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 potencial combustible nuclear y se utilizará como tal en el reactor nuclear BREST-300 actualmente en construcción 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 compleja de conversión a partir de UF 6 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 a 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]
La técnica común para generar ONU es la reducción carbotérmica de óxido de uranio (UO 2 ) en un método de 2 pasos que se ilustra a continuación. [3] [4]
También se pueden utilizar métodos sol-gel y fusión por arco de uranio puro en atmósfera de nitrógeno . [5]
Otra técnica común para generar ONU 2 es la amonólisis del tetrafluoruro de uranio . El tetrafluoruro de uranio se expone al gas amoníaco a alta presión y temperatura, 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.
Un método adicional de síntesis de las Naciones Unidas 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 UH 3 . [7] Además, dado que el UH 3 tiene un volumen específico más alto que la fase metálica, la hibridación se puede utilizar para descomponer físicamente el uranio que de otro modo sería sólido. Después de la hibridación, el UH 3 puede exponerse a una atmósfera de nitrógeno a temperaturas de alrededor de 500 °C, formando así U 2 N 3 . Mediante calentamiento adicional a temperaturas superiores a 1150 °C, el sesquinitruro puede descomponerse en ONU.
Es preferible el uso del isótopo 15 N (que constituye alrededor del 0,37% del nitrógeno natural) porque el isótopo predominante, el 14 N, tiene una sección transversal de absorción de neutrones importante que afecta a la economía de neutrones y, en particular, sufre un (n,p) reacción que produce cantidades importantes de 14 C radiactivo que tendrían que contenerse y secuestrarse cuidadosamente durante el reprocesamiento o el almacenamiento permanente. [8]
Se considera que cada complejo de dinitruro de uranio tiene tres compuestos distintos presentes simultáneamente debido a la descomposición del dinitruro de uranio (ONU 2 ) en sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ) y luego en mononitruro de uranio (ONU). Los dinitruros de uranio se descomponen en mononitruro de uranio mediante la siguiente secuencia de reacciones: [9]
La descomposición de ONU 2 es el método más común para aislar sesquinitruro de uranio (U 2 N 3 ).
El mononitruro de uranio se está considerando como 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 . La ONU 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 mismo tiempo que demuestra una menor liberación de gases de productos de fisión e hinchazón, 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. Una mayor conductividad térmica da como resultado un gradiente térmico más pequeño entre las secciones interior y exterior del combustible, [8] lo que potencialmente permite temperaturas de funcionamiento más altas y reduce la reestructuración macroscópica del combustible, lo que limita su vida útil. [4]
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 triples enlaces a 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]
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] El N forma un triple enlace con el uranio creando una estructura lineal. [15]
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 desafíos de solubilidad. No obstante, en los últimos años se han informado síntesis de tales 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 di-/polinucleares y varios estados de oxidación. [20] [21]
[Investigador...
Stephen Liddle
, dice: '... podría ayudar... a extraer y separar el 2-3% del material altamente radiactivo de los desechos nucleares'.
