[科普中国]-一碳化铀

简介

UC是一种重要的核反应堆燃料2。在大气环境中，UC易被氧气和水汽氧化腐蚀，其氧化腐蚀动力学和氧化机理受到关注。关于UC的氧化行为，过去的工作主要集中在块状UC在高温条件下的热重、金相和X射线衍射分析等方面，但这些技术难以揭示氧化过程中材料表面数个原子层的变化信息。

合成方法制法1尽管碳化铀的制备方法有很多种，但是,最常用的方法还是铀的氧化物用碳还原并碳化,特别是二氧化铀的碳热还原方法研究和应用得更为广泛3。因为这种方法不仅对实验室简便可行,而且从它所使用的原始材料及其经济性来看，也更适合于工厂大规模的工业化生产。

还原用的碳是采用核纯的石墨,颗粒度小于1.5μm的占92%,(1.5~4) μm的占8%。

将(UO3+C)微球体在真空下加热到973K直到在系统中达到1mPa的真空，这样可以保证使(UO3+C)微球按照下式反应：

UO3(s)+0.5C(s)→UO2(s)+0.5CO2(g)

使完全转化为(UO2+C)微球，并使C/UO2=3.0(摩尔比)，在真空下将样品以1K/min的速率从1473K加热到1773K或在通入氩气流的情况下以0.75K/min的速率使样品从1523K加热到1900K，反应按下式

UO2(s)+3C(s)→UC(s)+2CO(g)

使氧化物转化为碳化物。

根据前面叙述的制备碳化铀的两个反应方程式，将按一定比例配制而成的二氧化铀和石墨的粉末加入少量的无水乙醇进行手工混料和制粒。然后，在温度为60℃的真空干燥箱内烘4h，再以4t/cm2:的压力制成8.3x10mm的压块。将压块放入真空碳管炉内的由钮片制成的小舟内，当真空度约达到4x10-5mmHg时,炉子开始加热升温。平均加热速率约为500℃/h，但开始的加热速率要小些,因为压块表面要放出吸附的湿气。当加热到规定的温度后再保温lh,此时,还原反应基本结束。炉子停止加热,待炉内冷却到室温以后,通入干燥的氢气,取出样品。碳化得到的碳化铀块表面呈灰色，放在二甲苯中保存。

将碳化得到的碳化铀块在玛瑙研钵中破碎,然后在二甲苯中球磨h6。球磨后,加入少量的聚乙烯醇粘结剂,混合均匀后再放到配有不锈钢手套箱的真空炉内烘千。此时，手套箱内充入高纯的干燥氢气,因为碳化铀粉末极易与空气中的氧和水发生反应。

制法2按化学计量比取适量的氢化铀粉末与碳粉在惰性气体中充分混合，加压成型制成片状，在真空或精制的惰性气体中进行加热。待氢分解析出后，迅速升温至1200℃并保持1～2h，可制得UC产品。用这种方法制备UC也可在较低的温度下进行，且可以准确的控制其组成，但缺点是反应不够彻底。

性质与稳定性灰色、硬而脆的金属性化合物，属于NaCl型立方晶系，a=4.9605A(1A=0.1nm，下同)4。密度为13.61g/cm3，熔点为(2525±30)℃。铀的一碳化物导热性好，且熔点、硬度都很高，适合作核燃料。在1000℃以上具有非整比组成，1400℃时C/U为0.954～1.00，2200℃时为0.90～1.92，另外，氧、氮的固溶度也高。较活泼，与水蒸气、氧气反应而被氧化。所以对于特别是粉末样品必须在惰性气体中处理。常温下，与水慢慢反应，加热使反应变快，生成UO2、CH4和高级烃。400℃时，无论在氧气或空气中都着火而生成U3O8和CO2。1100℃时，与氮气生成氮化物。室温下，与浓酸反应缓慢，加热后反应剧烈。可通过控制元素的比例和温度，直接使元素化合而成，亦可用铀与甲烷等烃类气体反应制得。与许多难熔金属及碳化锆等有相容性，故可用锆、铌、钛、钒等溶于一碳化铀中增加其机械强度，提高防腐蚀性，可用作核反应堆的释热元件。

用途碳化铀除像二氧化铀一样具有高熔点、膨胀各向同性及良好的辐照行为和机械性能外，尚具有独特的优点,即高热导、高含铀浓度和高密度等燃料特性6。因此，这种燃料引起了人们的广泛注意和极大的兴趣，被认为是一种很有潜力和先进的燃料。许多国家对此种燃料都进行了大量的研究工作。

计算化学数据1.疏水参数计算参考值（XlogP）:无

2.氢键供体数量:0

3.氢键受体数量:0

4.可旋转化学键数量:0

5.互变异构体数量:无

6.拓扑分子极性表面积0

7.重原子数量:2

8.表面电荷:0

9.复杂度:0

10.同位素原子数量:0

11.确定原子立构中心数量:0

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:2