Гексафторид урана

Введение

Гексафторид урана, иногда называемый гексом, — это неорганическое соединение с формулой UF6. Гексафторид урана — это летучее и токсичное белое твердое вещество, которое реагирует с водой, выделяя коррозионную плавиковую кислоту. Соединение умеренно реагирует с алюминием, образуя тонкий поверхностный слой AlF3, который препятствует дальнейшей реакции. UF6 используется в процессе обогащения урана, который производит топливо для ядерных реакторов и ядерного оружия.

Физические свойства

При атмосферном давлении гексафторид урана сублимируется при 56,5 °C. Структура твердого состояния была определена методом нейтронной дифракции при 77 К и 293 К.

Химические свойства

Было показано, что гексафторид урана является окислителем и кислотой Льюиса, способным связываться с фторидом; например, сообщается, что реакция фторида меди(II) с гексафторидом урана в ацетонитриле приводит к образованию гектафторураната(VI) меди(II), Cu(2+)[UF7−]2. Полимерные фториды урана(VI), содержащие органические катионы, были выделены и охарактеризованы методом рентгеновской дифракции.

Применение в топливном цикле

Как одно из самых летучих соединений урана, гексафторид урана относительно удобен в обработке и используется в обоих основных методах обогащения урана, а именно в газовой диффузии и газоцентрифужном методе. Поскольку тройная точка UF6 – 64 °C (147 °F; 337 K) и 152 кПа (22 psi; 1.5 атм) – близка к нормальным условиям, фазовые переходы могут быть достигнуты при небольших термодинамических затратах. Фтор имеет только один естественно встречающийся стабильный изотоп, поэтому изотопологи UF6 различаются по молекулярной массе, зависящей исключительно от присутствующего изотопа урана. Это различие является основой для физического разделения изотопов при обогащении. Все остальные фториды урана – нелетучие твердые вещества, являющиеся координационными полимерами. Коэффициент пересчета изотопа UF6 ("hex") в "массу U" составляет 0,676. Газовая диффузия требует примерно в 60 раз больше энергии, чем газоцентрифужный процесс: ядерное топливо, произведенное с помощью газовой диффузии, вырабатывает в 25 раз больше энергии, чем затрачивается в процессе диффузии, в то время как топливо, произведенное с помощью центрифуги, вырабатывает в 1500 раз больше энергии, чем затрачивается в процессе центрифугирования. Помимо использования в обогащении, гексафторид урана применялся в передовом методе переработки (летучесть фторидов), разработанном в Чешской Республике. В этом процессе отработавшее ядерное топливо обрабатывается фтором, превращая оксиды или элементарные металлы в смесь фторидов. Затем эта смесь подвергается дистилляции для разделения различных классов материалов. Некоторые продукты деления образуют нелетучие фториды, которые остаются в твердом состоянии и могут быть либо подготовлены к хранению в качестве ядерных отходов, либо подвергнуты дальнейшей переработке методами, основанными на сольватации, либо электрохимически. Обогащение урана производит большие количества гексафторида обедненного урана (D|UF6 или D UF6) в качестве отхода. Долгосрочное хранение D|UF6 представляет экологические, медицинские и безопасные риски из-за его химической нестабильности. При контакте UF6 с влажным воздухом он реагирует с водой, образуя UO2F2 (уранилфторид) и HF (фтороводород), оба из которых высококоррозионны и токсичны. В 2005 году 686 500 тонн D|UF6 хранилось в 57 122 цилиндрах вблизи Портсмута (Огайо), Оук-Риджа (Теннесси) и Падука (Кентукки). Цилиндры для хранения необходимо регулярно проверять на наличие признаков коррозии и утечек. Расчетный срок службы стальных цилиндров исчисляется десятилетиями.

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.

Несчастные случаи и утилизация

В США произошло несколько аварий с участием гексафторида урана, включая аварию при заполнении баллонов и выброс материала на предприятии Sequoyah Fuels Corporation в 1986 году, где, по оценкам, в атмосферу было выброшено около 13 380 килограммов газообразного UF6. Правительство США перерабатывает обедненный гексафторид урана (D|UF6) в твердые оксиды урана для захоронения. Такое захоронение всего объема обедненного гексафторида урана может стоить от 15 до 450 миллионов долларов.