Dióxido de uranio
Dióxido de uranio u óxido de uranio(IV) (UO2< /span>), también conocido como urania u óxido uranoso, es un óxido de uranio y es un polvo negro, radiactivo y cristalino que se encuentra naturalmente en el mineral uraninita. Se utiliza en barras de combustible nuclear en reactores nucleares. Como combustible MOX se utiliza una mezcla de dióxidos de uranio y plutonio. Antes de 1960, se utilizaba como color amarillo y negro en esmaltes cerámicos y vidrio.
Producción
El dióxido de uranio se produce reduciendo el trióxido de uranio con hidrógeno.
- UO3 + H2 → UO2 + H2O a 700 °C (973 K)
Esta reacción juega un papel importante en la creación de combustible nuclear mediante el reprocesamiento nuclear y el enriquecimiento de uranio.
Química
Estructura
El sólido es isoestructural con (tiene la misma estructura que) fluorita (fluoruro de calcio), donde cada U está rodeada por ocho O vecinos más cercanos en una disposición cúbica. Además, los dióxidos de cerio, torio y los elementos transuránicos, desde neptunio hasta californio, tienen la misma estructura. Ningún otro dióxido elemental tiene la estructura de fluorita. Al fundirse, la coordinación UO media medida se reduce de 8 en el sólido cristalino (UO8 cubos) a 6,7 ± 0,5 (a 3270 K) en la masa fundida. Los modelos consistentes con estas mediciones muestran que la masa fundida se compone principalmente de unidades poliédricas UO6 y UO7, donde aproximadamente 2⁄3 de las conexiones entre poliedros comparten esquinas y 1⁄3 comparten ventajas.
Dióxido de uranio
Pellets de dióxido de uranio sinterizados
Oxidación
El dióxido de uranio se oxida en contacto con el oxígeno formando octaóxido de triuranio.
- 3 UO2 + O2 → U3O8 a 700 °C (973 K)
La electroquímica del dióxido de uranio se ha investigado en detalle ya que la corrosión galvánica del dióxido de uranio controla la velocidad a la que se disuelve el combustible nuclear usado. Consulte combustible nuclear gastado para obtener más detalles. El agua aumenta la tasa de oxidación de los metales plutonio y uranio.
Carbonización
El dióxido de uranio se carboniza en contacto con el carbono, formando carburo de uranio y monóxido de carbono.
- .
Este proceso debe realizarse bajo un gas inerte, ya que el carburo de uranio se oxida fácilmente y se convierte en óxido de uranio.
Usos
Combustible nuclear
El UO2 se utiliza principalmente como combustible nuclear, concretamente como UO2 o como mezcla de UO2 y PuO2. (dióxido de plutonio) denominado óxido mixto (combustible MOX), en forma de barras de combustible en los reactores nucleares.
La conductividad térmica del dióxido de uranio es muy baja en comparación con el uranio, el nitruro de uranio, el carburo de uranio y el material de revestimiento de circonio. Esta baja conductividad térmica puede provocar un sobrecalentamiento localizado en el centro de las pastillas de combustible. El siguiente gráfico muestra los diferentes gradientes de temperatura en diferentes compuestos de combustible. Para estos combustibles, la densidad de potencia térmica es la misma y el diámetro de todos los pellets es el mismo.
Pellets de combustible de óxido de uranio
Inicio de contenedores de material para producción de pellets de dióxido de uranio en una planta en Rusia
Color para esmalte vitrocerámico
El óxido de uranio (urania) se utilizaba para colorear vidrio y cerámica antes de la Segunda Guerra Mundial, y hasta que se descubrieron las aplicaciones de la radiactividad, este era su uso principal. En 1958, los militares tanto de Estados Unidos como de Europa permitieron nuevamente su uso comercial como uranio empobrecido, y su uso comenzó nuevamente en una escala más limitada. Los esmaltes cerámicos a base de urania son de color verde oscuro o negro cuando se cuecen en reducción o cuando se utiliza UO2; más comúnmente se usa en oxidación para producir esmaltes de color amarillo brillante, naranja y rojo. El Fiestaware de color naranja es un ejemplo bien conocido de producto con un esmalte de color urania. El vidrio de uranio es de color verde pálido a amarillo y, a menudo, tiene fuertes propiedades fluorescentes. Urania también se ha utilizado en formulaciones de esmalte y porcelana. Es posible determinar con un contador Geiger si un vidriado o vidrio producido antes de 1958 contiene urania.
Otros usos
Antes de darse cuenta de la nocividad de la radiación, el uranio se incluía en dentaduras postizas y dentaduras postizas, ya que su ligera fluorescencia hacía que las dentaduras postizas parecieran más dientes reales en una variedad de condiciones de iluminación.
