dióxido de uranio

El sólido es isoestructural con (tiene la misma estructura que) la fluorita ( fluoruro de calcio ), donde cada U está rodeado por ocho vecinos más cercanos de O en una disposición cúbica. Además, los dióxidos de cerio , torio y los elementos transuránicos desde el neptunio hasta el californio tienen las mismas estructuras. ^{[ 6 ]} Ningún otro dióxido elemental tiene la estructura de fluorita. Al fundirse, la coordinación promedio medida de UO se reduce de 8 en el sólido cristalino (cubos de UO ₈ ), hasta 6,7±0,5 (a 3270 K) en el fundido. ^{[ 7 ]} Los modelos consistentes con estas mediciones muestran que el fundido consiste principalmente en unidades poliédricas de UO 6 y UO 7, donde aproximadamente 2/3 _de las _conexiones entre poliedros son ^compartiendo vértices y 1/3 son compartiendo aristas . ^[ 7 ^]

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  dióxido de uranio
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  Pastilla de dióxido de uranio sinterizado

El dióxido de uranio se oxida en contacto con oxígeno para formar octóxido de triuranio : ^{[ 8 ]}

3 UO ₂ + O ₂ → U ₃ O ₈ a 250  °C (523  K)

Se ha investigado en detalle la electroquímica del dióxido de uranio, ya que la corrosión galvánica de este elemento controla la velocidad de disolución del combustible nuclear gastado . Véase combustible nuclear gastado para más información. El agua aumenta la velocidad de oxidación del plutonio y el uranio. ^{[ 9 ]}

El dióxido de uranio reacciona con el carbono a altas temperaturas, formando carburo de uranio y monóxido de carbono . ^{[ 10 ]}

UO₂ + ₄ C → UC₂ ₊ 2 CO

Este proceso debe realizarse bajo una atmósfera de gas inerte , ya que el carburo de uranio se oxida fácilmente y vuelve a convertirse en óxido de uranio .

_El UO₂ se utiliza principalmente como combustible nuclear , específicamente como UO₂ _o como una mezcla de UO₂ _y PuO₂ ₍ dióxido de plutonio ) llamada óxido mixto ( combustible MOX ), en forma de barras de combustible en reactores nucleares . ^{[ 11 ]}

La conductividad térmica del dióxido de uranio es muy baja en comparación con el uranio elemental , el nitruro de uranio , el carburo de uranio y el material de revestimiento de zircaloy , así como con la mayoría de las aleaciones a base de uranio. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} Esta baja conductividad térmica puede provocar un sobrecalentamiento localizado en el centro de las pastillas de combustible. ^{[ 15 ]}

El gráfico que aparece a continuación muestra los diferentes gradientes de temperatura en distintos compuestos de combustible. Para estos combustibles, la densidad de potencia térmica es la misma y el diámetro de todos los pellets también es el mismo.

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  Pastilla de combustible de óxido de uranio
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  Contenedores de materia prima para la producción de pellets de combustible de dióxido de uranio en una planta en Rusia.

Uranium oxide (urania) was used to color glass and ceramics prior to World War II, and until the applications of radioactivity were discovered this was its main use. In 1958 the military in both the US and Europe allowed its commercial use again as depleted uranium, and its use began again on a more limited scale. Urania-based ceramic glazes are dark green or black when fired in a reduction or when UO₂ is used; more commonly it is used in oxidation to produce bright yellow, orange and red glazes.^[16] Orange-colored Fiestaware is a well-known example of a product with a urania-colored glaze.^[17]Uranium glass is pale green to yellow and often has strong fluorescent properties.^[18] Urania has also been used in formulations of enamel and porcelain.^[19] It is possible to determine with a Geiger counter if a glaze or glass produced before 1958 contains urania.

