменного напыления и для производства высокотемпературной керамики.
Thorium dioxide (thoria) can be used in nuclear reactors as ceramic fuel pellets, typically contained in nuclear fuel rods clad with zirconium alloys. Thorium is not fissile (but is "fertile", breeding fissile uranium 233 under neutron bombardment); hence, it must be used as a nuclear reactor fuel in conjunction with fissile isotopes of either uranium or plutonium. This can be achieved by blending thorium with uranium or plutonium, or using it in its pure form in conjunction with separate fuel rods containing uranium or plutonium. Thorium dioxide offers advantages over conventional uranium dioxide fuel pellets, because of its higher thermal conductivity (lower operating temperature), considerably higher melting point, and chemical stability (does not oxidize in the presence of water/oxygen, unlike uranium dioxide). Thorium dioxide can be turned into a nuclear fuel by breeding it into uranium 233 (see below and refer to the article on thorium for more information on this). The high thermal stability of thorium dioxide allows applications in flame spraying and high temperature ceramics.
Сплавы
Диоксид тория используется в качестве стабилизатора в вольфрамовых электродах при TIG-сварке, в электронных лампах и авиационных газотурбинных двигателях. Как сплав, торированный вольфрам плохо деформируется, поскольку высокотемпературный материал – диоксид тория – улучшает механические свойства при высоких температурах, а торий способствует стимулированию эмиссии электронов (термионов). Это наиболее распространенная оксидная добавка благодаря низкой стоимости, но постепенно выводится из употребления в пользу нерадиоактивных элементов, таких как церий, лантан и цирконий. Никель, диспергированный диоксидом тория, находит применение в различных высокотемпературных процессах, например, в двигателях внутреннего сгорания, благодаря своей высокой устойчивости к ползучести. Он также может использоваться для захвата водорода.
Thorium dioxide is used as a stabilizer in tungsten electrodes in TIG welding, electron tubes, and aircraft gas turbine engines. As an alloy, thoriated tungsten metal is not easily deformed because the high fusion material thoria augments the high temperature mechanical properties, and thorium helps stimulate the emission of electrons (thermions). It is the most popular oxide additive because of its low cost, but is being phased out in favor of non radioactive elements such as cerium, lanthanum and zirconium. Thoria dispersed nickel finds its applications in various high temperature operations like combustion engines because it is a good creep resistant material. It can also be used for hydrogen trapping.
Катализ
Диоксид тория практически не представляет ценности как коммерческий катализатор, однако такие области применения были тщательно изучены. Он служит катализатором в синтезе макроциклических соединений по Ружицке. Среди других исследованных применений – крекинг нефти, конверсия аммиака в азотную кислоту и производство серной кислоты.
Thorium dioxide has almost no value as a commercial catalyst, but such applications have been well investigated. It is a catalyst in the Ruzicka large ring synthesis. Other applications that have been explored include petroleum cracking, conversion of ammonia to nitric acid and preparation of sulfuric acid.
Радиоконтрастные агенты
Диоксид тория был основным компонентом Торотраста – ранее широко используемого радиоконтрастного вещества для церебральной ангиографии, однако он вызывает редкую форму рака (ангиосаркому печени) спустя много лет после введения. В настоящее время его применение заменено на инъекционные препараты йода или суспензию сульфата бария для приема внутрь, которые используются в качестве стандартных рентгеноконтрастных средств.
Thorium dioxide was the primary ingredient in Thorotrast, a once common radiocontrast agent used for cerebral angiography, however, it causes a rare form of cancer (hepatic angiosarcoma) many years after administration. This use was replaced with injectable iodine or ingestable barium sulfate suspension as standard X ray contrast agents.
Штуфляжи ламп
Еще одно важное применение в прошлом было в газовых мантиях фонарей, разработанных Карлом Ауром фон Велсбахом в 1890 году, которые состояли из 99% ThO2 и 1% оксида церия(IV). Вплоть до 1980-х годов оценивалось, что около половины всего производимого ThO2 (несколько сотен тонн в год) использовалось для этих целей. Некоторые мантии до сих пор содержат торий, но оксид иттрия (или иногда оксид циркония) все чаще используется в качестве замены.
Another major use in the past was in gas mantle of lanterns developed by Carl Auer von Welsbach in 1890, which are composed of 99% ThO2 and 1% cerium(IV) oxide. Even as late as the 1980s it was estimated that about half of all ThO2 produced (several hundred tonnes per year) was used for this purpose. Some mantles still use thorium, but yttrium oxide (or sometimes zirconium oxide) is used increasingly as a replacement.
Производство стекла
Когда диоксид тория добавляется в стекло, он способствует увеличению показателя преломления и уменьшению дисперсии. Такое стекло находит применение в высококачественных объективах для фотокамер и научных приборов. Радиация, испускаемая этими объективами, может со временем вызывать их потемнение и пожелтение, а также порчу фотопленки, однако риски для здоровья незначительны. Пожелтевшие объективы можно вернуть к первоначальному бесцветному состоянию путем длительного воздействия интенсивного ультрафиолетового излучения. В настоящее время диоксид тория практически во всех современных высокоиндексных стеклах заменен оксидами редкоземельных элементов, такими как оксид лантана, поскольку они обеспечивают схожий эффект и не являются радиоактивными.
When added to glass, thorium dioxide helps increase its refractive index and decrease dispersion. Such glass finds application in high quality lenses for cameras and scientific instruments. The radiation from these lenses can darken them and turn them yellow over a period of years and degrade film, but the health risks are minimal. Yellowed lenses may be restored to their original colourless state by lengthy exposure to intense ultraviolet radiation. Thorium dioxide has since been replaced by rare earth oxides such as lanthanum oxide in almost all modern high index glasses, as they provide similar effects and are not radioactive.