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Hexafluoruro de uranio

El hexafluoruro de uranio , a veces llamado hex , es un compuesto inorgánico con la fórmula U F 6 . El hexafluoruro de uranio es un sólido blanco volátil y tóxico que se utiliza en el proceso de enriquecimiento de uranio , que produce combustible para reactores nucleares y armas nucleares . [4]

Preparación

El dióxido de uranio se convierte con ácido fluorhídrico (HF) en tetrafluoruro de uranio : [4]

UO2 + 4HF → UF4 + 2H2O

En muestras contaminadas con trióxido de uranio , el oxifluoruro se produce en la etapa HF:

UO3 + HF → UF2O2 + H2O​​

El UF4 resultante se oxida posteriormente con flúor para dar el hexafluoruro :

UF 4 + F 2 → UF 6

Propiedades

Propiedades físicas

A presión atmosférica , el UF6 sublima a 56,5 °C. [5]

UF 6 en ampolla de vidrio

La estructura del estado sólido se determinó por difracción de neutrones a 77 K y 293 K. [6] [7]

Propiedades químicas

El UF6 reacciona con el agua y libera ácido fluorhídrico . El compuesto reacciona con el aluminio y forma una capa superficial de AlF3 que resiste cualquier reacción posterior del compuesto.

El hexafluoruro de uranio es un oxidante suave . [10] Es un ácido de Lewis como lo demuestra su unión para formar heptafluorouranato (VI), [UF 7 ] − . [11]

Se han aislado fluoruros de uranio (VI) poliméricos que contienen cationes orgánicos y se han caracterizado mediante difracción de rayos X. [12]

Aplicación en el ciclo del combustible

Diagrama de fases de UF 6

Como uno de los compuestos más volátiles del uranio, el hexafluoruro de uranio es relativamente fácil de procesar y se utiliza en los dos métodos principales de enriquecimiento de uranio , a saber, la difusión gaseosa y el método de centrifugación de gas . Dado que el punto triple del UF6 ; 64 ° C (147 °F; 337 K) y 152 kPa (22 psi; 1,5 atm); [13] está cerca de las condiciones ambientales, se pueden lograr transiciones de fase con poco trabajo termodinámico .

El flúor tiene un único isótopo estable natural, por lo que los isotópogos del UF6 difieren en su peso molecular basándose únicamente en el isótopo de uranio presente. [14] Esta diferencia es la base para la separación física de los isótopos en el enriquecimiento.

Todos los demás fluoruros de uranio son sólidos no volátiles que son polímeros de coordinación .

El factor de conversión del isotopólogo 238 U de UF 6 ("hex") a "masa U" es 0,676. [15]

La difusión gaseosa requiere aproximadamente 60 veces más energía que el proceso de centrifugación de gas: el combustible nuclear producido por difusión gaseosa produce 25 veces más energía que la utilizada en el proceso de difusión, mientras que el combustible producido por centrifugación produce 1.500 veces más energía que la utilizada en el proceso de centrifugación.

Además de su uso en el enriquecimiento, el hexafluoruro de uranio se ha utilizado en un método avanzado de reprocesamiento ( volatilidad del fluoruro ), que se desarrolló en la República Checa . En este proceso, el combustible nuclear gastado se trata con gas flúor para transformar los óxidos o metales elementales en una mezcla de fluoruros. Esta mezcla se destila luego para separar las diferentes clases de material. Algunos productos de fisión forman fluoruros no volátiles que permanecen como sólidos y luego pueden prepararse para su almacenamiento como desechos nucleares o procesarse más a fondo mediante métodos basados ​​en solvatación o electroquímicamente .

