[科普中国]-二碳化铀

简介

铀碳化合物因其理想的物理性质，如高熔点、高燃耗、高线性功率、高热导性等，被视为是很有前景的下一代核燃料，并主要应用于包覆型燃料颗粒。以前的研究显示铀碳化合物能以 UC、UC2和 U2C3的形式存在，并且可以在它们用为核燃料的过程中发生气化，随后的实验发现在其中，UC2是最丰富的气态铀碳分子。质谱分析也证实了气态 UC2在固态铀碳化合物上的存在2。

性质与稳定性二碳化铀为类似UC的金属型化合物，银色晶体，有毒1。密度11.7g/cm3。熔点2350～2400℃，沸点4370℃。在1514℃以上，能稳定存在，但在1765℃时发生α→β型的转变。α-UC2属CaC2型正方晶系，a=3.5241A，c=5.9962A，C/U=1.94，密度为11.68g/cm；β-UC2属NaCl型立方晶系，a=5.49A，遇水分解，不溶于乙醇，在稀的无机酸中分解。常温下，与水反应缓慢，加热时反应变快。在空气中慢慢分解。与氟一起稍微加热就会爆炸。室温下，与浓酸反应缓慢；碱可分解它。铀碳化物的制备可通过控制元素的比例和温度，直接使元素化合而成。二碳化铀在1765℃时会很缓慢的分解为三碳化二铀和碳。二碳化铀比一碳化铀更活泼3，它可与水蒸气、氧气、氮气等激烈反应，所以有关它的操作必须在惰性气体中进行。常温下，与水反应缓慢，加热时反应变快。在空气中慢慢分解。与氟一起稍微加热就会爆炸。

结构UC2是最具有代表性的并且是在核反应堆中最可能吸附在石墨上的铀碳化合物分子4。尽管实验中只发现了直线 CUC 结构（三重基态），等腰三角 UC2结构（五重基态）却是第一性原理计算得到的最稳定的结构。另一方面，由于在等腰三角 UC2中，最高占据轨道是含有 U 的 7s 和 5f 特征的 4 个单电子占据轨道，同时在铀内嵌富勒烯系统中 7s 电子易于转移到碳笼上，5f 轨道对与碳笼的共价作用有贡献。因此可以预见，等腰三角 UC2和石墨烯间很可能会有 U 原子参与的强化学吸附作用。然而，直线 CUC 的前线轨道几乎都局域在U-C 三重键上，它与石墨烯的相互作用仍需要进一步的研究。

合成方法制法1参照UC的制法1，但使C/UO2=4.0(摩尔比)，在同样的条件和温度下，其反应按下式进行：

UO2(s)+4C(s)→UC2(s)+2CO(g)

最后可制得UC2产品。

制法2将化学计量比(摩尔比1∶2)的氢化铀粉末与碳粉在惰性气体中充分混合加压制成片状，参照三碳化二铀的制法2，同样在真空或精制的惰性气体中加热，待氢分解析出后，迅速升温至1900～2000℃并保持数小时，即可制得UC2产品。

用途（1）是常用于轻水堆、重水堆和快中子增殖堆的铀燃料形式，它是一种稳定的陶瓷燃料5。

（2）在铀工艺中，二氧化铀是一种重要的中间产物，是干法生产四氟化铀的原料。

（3）可通过用氢气还原三氧化铀或八氧化三铀的方法来制备，也可通过三碳酸铀酰铵(NH4)4[UO2(CO3)3]直接煅烧还原制得。

（4）它是动力反应堆中广泛使用的核燃料，又是干法制备四氟化铀的重要原料。

计算化学数据1.疏水参数计算参考值（XlogP）:2.65

2.氢键供体数量:3

3.氢键受体数量:9

4.可旋转化学键数量:10

5.互变异构体数量:2

6.拓扑分子极性表面积155

7.重原子数量:33

8.表面电荷:0

9.复杂度:779

10.同位素原子数量:0

11.确定原子立构中心数量:1

12.不确定原子立构中心数量:0

13.确定化学键立构中心数量:0

14.不确定化学键立构中心数量:0

15.共价键单元数量:1