水素化ウラン(III)

[水]]素化[[ウラン]：性質、生成、反応、用途、歴史

[水]]素化ウラン]（UH₃）、別名三[[水素化ウランは、ウランと水素からなる化合物です。灰褐色から黒褐色の粉末状または脆い固体で、非常に強い毒性を持ち、空気中で自然発火する危険性があります。20℃における密度は10.95 g/cm³と、金属ウランの密度（19.1 g/cm³）よりも低くなっています。

性質

水素化ウランは金属性導電体であり、塩酸にはわずかに溶解しますが、硝酸中では分解します。結晶構造は温度によって変化し、低温で生成したものはα相、250℃以上で生成したものはβ相と呼ばれます。両相とも室温では準安定ですが、α相を100℃に加熱するとゆっくりとβ相へと変化します。180K以下では強磁性を、180K以上では常磁性を示します。

生成

水素化ウランは、金属ウランと水素を250～300℃で反応させることで生成します。この反応は可逆反応であり、500℃に加熱するとウランと水素に分解します。


2U + 3H₂ ⇌ 2UH₃


この可逆的な性質は、ウラン炭化物、窒化物、ハロゲン化物と同様に、反応性の高いウラン粉末を得るための出発物質として有用です。水素化ウランは侵入型化合物ではなく、ウラン原子が水素によって膨張した構造を持ちます。水素原子はウラン原子によって形成される格子間の大規模な四面体空間に位置し、水素密度は水や液体水素に匹敵します。結晶内では、水素を介したU-H-U結合が存在します。

水との反応

水素化ウランは、金属ウランと水との反応によっても生成します。例えば、マグノックス炉（金属ウランを燃料とする原子炉）における燃料の腐食過程においても生成されます。この反応は、以下のように表されます。


7U + 6H₂O → 3UO₂ + 4UH₃


水素化ウランの自己発火性のために、空気中に露出した水素化ウランが付着した金属（例えば破損した燃料棒）は、発火し金属ウランの燃焼を引き起こす可能性があります。そのため、水素化ウランはヘリウム98％、酸素2％の混合気体中で不動態化処理を行う必要があります。また、金属ウランへの結露は水素化ウランの生成を促進します。特に貧酸素状態では、自己発火性の被膜が形成されやすく、使用済み燃料プールの燃料保管において大きな問題となります。水素化物粒子の大きさや分布は、自己発火までの時間にも影響を与えます。

その他の化学反応

[水]]素化ウランは様々な物質と反応します。例えば、ジボランと共に加熱するとホウ化ウランを、臭素や塩素と加熱するとそれぞれ臭化ウラン]、塩化[ウラン]を生成します。[フッ化水素とは室温でも反応し、四フッ化ウランとなります。また、アンモニア、硫化水素、酸素などとも反応し、それぞれ窒化ウラン]、硫化[ウラン]、八酸化三[[ウランなどを生成します。 ポリスチレン含浸水素化ウラン粉末は自己発火性を示さず圧縮も可能ですが、水素-炭素比の点で水素添加ポリスチレンの方が優れているため、1944年に後者が開発されました。重水素化ウランは中性子点火器の設計に利用できる可能性があります。また、水素減速自己制御原子力モジュールの燃料兼減速材として、ウラン235を5％濃縮した水素化ウランを用いる設計が提案されています。

質量分析において、水素化ウランは質量数239にピークを示し、プルトニウム239と誤認される可能性があります。

歴史

水素化ウランは、ウランの臨界量決定実験で使用されました（リチャード・ファインマンはこれを「竜の尾をくすぐるようなもの」と表現しました）。水素化ウランおよび重水素化ウランは、水素化ウラン爆弾の核分裂物質として検討されましたが、1944年には非効率であるとして放棄されました。1953年には実験が行われましたが失敗に終わっています。

用途

水素化ウランは、水素、重水素、三重水素の高純度化に利用されています。ウランと水素同位体を反応させて水素化物を生成した後、熱分解することで高純度な水素同位体を得ることができます。また、水素化ウランの熱分解は、真空装置内への水素導入にも便利な手法です。さらに、水素化ウランの膨張と脆性を利用した超高純度ウラン微粉末の製造、水素同位体の分離にも利用できます。

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