Гексафторид урана

Гексафторид урана (UF₆) — бинарное неорганическое химическое соединение урана и фтора, представляющее собой при стандартных условиях белое (в чистом виде) или сероватое кристаллическое вещество, обладающее высокой летучестью. Является единственным известным стабильным и легколетучим соединением урана, что обусловило его ключевое применение в промышленности: в качестве рабочего тела в процессах разделения изотопов урана (обогащения) для получения ядерного топлива и оружейного урана.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Гексафторид урана представляет собой плотные кристаллы ромбической сингонии (пространственная группа Pnma). При нормальном атмосферном давлении он возгоняется (переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу) при температуре 56,5 °C. Тройная точка (температура и давление, при которых сосуществуют твёрдая, жидкая и газообразная фазы) находится при 64,0 °C и давлении 1,5 атм. Жидкая фаза существует только в интервале температур от 64,0 до 116,0 °C при повышенном давлении. Критическая температура составляет 230,2 °C, критическое давление — 4,55 МПа.

Плотность твёрдого UF₆ при 20 °C составляет около 5,09 г/см³. Плотность жидкого UF₆ при 64 °C — около 3,6 г/см³. Плотность пара значительно превышает плотность воздуха (молярная масса 352,02 г/моль), что делает газообразный гексафторид урана одним из самых тяжёлых газов в природе. Давление насыщенного пара при 20 °C составляет около 11,6 кПа (87 мм рт. ст.), что обеспечивает достаточную концентрацию молекул в газовой фазе для промышленного обогащения.

Химические свойства

Гексафторид урана является сильным окислителем и фторирующим агентом. Он чрезвычайно реакционноспособен по отношению к воде, с которой вступает в бурную гидролитическую реакцию:

UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF

В результате образуются фторид уранила (UO₂F₂) и фтороводород (плавиковая кислота). Эта реакция протекает с выделением тепла и может приводить к образованию токсичных и коррозионно-активных аэрозолей. По этой причине все операции с гексафторидом урана проводятся в герметичном оборудовании в атмосфере инертных газов или в вакууме.

UF₆ химически инертен по отношению к сухим кислороду, азоту и диоксиду углерода. Он реагирует со многими металлами (особенно при нагревании), образуя фториды металлов и восстанавливаясь до UF₄. С органическими соединениями (масла, смазки, резина) взаимодействует с воспламенением или разрушением. Для работы с UF₆ применяют никель, медь, алюминий (при определённых условиях), а также специальные марки нержавеющей стали и фторопласты.

Получение

Промышленное получение гексафторида урана основано на реакции фторирования тетрафторида урана (UF₄) газообразным фтором:

UF₄ + F₂ → UF₆

Процесс ведётся в пламенных реакторах при температуре 300–500 °C. Тетрафторид урана, в свою очередь, получают из оксидов урана (U₃O₈ или UO₂) путём их обработки газообразным фтороводородом (HF) при 400–600 °C.

В качестве исходного сырья используется природный уран (с содержанием изотопа ²³⁵U около 0,7 %) или регенерированный уран из отработавшего ядерного топлива. Полученный UF₆ очищают от примесей фторидов других металлов (Mo, V, Cr, Nb) методом ректификации или фракционной конденсации.

Применение

Обогащение урана

Основное и практически единственное промышленное применение гексафторида урана — разделение изотопов урана. Изотопы ²³⁵U и ²³⁸U имеют незначительную разницу в массе (около 1,3 %), что делает их разделение чрезвычайно сложной задачей. UF₆ — единственное соединение урана, которое при умеренных температурах переходит в газовую фазу, не разлагаясь, и при этом сохраняет изотопный состав урана неизменным.

Используются два основных метода обогащения:

1. Газодиффузионный метод (исторически первый, ныне в значительной степени вытеснен). Основан на разнице в скорости диффузии молекул ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆ через пористые мембраны. Требует огромного количества энергии и протяжённых каскадов из тысяч ступеней.
2. Газоцентрифужный метод (доминирует в современной промышленности). Основан на разделении изотопов в центробежном поле, создаваемом вращающимися роторами центрифуг. Более энергоэффективен и компактен.

