Urancarbide

Urancarbide
Name	Urandicarbid	Diurantricarbid	Uranmonocarbid
Andere Namen	Uranacetylid	Uransesquicarbid	Uran(IV)-carbid
Summenformel	UC2	U2C3	UC
CAS-Nummer	12071-33-9	12076-62-9	12070-09-6
PubChem	518487		166603
Molare Masse	262,05 g·mol−1	512,09 g·mol−1	250,04 g·mol−1
Aggregatzustand	fest	fest	fest
Kurzbeschreibung	hellgrauer Feststoff[1]	schwarzer Feststoff[1]	grauschwarzer Feststoff[1]
Schmelzpunkt	2375 °C[1]	~1700 °C (Zersetzung)[2]	~2400 °C[1]
Siedepunkt	4370 °C[3]
Dichte	11,68 g·cm−3[1]	12,7 g·cm−3[2]	13,6 g·cm−3[1]
GHS- Kennzeichnung[4]	Gefahr
H- und P-Sätze	330​‐​300​‐​373​‐​411
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Urancarbide zeigen zwar noch einen metallischen Charakter, unterscheiden sich jedoch in ihren Eigenschaften deutlich von den Carbiden der IV., V. und VI. Nebengruppe. So ist ihre Härte deutlich niedriger, sie sind pyrophor und werden von Wasser oder schwachen Säuren leicht hydrolysiert.[5]

Urandicarbid liegt in Form einer hellgrauen, metallglänzenden kristallinen Masse vor. Es besitzt eine tetragonale Kristallstruktur mit der Raumgruppe I4/mmm (Raumgruppen-Nr. 139)Vorlage:Raumgruppe/139 und den Gitterparametern a = 352,7 pm und c = 600,2 pm. Diese Form existiert von Zimmertemperatur bis 1800 °C. Sie wandelt sich oberhalb von 1800 °C in eine kubische Form (a = 548,8 pm) um.[1]

Diurantricarbid ist ein schwarzer, metallglänzender Feststoff mit kubischer Kristallstruktur und der Raumgruppe I43d (Nr. 220)Vorlage:Raumgruppe/220 und dem Gitterparameter a = 808,8 pm.[1]

Uranmonocarbid liegt in Form einer grauschwarzen, kristallinen Masse mit metallisch glänzenden Oberflächen vor. Diese besitzt eine Kristallstruktur vom Natriumchlorid-Typ mit Homogenitätsgebiet (a = 495,9 bis 496,1 pm).[1] Die Verbindung reagiert mit Sauerstoff und geschmolzenem Beryllium, Nickel, Zirconium und Silicium.[6]

Urandicarbid kann durch Reaktion von Uran(IV)-oxid oder Uran(V,VI)-oxid mit Graphit im Vakuum bei 2400 °C gewonnen werden. Zur Herstellung keramischer Formkörper (z. B. Reaktorpellets) verpresst man die Ausgangsstoffe und sintert bei 2250 °C. Die stöchiometrische Zusammensetzung wird bei den Synthesen gewöhnlich nicht ganz erreicht. Normalerweise erhält man Präparate mit der Zusammensetzung UC_1,85 bis UC_1,9.[1]

${\displaystyle {\ce {UO2 + 4 C -> UC2 + 2 CO}}}$

${\displaystyle {\ce {U3O8 + 14 C -> 3 UC2 + 8 CO}}}$

Die Reaktion eines stöchiometrischen Gemisches von Uran und Kohlenstoff bei 2400 °C liefert nur ein Reaktionsprodukt mit der Zusammensetzung UC_1,85 bis UC_1,94.[1]

${\displaystyle {\ce {U + 2 C -> UC2}}}$

Diurantricarbid kann durch Reaktion eines stöchiometrischen Gemisches von Uran(IV)-oxid oder Uran und Kohlenstoff bei 2400 °C gewonnen werden.[1]

${\displaystyle {\ce {2 UO2 + 7 C -> U2C3 + 4 CO}}}$

${\displaystyle {\ce {2 U + 3 C -> U2C3}}}$

Ebenfalls möglich ist die Darstellung durch Reaktion von Uranmonocarbid mit Urandicarbid.[1]

${\displaystyle {\ce {UC + UC2 -> U2C3}}}$

Uranmonocarbid kann durch Reaktion eines stöchiometrischen Gemisches von Uran und Graphit gewonnen werden.[1]

${\displaystyle {\ce {U + C -> UC}}}$

Ebenfalls möglich ist die Darstellung durch Reaktion von Uran mit Methan bei 625 °C bis 900 °C.[7]

${\displaystyle {\ce {U + CH4 -> UC + 2 H2}}}$

Bei der Herstellung ist zu beachten, dass Urancarbide häufig durch Sauerstoff verunreinigt werden, wodurch Uranoxidcarbid-Mischkristalle UC_1−xO_x entstehen.[8]

Urancarbide werden in Hochtemperatur- und Brutreaktoren verwendet.[5] Uranmonocarbid wurde als Reaktorbrennstoff im Kernkraftwerk Hallam und Urandicarbid im Block 1 des Kernkraftwerk Peach Bottom verwendet.[9][10] Sie wurden in den 1960er Jahren auch als Brennstoffe für nukleare Raumschiffantriebe getestet.[11] Es wird auch der Einsatz von Mischverbindungen mit Niobcarbid, Tantalcarbid, Zirconiumcarbid und weiteren für Kernreaktoren untersucht.[12] So kann beim Kernkraftwerk THTR-300 auch ein Gemisch aus Urandicarbid und Thoriumdicarbid als Brennstoff verwendet werden.[13]

1. Georg Brauer (Hrsg.): Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. 3., umgearb. Auflage. Band II. Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-87813-3, S. 1240.
2. William M. Haynes: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 93rd Edition. CRC Press, 2012, S. 97 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
3. Dale L. Perry: Handbook of Inorganic Compounds, Second Edition. CRC Press, 2011, S. 488 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
4. Eintrag zu Uranverbindungen in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 17. Juli 2014. (JavaScript erforderlich)
5. Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg, Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner: Industrielle Anorganische Chemie - Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg, Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-64959-4, S. 616 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
6. Werner Martienssen, Hans Warlimont: Springer Handbook of Condensed Matter and Materials Data. Springer Science & Business Media, 2006, S. 464 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
7. B. K. Sharma: Nuclear and Radiation Chemistry. GOEL Publishing, 2001, ISBN 81-85842-63-9, S. 165 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
8. Dissertation Rocky-Pitua Sutanto: Das Verhalten der Urancarbide und -oxicarbide in endlagerrelevanten aquatischen Phasen
9. United States. Office of Saline Water: Proceedings. U.S. Dept. of the Interior, Office of Saline Water; for sale by the Supt. of Docs., U.S. Govt. Print. Off., 1965, S. 91 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
10. L. M. Ferris; M. J. Bradley; U.S. Atomic Energy Commission.; Oak Ridge National Laboratory; 1964. Off-gases from the reactions of uranium carbides with nitric acid at 90°C (Memento des Originals vom 26. Juli 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/web.ornl.gov, abgerufen am 19. Juli 2014.
11. bernd-leitenberger.de: Nukleare Antriebe, abgerufen am 19. Juli 2014.
12. FP7829.PDF: Ternary Carbide Uranium Fuels for Advanced Reactor Design Applications - FP7829.PDF (Memento des Originals vom 29. Juli 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.jsme.or.jp, April 1999, abgerufen am 19. Juli 2014.
13. Manfred Grathwohl: Energieversorgung: Ressourcen, Technologien, Perspektiven. Walter de Gruyter, 1983, S. 206 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).