Prior to the realisation of the harmfulness of radiation, uranium was included in false teeth and dentures, as its slight fluorescence made the dentures appear more like real teeth in a variety of lighting conditions.^[20]

Depleted UO₂ (DUO₂) can be used as a material for radiation shielding. For example, DUCRETE is a "heavy concrete" material where gravel is replaced with uranium dioxide aggregate; this material is investigated for use for casks for radioactive waste.^[21] Casks can be also made of DUO₂-steelcermet, a composite material made of an aggregate of uranium dioxide serving as radiation shielding, graphite and/or silicon carbide serving as neutron radiation absorber and moderator, and steel as the matrix, whose high thermal conductivity allows easy removal of decay heat.^[22]

El dióxido de uranio empobrecido también puede utilizarse como catalizador , por ejemplo, para la degradación de compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa, la oxidación de metano a metanol y la eliminación de azufre del petróleo . Presenta una alta eficiencia y estabilidad a largo plazo para la destrucción de COV en comparación con algunos catalizadores comerciales , como los metales preciosos , _el TiO₂ y _el Co₃O₄ . Se están realizando numerosas investigaciones en _este campo, siendo el uranio empobrecido el componente preferido debido a su baja radiactividad. ^{[ 23 ]}

Se está investigando el uso de dióxido de uranio como material para baterías recargables . ^{[ 24 ]} Las baterías podrían tener una alta densidad de potencia y un potencial de reducción de -4,7 V por celda. ^{[ 25 ]} Otra aplicación investigada es en celdas fotoelectroquímicas para la producción de hidrógeno asistida por energía solar, donde el UO₂ _se utiliza como fotoánodo . En épocas anteriores, el dióxido de uranio también se utilizó como conductor térmico para la limitación de corriente (resistor de URDOX), lo que constituyó el primer uso de sus propiedades semiconductoras.

El dióxido de uranio muestra un fuerte piezomagnetismo en el estado antiferromagnético , observado a temperaturas criogénicas inferiores a 30 kelvin . En consecuencia, la magnetostricción lineal encontrada en UO₂ _cambia de signo con el campo magnético aplicado y exhibe fenómenos de conmutación de memoria magnetoelástica a campos de conmutación récord de 180 000 Oe. ^{[ 26 ]} 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. ^{[ 27 ]}

La banda prohibida del dióxido de uranio es comparable a la del silicio y el arseniuro de galio , cerca del óptimo para la curva de eficiencia vs. banda prohibida para la absorción de radiación solar, lo que sugiere su posible uso en células solares muy eficientes basadas en la estructura de diodo Schottky ; además, absorbe en cinco longitudes de onda diferentes, incluyendo el infrarrojo, lo que aumenta aún más su eficiencia. Su conductividad intrínseca a temperatura ambiente es aproximadamente la misma que la del silicio monocristalino . ^{[ 28 ]}

La constante dieléctrica del dióxido de uranio es de aproximadamente 21,5, ^{[ 29 ]} casi el doble que la del silicio (11,7) ^{[ 30 ]} y el GaAs (12,4). ^{[ 31 ]} Esto representa una ventaja sobre el Si y el GaAs en la construcción de circuitos integrados , ya que puede permitir una mayor densidad de integración con mayores tensiones de ruptura y menor susceptibilidad a la ruptura por efecto túnel CMOS . ^{[ 32 ]}

El coeficiente Seebeck del dióxido de uranio a temperatura ambiente es de aproximadamente -750 μV/K, un valor significativamente mayor que los -270 μV/K del _telururo de talio y estaño (Tl₂SnTe₅ ) _y del telururo de talio y germanio ₍ Tl₂GeTe₅ ₎ [ ^{32 ] y} los -170 μV/K ( tipo n ) / 160 μV/K ( tipo p ) del telururo de bismuto , ^{[ 33 ]} otros materiales prometedores para aplicaciones como la generación de energía termoeléctrica . ^{[ 32 ]}

El impacto de la desintegración radiactiva del ^235U y ^{el 238U} en sus propiedades semiconductoras no se había medido hasta 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 ni en los dispositivos termoeléctricos, pero podría convertirse en un factor importante para los circuitos integrados de alto rendimiento . 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. ^{[ 32 ]}

La estequiometría del material influye drásticamente en sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, la conductividad eléctrica del UO _1.994 es varios órdenes de magnitud menor a temperaturas elevadas que la conductividad del UO _2.001 . ^{[ 32 ]}

El dióxido de uranio, como el U₃O₈ _, es un material cerámico _capaz de soportar altas temperaturas (alrededor de 2300 °C, en comparación con como máximo 200 °C para el silicio o el GaAs). ^{[ 32 ]}  

El dióxido de uranio también es resistente al daño por radiación , ^{[ 32 ]} lo que lo hace útil para aplicaciones militares y aeroespaciales especiales . ^{[ 32 ]}

En un laboratorio se fabricaron con éxito _un diodo Schottky _de U₃O₈ y un transistor pnp de UO₂ _. ^{[ 34 ]}