В результате обогащения получают две фракции:

• Обогащённый уран (содержание ²³⁵U от 3–5 % для реакторов АЭС до 90 % и более для оружейных целей). После обогащения UF₆ конвертируют в диоксид урана (UO₂) для изготовления топливных таблеток.
• Обеднённый уран (отвальный уран, содержание ²³⁵U менее 0,3 %). Хранится в виде UF₆ в специальных стальных контейнерах. Обеднённый гексафторид урана является крупнотоннажным отходом ядерного топливного цикла; его запасы в мире составляют сотни тысяч тонн.

Другие применения

В крайне ограниченных масштабах UF₆ используется в научных исследованиях (например, в лазерном разделении изотопов) и в качестве фторирующего агента в органическом синтезе. Промышленного значения эти применения не имеют.

Токсичность и опасность

Гексафторид урана представляет собой комбинированную опасность: химическую токсичность и радиоактивность.

Химическая токсичность

Основную опасность представляет продукт его гидролиза — фтороводород (HF), который вызывает тяжёлые химические ожоги кожи, глаз и дыхательных путей. Сам UF₆ является сильным раздражителем и при вдыхании вызывает отёк лёгких. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны для UF₆ составляет 0,015 мг/м³ (по урану).

Радиоактивность

Радиоактивность UF₆ обусловлена входящим в его состав ураном. Природный и обеднённый уран обладают низкой удельной активностью (альфа-излучение). Основную радиационную опасность представляет внутреннее облучение при попадании частиц соединения внутрь организма. Обогащённый уран обладает более высокой активностью и требует дополнительных мер защиты от гамма-излучения.

Пожаро- и взрывоопасность

Сам UF₆ не горюч, но является сильным окислителем. При контакте с органическими веществами (маслами, смазками) может вызывать их воспламенение. При нагревании контейнеров с UF₆ возможно повышение давления и их разгерметизация.

Хранение и транспортировка

Гексафторид урана хранят и транспортируют в герметичных стальных контейнерах (баллонах) стандартных размеров (например, 30-дюймовые и 48-дюймовые цилиндры). Внутренняя поверхность контейнеров должна быть сухой и чистой для предотвращения коррозии. UF₆ находится в контейнерах в твёрдом состоянии (при нормальной температуре). При транспортировке и хранении контролируется температура и давление внутри контейнера. В случае аварийной утечки газообразный UF₆ быстро реагирует с влагой воздуха, образуя плотное облако аэрозоля UO₂F₂ и HF, которое распространяется по ветру.

История

Впервые гексафторид урана был получен в 1909 году французским химиком Анри Муассаном (первооткрывателем фтора) при действии фтора на металлический уран. Однако практическое значение соединение приобрело только в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта. Именно выбор UF₆ в качестве рабочего тела для газодиффузионного метода позволил создать первые промышленные мощности по обогащению урана. В СССР промышленное производство UF₆ было налажено в конце 1940-х годов.

Интересные факты

• Гексафторид урана — одно из немногих соединений, в котором уран находится в высшей степени окисления +6.
• Плотность газообразного UF₆ примерно в 13 раз больше плотности воздуха. При утечке он может скапливаться в приземном слое, образуя «озёра» тяжёлого газа.
• Всемирные запасы обеднённого гексафторида урана (отвального UF₆) превышают 1,5 миллиона тонн. Часть этих запасов рассматривается как потенциальный ресурс для будущих реакторов-размножителей.

Источники

• Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry, Uranium, Supplement Volume C8, Springer-Verlag, 1980.
• Benedict, M., Pigford, T. H., Levi, H. W. Nuclear Chemical Engineering, 2nd ed., McGraw-Hill, 1981.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. Часть 2. — М.: Мир, 1969.
• Некрасов Б. В. Основы общей химии. Том 2. — М.: Химия, 1973.
• Материалы Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) по безопасному обращению с гексафторидом урана.