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铀的主要应用

发布日期:2020/10/24 7:56:57

背景及概述[1]

放射性金属元素。用于核反应的燃料。铀是银白色金属,几乎与钢一样硬,密度高(相对密度约18.95)。在核能量发展之前,它被用作制造黄色玻璃。铀是自然界存在的原子序数最高的元素。1841年E.佩利(1811—1890)离析出金属铀,虽然在此之前铀已在沥青铀矿中被认知。它也藏于云母铀矿、钒钾铀矿和独居石中;主要藏于加拿大、澳大利亚、南非和。天然铀有3种同位素:铀-238(99.283%)、铀-235(0.711%)和铀-234(0.006%)。铀-238的半衰期是4.51×109年,可用于测算岩石的年代,也可用作快中子反应堆的燃料。在核工业中最重要的同位素是铀-235,它用于*热中子反应堆(thermalreactor)。一些反应堆使用金属燃料,另一些则用二氧化铀(UO2)。其他一些氧化物有U3O8和UO3。易挥发气体六氟化铀(UF6)通过气体的扩散分离各同位素铀。原子序数92,原子量238.0289,熔点1135℃,沸点4134℃。

结构[2]

根据5f电子的性质,锕系元素一般被分为两部分:轻锕系,重锕系。轻锕系是从钍到镎(Th–Np)。在室温条件下5f电子参与成键,并且形成窄的能带,这就使得在室温条件下它们的结构是复杂的、低对称性的、开放的。随着压强增加,5f能带变宽,轻锕系金属会经历相变,变成高对称结构。对于重锕系,是从镅(Am)开始的,它们的5f电子是强烈局域化的,在常压下,是不参与成键的。钚(Pu)处于轻锕系和重锕系的交界处,它具有轻、重锕系的共同特点。常温常压下,钚的5f电子参与成键,而在高温条件下,5f电子又是局域化的。由于其复杂的电子结构和f电子的强关联性,金属铀具有特殊的物理和化学性质。在能源如此短缺的当今社会,铀被广泛地应用于能源、武器、核反应等。通常情况下,金属铀存在三种固体相:α(面心正交结构)、β(简单四方结构)和γ(体心立方结构)。除此以外,还有bct(体心四方结构)、fcc(面心立方结构)和hcp(六角密排结构)三种晶体结构。因其多样的相结构,十几年来一直吸引着众多的科研工作者对其进行实验和理论方面的探究。

应用[2]

金属铀作为元素周期表中最后一个天然的放射性元素,它在我们生活的世界中占有重要地位,例如:铀放射性衰变过程中放出的热、它与近邻的钍一起提供了地心处大量的能量以及持续的或者不可预期的改变着地球薄处的地壳。235U核裂变的发现完全改变了战争中“完全冲突”的定义。金属铀所有性质都来源于其特殊的核特征。但是铀的另外一些特征并不完全决于它特殊的核,也可能与围绕核运动的电子有关。这些非同寻常的性质,鲜少有人知道,因此它们具有一定的科研价值。在此之前,大部分人认为元素的凝聚态物理已经被完全理解了,但是仍然有许多元素,比如锰,铬,铀等,因为其复杂的结构和磁性行为需要继续深入探究。这些材料的研究通常要跨越几十年,理解的进展常常停滞直到一个新的想法出现。

表面腐蚀[3]

1)金属铀是一种重要的核材料,在国防工业和能源系统中得到广泛应用,但作为轻锕系金属其外层既有易失去的未成对电子又具有大量空的5f、6d轨道,因此金属铀具有极强的化学活性,从而很容易发生氧化腐蚀行为。研究表明铀及其合金在潮湿空气或水气中长期暴露的氧化腐蚀速率显著高于其在干燥空气或氧气中的腐蚀速率,而实际上长期储存和使用过程中完全排除水气对金属铀的影响是极其困难的。金属铀一旦发生氧化腐蚀则有可能改变其化学性质以及核反应性质并最终影响材料的使用性能,同时形成的腐蚀产物颗粒在空气中容易形成游离颗粒对人体健康造成威胁,因此研究铀在含水环境中的氧化腐蚀行为非常必要。吸附才能进行下一步的氧化行为,无论是部分解离后的OH-或全部解离后的O2-都可能促使界面处金属的氧化,关于铀氧反应的精细研究已表明氧化层会形成从超计量氧化层向亚计量氧化物逐渐过渡的分层结构,因此其内部的缺陷结构也会发生变化,但不同缺陷结构对表面吸附基团扩散的影响有待进一步研究。

2)金属铀在水蒸气或潮湿空气中最主要的反应是氧化反应,但由于H2O中H的存在以及铀的高活性,使得反应过程中存在U+O2-、U+O2-/U+H+以及U+OH-等多种可能性,这也使得宏观反应产物以及微观扩散过程存在争议,需要进一步深入研究。

3)不同加工方式可能导致金属铀内部晶格缺陷、织构组成以及微观结构等存在差异,而这些因素都可能会对H2O在其表面的吸附以及后续反应动力学等方面造成影响,但目前关于微观组织结构对铀水腐蚀过程影响的相关研究甚少,需要进一步系统研究。

4)微量O2会抑制金属铀在H2O中的腐蚀速率,但目前关于混合体系中的氧化反应研究主要集中在反应产物及动力学等宏观层面,对于表面初始反应以及氧气抑制机理还需要进一步研究。

5)环境中微量水总是很难去除,为了提高铀金属在长期储存过程中的可靠性,需要从抑制铀表面水吸附解离以及阻碍水解离基团向基体金属的扩散两方面开展实际应用过程中表面防护技术研究。

主要参考资料

[1] 麦克米伦百科全书

[2] 金属铀的结构、电子、力学和热力学性质的第一性原理研究

[3] 金属铀的水蒸气腐蚀行为研究现状