El enriquecimiento de uranio produce grandes cantidades de hexafluoruro de uranio empobrecido (D UF 6 o D- UF 6 ) como producto de desecho. El almacenamiento a largo plazo de D- UF 6 presenta riesgos ambientales, de salud y de seguridad debido a su inestabilidad química. Cuando el UF 6 se expone al aire húmedo, reacciona con el agua del aire para producir UO 2 F 2 ( fluoruro de uranilo ) y HF ( fluoruro de hidrógeno ), ambos altamente corrosivos y tóxicos. En 2005, 686.500 toneladas de D- UF 6 se almacenaron en 57.122 cilindros de almacenamiento ubicados cerca de Portsmouth, Ohio ; Oak Ridge, Tennessee ; y Paducah, Kentucky . [16] [17] Los cilindros de almacenamiento deben inspeccionarse periódicamente para detectar signos de corrosión y fugas. La vida útil estimada de los cilindros de acero se mide en décadas. [18]

Accidentes y eliminación

En los Estados Unidos se han producido varios accidentes relacionados con el hexafluoruro de uranio, incluido un accidente de llenado de cilindros y una fuga de material en la Sequoyah Fuels Corporation en 1986, donde se estima que se escaparon 29 500 libras de UF6 gaseoso . [19] [20] El gobierno de los Estados Unidos ha estado convirtiendo el D UF6 en óxidos de uranio sólidos para su eliminación. [21] La eliminación de toda la reserva de D UF6 podría costar entre 15 y 450 millones de dólares. [22]

  • Cilindro de UF6 de 14 toneladas roto. 1 muerto, docenas de heridos. Se liberaron 29 500 libras de material. Sequoyah Fuels Corporation, 1986.
    Cilindro de UF6 de 14 toneladas roto . 1 muerto, docenas de heridos. Se liberaron 29 500 libras de material. Sequoyah Fuels Corporation, 1986.
  • Patio de almacenamiento DUF6 visto desde lejos
    Patio de almacenamiento del DUF 6 visto desde lejos
  • Cilindros DUF6: pintados (izquierda) y corroídos (derecha)
    D UF 6 cilindros: pintado (izquierda) y corroído (derecha)

