Гидрид урана(III)

Гидрид урана — высокотоксичный пирофорный порошок или хрупкое твердое вещество от коричневато-серого до коричневато-черного цвета. Его плотность при 20 °C составляет 10,95 г см ⁻³, что намного ниже, чем у урана (19,1 г см ⁻³ ). Обладает металлической проводимостью, слабо растворяется в соляной кислоте и разлагается в азотной кислоте .

Обе кристаллические модификации гидрида урана имеют кубическую форму: α-форма получается при низких температурах, а β-форма выращивается при температуре выше 250 °С. ^[1] Хотя при комнатной тепрературе и ниже обе формы метастабильны, α-форма медленно переходит в β-форму при нагревании до 100 °С. ^[2] Обе кристаллические модификации_, являются ферромагнитными при температурах ниже ~180 К. Выше 180 К они становятся парамагнитными. ^[3]

Воздействие водорода на металлический уран делает металл более хрупким . Диффундируя через металл, водород порождает хрупкий гидрид на межзёренных границах. Тем не менее, отжиг в вакууме позволяет удалить водород и восстановить пластичность металла^[4].

Реакция урана с водородом протекает при нагреве до 250–300 °C. При дальнейшем нагреве примерно до 500 °C гидрид распадается на водород и металлический уран. Это свойство делает гидриды урана удобными исходными материалами для создания реактивного уранового порошка вместе с различными соединениями урана, такими как карбид, нитрид и галогениды урана^[5].

Так как в гидриде урана атомы водорода не являютсямежузельными, при образовании гидрида металл расширяется. В своей решетке каждый атом урана окружен 6 другими атомами урана и 12 атомами водорода; каждый атом водорода занимает большую тетраэдрическую яму в решетке. ^[6] Плотность водорода в гидриде урана примерно такая же, как в жидкой воде или жидком водороде . ^[7] В структуре присутствует связь UHU через атом водорода. ^[8]

Гидрид урана образуется, когда металлический уран подвергается воздействию воды или пара, при этом в качестве побочного продукта образуется диоксид урана^[9]:

${\displaystyle {\ce {7U +6H_2O = 4UH_3 +3 UO_2}$

Полученный гидрид урана пирофорен; если металл (например, поврежденный топливный стержень ) впоследствии подвергается воздействию воздуха, может выделяться избыточное тепло, а основная масса металлического урана может воспламениться^[10]. Загрязненный гидридами уран можно пассивировать путем воздействия на него газообразной смеси 98% гелия с 2% кислорода^[11]. Конденсированная влага на металлическом уране способствует образованию водорода и гидрида урана; при отсутствии кислорода может образоваться пирофорная поверхность^[12]. Это создает проблему при подводном хранении особого отработанного ядерного топлива в бассейнах выдержки отработанного топлива (ядерное топливо с коммерческих атомных электростанций НЕ содержит металлического урана). В зависимости от размера и распределения частиц гидрида самовоспламенение может произойти после неопределенно длительного воздействия воздуха^[13]. Такое воздействие создает риск самовозгорания остатков топлива в хранилищах радиоактивных отходов^[14].

При контакте гидрида урана с водой выделяется водород. Взаимодействие с сильными окислителями может вызвать пожар и взрыв. Контакт с галогенуглеродами может вызвать бурную реакцию^[15].

Порошок гидрида урана, пропитанный полистиролом, не пирофорен и может прессоваться, однако его соотношение водорода и углерода неблагоприятно. Вместо него в 1944 году был представлен гидрогенизированный полистирол^[16].

Предполагается, что дейтерид урана можно использовать для создания инициаторов нейтронов .

Гидрид урана, обогащенный примерно до 5% урана-235, предлагается в качестве комбинированного ядерного топлива и замедлителя нейтронов для саморегулирующегося ядерного энергетического модуля с водородным замедлителем^[англ.]. Согласно этой патентной заявке, реактор такого вида начинает вырабатывать электроэнергию, когда водород при достаточной температуре и давлении поступает в активную зону (состоящую из гранулированного металлического урана) и реагирует с металлическим ураном^[17]. Получающийся гидрид урана является как ядерным топливом, так и замедлителем нейтронов; по-видимому, водород замедляет нейтроны в достаточной степени, чтобы обеспечить протекание реакций деления; а атомы урана-235 в гидриде служат ядерным топливом. После начала ядерной реакции она будет продолжаться до тех пор, пока активная зона не достигнет определенной температуры, примерно 800 °C (1500 °F). При этой температуре гидрид урана разлагается на газообразный водород и металлический уран. Потеря замедлителя нейтронов приведет к замедлению — и в конечном итоге остановке — реакции. Когда температура вернется к приемлемому уровню, водород снова соединится с металлическим ураном, образуя гидрид урана, восстанавливая замедление, и ядерная реакция начнется снова. ^[17]

Гидрид урана реагирует с такими веществами, как диборан (с образованием борида урана)^[18], бром (с образованием бромида урана(IV) при 300°С ), хлор (c образованием хлорида урана(IV) при 250 °С), фтороводород (с образованием фторида урана(IV) при 20 °C), хлороводород (с образованием хлорида урана(III) при 300 °C), бромоводород (с образованием бромида урана(III) при 300 °C), иодоводород (с образованием иодида урана(III) при 300 °C), аммиак (с образованием нитрида урана(III) при 250 °C), сероводород (с образованием сульфид урана(IV) при 400 °C), кислород (с образованием окиси триурана при комнатной температуре), вода (с образованием диоксида урана при 350 °C)^[19].

Ион гидрида урана может мешать некоторым измерениям масс-спектрометрии, проявляясь в виде пика при массе 239, создавая ложное впечатление о присутствии плутония-239. ^[20]

Снаряды из гидрида урана использовались в серии экспериментов для определения критической массы урана. ^[21]

Дейтерид урана предполагалось^[англ.] применять в ядерном оружии. На ранних этапах Манхэттенского проекта, в 1943 году, гидрид урана исследовался как перспективный материал для бомбы; от него отказались в начале 1944 года, поскольку оказалось, что такая конструкция будет неэффективной. ^[22]

Водород, дейтерий и тритий можно очистить путем реакции с ураном и термического разложения полученного гидрида^[23]. На протяжении десятилетий исключительно чистый водород получали из слоев гидрида урана^[24]. Нагревание гидрида урана является удобным способом введения водорода в вакуумную систему^[25].

Вспучивание и измельчение при синтезе гидрида урана можно использовать для получения очень тонкого металлического урана путём разложения порошкообразного гидрида.

Также гидрид урана применяется в качестве восстановителя.

Тритид урана используется для безопасного и эффективного хранения трития, поскольку газообразный тритий сложнее удерживать и работать с ним. Тритид урана используется для отделения трития от образующегося при распаде трития гелия-3, поскольку гелий и тритий выделяются из гидрида урана при разных температурах^[26].