El UO2 empobrecido (DUO2) se puede utilizar como material de protección contra la radiación. Por ejemplo, DUCRETE es un material de "hormigón pesado" material donde la grava se reemplaza con agregado de dióxido de uranio; Este material se está investigando para su uso en contenedores de residuos radiactivos. Los contenedores también pueden estar hechos de cermet de acero DUO2, un material compuesto hecho de un agregado de dióxido de uranio que sirve como protección contra la radiación, grafito y/o carburo de silicio que sirve como absorbente y moderador de la radiación de neutrones, y acero. como matriz, cuya alta conductividad térmica permite una fácil eliminación del calor de descomposición.
El dióxido de uranio empobrecido también se puede utilizar como catalizador, p.e. para la degradación de compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa, oxidación de metano a metanol y eliminación de azufre del petróleo. Tiene alta eficiencia y estabilidad a largo plazo cuando se usa para destruir COV en comparación con algunos de los catalizadores comerciales, como los catalizadores de metales preciosos, TiO2 y Co3O4. Se están realizando muchas investigaciones en esta área, prefiriéndose el DU para el componente de uranio debido a su baja radiactividad.
Se está investigando el uso de dióxido de uranio como material para baterías recargables. Las baterías podrían tener una alta densidad de potencia y un potencial de 4,7 V por celda. Otra aplicación investigada son las células fotoelectroquímicas para la producción de hidrógeno asistida por energía solar, donde se utiliza UO2 como fotoánodo. Antiguamente el dióxido de uranio también se utilizaba como conductor térmico para limitar la corriente (resistencia URDOX), siendo este el primer uso de sus propiedades semiconductoras.
El dióxido de uranio muestra un fuerte piezomagnetismo en el estado antiferromagnético, observado a temperaturas criogénicas por debajo de 30 kelvin. En consecuencia, la magnetoestricción lineal encontrada en UO2 cambia de signo con el campo magnético aplicado y exhibe fenómenos de conmutación de memoria magnetoelástica en campos de conmutación récord de 180.000 Oe. El origen microscópico de las propiedades magnéticas del material reside en la simetría de la red cristalina cúbica centrada en las caras de los átomos de uranio y su respuesta a los campos magnéticos aplicados.
Propiedades semiconductoras
La banda prohibida del dióxido de uranio es comparable a las del silicio y el arseniuro de galio, cerca de la curva óptima de eficiencia versus banda prohibida para la absorción de radiación solar, lo que sugiere su posible uso para células solares muy eficientes basadas en la estructura del diodo Schottky; también absorbe en cinco longitudes de onda diferentes, incluida la infrarroja, lo que mejora aún más su eficiencia. Su conductividad intrínseca a temperatura ambiente es aproximadamente la misma que la del silicio monocristalino.
La constante dieléctrica del dióxido de uranio es aproximadamente 22, que es casi el doble que la del silicio (11,2) y el GaAs (14,1). Esta es una ventaja sobre el Si y GaAs en la construcción de circuitos integrados, ya que puede permitir una integración de mayor densidad con voltajes de ruptura más altos y con menor susceptibilidad a la ruptura del túnel CMOS.
El coeficiente de Seebeck del dióxido de uranio a temperatura ambiente es de aproximadamente 750 μV/K, un valor significativamente superior a los 270 μV/K del telururo de talio y estaño (Tl2SnTe5) y telururo de talio germanio (Tl2GeTe5) y de aleaciones de bismuto-telurio, otros materiales prometedores para aplicaciones de generación de energía termoeléctrica y elementos Peltier.
El impacto de la desintegración radiactiva de 235U y 238U en sus propiedades semiconductoras no se midió en 2005. Debido a la lenta tasa de desintegración de estos isótopos, No debería influir significativamente en las propiedades de las células solares de dióxido de uranio y los dispositivos termoeléctricos, pero puede convertirse en un factor importante para los chips VLSI. Por este motivo es necesario el uso de óxido de uranio empobrecido. La captura de partículas alfa emitidas durante la desintegración radiactiva como átomos de helio en la red cristalina también puede provocar cambios graduales a largo plazo en sus propiedades.
La estequiometría del material influye dramáticamente en sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de UO1,994 es órdenes de magnitud menor a temperaturas más altas que la conductividad de UO2,001.
El dióxido de uranio, al igual que el U3O8, es un material cerámico capaz de soportar altas temperaturas (unos 2300 °C, frente a los 200 °C como máximo de silicio o GaAs), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta temperatura como dispositivos termofotovoltaicos.
El dióxido de uranio también es resistente al daño por radiación, lo que lo hace útil para dispositivos resistentes a la radiación para aplicaciones militares y aeroespaciales especiales.
Se fabricaron con éxito en un laboratorio un diodo Schottky de U3O8 y un transistor p-n-p de UO2.
Toxicidad
Se sabe que el dióxido de uranio se absorbe mediante fagocitosis en los pulmones.