[科普中国]-氮化铀

性质

氮化铀是浅灰色粉末，体心立方结构，熔点～2630℃，理论密度值为14.32g/cm3，具金属性，是热和电的良导体。温度在300℃以下时，与水反应缓慢，生成一层二氧化铀保护层。溶于硝酸、浓高氯酸或热磷酸，不溶于热的或冷的盐酸、硫酸或氢氧化钠溶液。与熔融碱反应迅速。UN与潮湿空气或水能迅速进行反应。易于氧化，温度低于1200℃制得的氮化铀，在空气中室温下就可着火。加热铀和氮到400℃以上，得到的是氮化铀、三氮化二铀和二氮化铀(UN，U2N3和UN2)混合物；在高于1200℃的1个大气压的氮气中仅氮化铀是稳定的。通常在2.0MPa的氮气中电弧熔融金属铀制备。是潜在的核燃料，其铀原子密度高、慢化能力低和熔点高，可作为快中子堆的改进型燃料。

氮化铀在大气环境中表面会迅速形成一定厚度的氧化层，进而阻止氧化反应的继续进行，因此大气环境下氮化铀材料是稳定的。

在辐照环境下，氮化铀表面经氩离子轰击后，表面形貌发生了改变；氩离子轰击氧化与大气中的自然氧化行为存在差异，子轰击增强了氮化铀表面的氧化程度，但其对氧化行为的影响主要在浅表面，大气氧化的氮化铀氧化层更厚；随着氩离子轰击能量的增加，表面氧化物含量及氧化层深度显著增加。总体而言，氩离子辐照对氮化铀层的影响随深度的增加而减弱，并不影响氮化铀的整体稳定性。2

制备方法氮化铀燃料制备的关键技术之一是纯度高、烧结活性好的氮化铀粉末合成工艺。以三碳酸铀酰胺(AUC)流程制备的高活性氧化铀粉末和高纯度的碳黑为主要原材料，采用碳热还原-氮化反应合成氮化铀粉末的工艺可制备获得。

目前各国广泛采用碳热还原-氮化反应制备 UN 粉末。在 UN粉末制备过程中重点需要考虑的因素有：原材料UO2粉末的活性、碳/铀摩尔比、反应气氛、反应温度和时间等。1

应用氮化铀是一种 潜在的动力反应堆核燃料元件。基于氮化铀(UN)燃料的高铀密度、高热导、高温稳定性、与液态金属良好的相容性等优良的性能，使其成为未来空间堆动力、空间核电源以及核动力火箭的首选燃料，同时也是第四代核能系统的重要候选燃料。

国外关于在空间核动力装置用的氮化铀燃料的研究与开发于 20 世纪 90 年代末已达到工程应用阶段。另外，国际上在第四代核能系统的规划方面，已将氮化铀燃料作为铅冷块堆(简称 LFR)以及钠冷快堆(简称 SFR)等两种堆型的重要候选燃料。国内尚未系统地开展氮化铀燃料制备工艺和性能方面的研究。