Коррозия урана и его сплавов в теплоносителе

Белорусский государственный университет

Физический факультет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему

 

«Коррозия урана и его сплавов в теплоносителе»

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка 5 курса, 4 группы,

Физического факультета БГУ

Специальности «Ядерные физика и технологии»

Дневной формы обучения

Моисеева Екатерина Александровна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск, 2014 год

Коррозия урана

 

Сведения о коррозионной стойкости урана и его сплавов в теплоносителях и других агрессивных средах весьма важны для оценки  их  поведения  при  разгерметизации  твэлов,  технологических операциях, регенерации облученного ядерного топлива и т.п. Металлический уран обладает высокой химической активностью и во многих отношениях он похож на магний. При комнатной температуре  уран  взаимодействует  с  воздухом,  кислородом,  водородом, водой,  парами  воды  и  другими  реагентами.  На  воздухе  свежий срез, имеющий серебристый цвет, становится золотисто-желтым, а затем  через  3–4  суток  он  покрывается  черной  пленкой  оксида  и нитрида. При  взаимодействии  с водой уран образует  стабильный оксид UO2, а при взаимодействии с водородом – гидрид UH3.

Коррозия  урана  в  агрессивных  средах  определяется  целостностью защитной оксидной пленки UO2. По мере увеличения толщины  пленка может  растрескиваться,  отслаиваться  и  обнажать  свежую поверхность металла, что ускоряет коррозию. При окислении урана в сухом воздухе и кислороде наиболее важное значение имеет диффузия кислорода через слой оксида, образующегося в начале процесса. При этом последовательно протекают реакции:

O2 (газ) → O2 (адсорбированный) → 2O (диссоциированный)

U → U4+ + 4е-,

2е- + O → O2-,

а также:

U + O → UO,

UO + O → UO2,

3UO2 + 2O → U3O8,

U3O8 + O → 3UO3.

В компактном виде UO не обнаружен, однако может присутствовать в виде поверхностного слоя на металлическом уране.

В  воде  уран  имеет  низкую коррозионную  стойкость.  Hа

рис. 1 приведены данные о коррозии металлического урана

в аэрированной дистиллированной воде. В интервале температур 50–70 °С уран имеет невысокую  скорость  коррозии.  При более высоких температурах 80 и 100°С пленка на UO2 обладает слабыми защитными свойствами и уран корродирует с почти постоянной скоростью. 

В аэрированной воде протекают реакции:

 

U + 2H2O → UO2 + 2Н2,

2U + 3H2 → 2UH3,

2UH3 + 4H2O →2UO2 + 7Н2.

 

 

Возможна также реакция:

4Н+ + U → U4+ + 2Н2.

 

 

В  насыщенной  водородом  воде скорость  коррозии  урана  линейно увеличивается с уменьшением обратной температуры (рис. 2). В паре скорость коррозии урана выше 225 °С является значительной и практически не  зависит  от  обратной  температуры (рис. 3).

В  большинстве  случаев  основной механизм коррозии урана в воде связывают  с  реакцией  образования  гидрида. Эта реакция играет  существенную роль в увеличении общей скорости коррозии (оксидной и гидридной), когда оксидная пленка  защищает поверхность  металла  от  доступа  воды.

Водород, образующийся в процессе коррозии в воде, может диффундировать через продукт оксидной коррозии и приводить к быстрому взаимодействию водорода с ураном. В результате образования гидрида UH3 скорость коррозии увеличивается.

 Сравнительные данные  о скорости коррозии  урана  в  теплоносителях (воздухе,  воде  и  жидком  натрий) представлены в таблице.

 

Уран активно  взаимодействует  с  воздухом  и особенно  с  водой,  но  в  то же  время почти  не  корродирует  в  жидком  натрии.

 

Скорость коррозии урана в теплоносителях  увеличивается  с  ростом температуры,  интенсивности  облучения  (радиационная  коррозия)  и  времени пребывания в реакторной среде.

Легирование  повышает  сопротивление урана коррозии. Наиболее коррозионно-устойчивы  при  повышенных  температурах  сплавы  уран-ниобий  и  уран-молибден (рис. 4). 

 

Зависимость величины потери массы образцов сплавов урана с содержанием молибдена от 8 до 15,5 мас.% от времени испытаний при 316 °С в дистиллированной воде (рис. 5) показывает, что наибольшее сопротивление коррозии имеют сплавы с 10–12 мас.% Мо. Скорость коррозии сплавов           уран–молибден линейно увеличивается с повышением температуры (рис. 6), и для сплавов с 9–12 мас.% Мо, закаленных из γ-фазы, она составляет при температурах 316, 360 и 400 °С соответственно 0,1, 0,3 и 0,8 мг/(см2·ч). 

 

 

Коррозионную  стойкость  сплавов  можно  повысить  соответствующей  термической  обработкой  или малыми  добавками  других элементов. Уран  очень  быстро  растворяется  в  водных  растворах соляной кислоты. Реакция часто завершается образованием значительного количества черного твердого вещества, состоящего преимущественно из гидратированного урана, содержащего, вероятно, небольшое  количество  водорода.  Малые  добавки  фторсиликатионов предотвращают появление этого твердого вещества во время растворения урана в соляной кислоте.

Кислоты, не обладающие окислительным действием, например серная, фосфорная и плавиковая, реагируют с ураном очень слабо, тогда как азотная кислота растворяет компактный уран с заметной скоростью. Растворение  тонкоизмельченного  урана  в азотной  кислоте может сопровождаться взрывом. Металлический уран инертен к действию щелочей. Добавление окислителей, например перекиси водорода, к раствору гидроокиси натрия приводит к растворению урана и образованию плохо идентифицируемых водородосодержащих пероксидов.

 

Список использованной литературы:

1. ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник  для  вузов. / Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008.