13.2. Карбиды урана.

Обобщенная диаграмма состояния системы U-C представлена на рис.1.

Рис.1. Диаграмма состояния системы U – C.

Уран образует три стехиометрических соединения с углеродом: монокарбид UC, полуторный карбид U₂C₃ и дикарбид UC₂. Для практического применения наибольший интерес представляет монокарбид урана. Он не испытывает полиморфных превращений во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления, устойчив до этой температуры, имеет максимальное содержание делящегося элемента. Монокарбид урана при низких температурах не имеет области гомогенности и характеризуется строгим стехиометрическим составом. Выше 1300С обнаружена заметная растворимость урана в UC, до 2 ат.%. Это приводит к закономерному изменению решетки UC.

Одной из существенных трудностей изучения системы U – C является получение чистых соединений карбидов, не загрязненных кислородом и азотом. Избежать загрязнения во время приготовления сплавов практически не удается. Кислород и азот способны замещать в кристаллической решетке углерод, что оказывает влияние на все изучаемые параметры.

Полуторный карбид устойчив приблизительно до 1730С, после чего без плавления разлагается на UC и UC₂. Этот карбид также не имеет области гомогенности и сохраняет свой стехиометрический состав. Полуторный карбид невозможно получить из элементов, т.к. при температурах ниже 1700-1800С реакция не протекает по кинетическим причинам, а выше наблюдается разложение на UC и UC₂.

В отличие от UC и U₂C₃ дикарбид урана не получен, пока, в виде строго стехиометрического соединения UC₂. По данным различных авторов содержание углерода в дикарбиде урана колеблется от UC_1,78 до UC_1,96. Дикарбид урана существует в двух кристаллических формах – тетрагональной (- модификация) и кубической (- модификация). Температура полиморфного превращения ~ 1765С сопровождается также скачком состава от UC_1,89 до UC_1,96. Ниже температуры ~1514С UC₂ должен разлагаться на U₂C₃ и C. Однако эта реакция очень замедленна и при быстром охлаждении удается получить UC₂, находящийся в метастабильном состоянии.

Параметры кристаллической решетки карбидов урана зависят от содержания примесных кислорода и азота. Т.к. не удается получить не загрязненные этими элементами соединения урана и углерода, в литературе наблюдается значительный разброс экспериментальных данных по параметрам решетки. На рис.2 представлена зависимость параметра решетки UC от содержания кислорода, а на рис.3 зависимость периода решетки для твердых растворов UN в UC.

Рис.2. Период решетки UC в зависимости от содержания в нем кислорода.

Рис.3. Период решетки твердых растворов UC – UN (диффузия в твердом состоянии).

Период кристаллической решетки UC в зависимости от способа получения изменяется от а₀ = 4,95980,0003 Å до 4,96090,0002Å.

Период кристаллической решетки U₂C₃ в зависимости от способа получения изменяется от а₀ = 8,08850,0005 Å до 8,0890,01Å.

Период кристаллической решетки - UC₂ в зависимости от способа получения изменяется от а₀ = 5,350,1 Å до 5,4750,01Å.

Параметры решетки -UC₂ тетрагональной структуры: от а₀ = 3,504 0,001Å, с₀ = 5,951 0,001Å до а₀ = 3,525 0,001Å, с₀ = 6,00 0,01 Å