Referencias

  1. ^ "Hexafluoruro de uranio". Archivado desde el original el 16 de septiembre de 2013. Consultado el 8 de agosto de 2013 .
  2. ^ abcd Johnson, Gerald K. (1979). "La entalpía de formación del hexafluoruro de uranio". Revista de termodinámica química . 11 (5): 483–490. doi :10.1016/0021-9614(79)90126-5.
  3. ^ Fluoruro de uranio (VI)
  4. ^ ab Peehs, Martin; Walter, Thomas; Walter, Sabine; Zemek, Martin (2007). "Uranio, aleaciones de uranio y compuestos de uranio". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . doi :10.1002/14356007.a27_281.pub2. ISBN 978-3-527-30385-4.
  5. ^ Brickwedde, Ferdinand G.; Hoge, Harold J.; Scott, Russell B. (1948). "Capacidades térmicas a baja temperatura, entalpías y entropías de UF4 y UF6". J. Chem. Phys. 16 (5): 429–436. Bibcode :1948JChPh..16..429B. doi : 10.1063/1.1746914 .
  6. ^ JH Levy; John C. Taylor; Paul W. Wilson (1976). "Estructura de los fluoruros. Parte XII. Estudio de difracción de neutrones de monocristal de hexafluoruro de uranio a 293 K". J. Chem. Soc., Dalton Trans. (3): 219–224. doi :10.1039/DT9760000219.
  7. ^ JH Levy, JC Taylor y AB Waugh (1983). "Estudios estructurales de polvos de neutrones de UF6 , MoF6 y WF6 a 77 K". Journal of Fluorine Chemistry . 23 : 29–36. doi :10.1016/S0022-1139(00)81276-2.
  8. ^ JC Taylor, PW Wilson, JW Kelly: „Las estructuras de los fluoruros. I. Desviaciones de la simetría ideal en la estructura del UF 6 cristalino : un análisis de difracción de neutrones", Acta Crystallogr. , 1973 , B29 , pág. 7–12; doi :10.1107/S0567740873001895.
  9. ^ Kimura, Masao; Schomaker, Werner; Smith, Darwin W.; Bernard (1968). "Investigación por difracción de electrones de los hexafluoruros de tungsteno, osmio, iridio, uranio, neptunio y plutonio". J. Chem. Phys. 48 (8): 4001–4012. Código Bibliográfico :1968JChPh..48.4001K. doi :10.1063/1.1669727. Archivado desde el original el 2023-01-11 . Consultado el 2020-10-10 .
  10. ^ GH Olah; J. Welch (1978). "Métodos y reacciones sintéticas. 46. Oxidación de compuestos orgánicos con hexafluoruro de uranio en soluciones de haloalcano". J. Am. Chem. Soc. 100 (17): 5396–5402. doi :10.1021/ja00485a024.
  11. ^ JA Berry; RT Poole; A. Prescott; DWA Sharp; JM Winfield (1976). "Propiedades oxidantes y aceptoras de iones fluoruro del hexafluoruro de uranio en acetonitrilo". J. Chem. Soc., Dalton Trans. (3): 272–274. doi :10.1039/DT9760000272.
  12. ^ SM Walker; PS Halasyamani; S. Allen; D. O'Hare (1999). "De las moléculas a los marcos: dimensionalidad variable en el sistema UO 2 (CH 3 COO) 2 ·2H 2 O/HF(aq)/piperazina. Síntesis, estructuras y caracterización de (C 4 N 2 H 12 )UO 2 F 4 ·3H 2 O de dimensión cero, (C 4 N 2 H 12 ) 2 U 2 F 12 ·H 2 O unidimensional, (C 4 N 2 H 12 ) 2 (U 2 O 4 F 5 ) 4 ·11H 2 O bidimensional y (C 4 N 2 H 12 )U 2 O 4 F 6 tridimensional ". J. Am. Chem. Soc . 121 (45): 10513–10521. doi :10.1021/ja992145f.
  13. ^ "Hexafluoruro de uranio: Fuente: Apéndice A del PEIS (DOE/EIS-0269): Propiedades físicas". web.evs.anl.gov . Consultado el 18 de agosto de 2022 .
  14. ^ "Enriquecimiento de uranio y proceso de difusión gaseosa". USEC Inc. Archivado desde el original el 19 de octubre de 2007. Consultado el 24 de septiembre de 2007 .
  15. ^ "Calculadora de masa molar con convertidor de unidades". TranslatorsCafé . Mississauga, Ontario, Canadá: Desarrollo de software ANVICA. 1 de febrero de 2021.
  16. ^ "¿Cuánto hexafluoruro de uranio empobrecido se almacena en los Estados Unidos?". Preguntas frecuentes sobre el UF6 empobrecido . Laboratorio Nacional de Argonne .
  17. ^ "Documentos del programa de gestión de UF6 agotado". Archivado desde el original el 16 de febrero de 2008. Consultado el 17 de mayo de 2006 .
  18. ^ "¿Qué es el DUF6? ¿Es peligroso y qué debemos hacer con él?". Instituto de Investigación Energética y Medioambiental. 24 de septiembre de 2007.
  19. ^ Brugge, D.; Delemos, JL; Bui, C. (2007). "El vertido de combustibles de Sequoyah Corporation y el derrame de Church Rock: vertidos nucleares no publicados en comunidades indígenas estadounidenses". Revista estadounidense de salud pública . 97 (9): 1595–1600. doi :10.2105/AJPH.2006.103044. PMC 1963288 . PMID  17666688. 
  20. ^ "¿Ha habido accidentes relacionados con el hexafluoruro de uranio?". Preguntas frecuentes sobre el UF6 empobrecido . Laboratorio Nacional de Argonne. Archivado desde el original el 9 de junio de 2017.
  21. ^ "¿Qué va a pasar con el hexafluoruro de uranio almacenado en Estados Unidos?". Preguntas frecuentes sobre el UF6 empobrecido . Laboratorio Nacional de Argonne.
  22. ^ "¿Existen actualmente instalaciones de eliminación en funcionamiento que puedan aceptar todo el óxido de uranio empobrecido que se generaría a partir de la conversión del inventario de UF6 empobrecido del DOE?". Preguntas frecuentes sobre UF6 empobrecido . Laboratorio Nacional de Argonne.

Lectura adicional

Enlaces externos

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