El dióxido de uranio u óxido de uranio (IV) ( UO 2 ) , también conocido como urania u óxido uranoso , es un óxido de uranio y es un polvo negro, radiactivo y cristalino que se encuentra de forma natural en el mineral uraninita . Se utiliza en barras de combustible nuclear en reactores nucleares . Una mezcla de dióxidos de uranio y plutonio se utiliza como combustible MOX . Antes de 1960, se utilizaba como colorante amarillo y negro en esmaltes cerámicos y vidrio.
El dióxido de uranio se produce reduciendo el trióxido de uranio con hidrógeno .
Esta reacción juega un papel importante en la creación de combustible nuclear a través del reprocesamiento nuclear y el enriquecimiento de uranio .
El sólido es isoestructural con (tiene la misma estructura que) fluorita ( fluoruro de calcio ), donde cada U está rodeado por ocho vecinos O más cercanos en una disposición cúbica. Además, los dióxidos de cerio , torio y los elementos transuránicos desde el neptunio hasta el californio tienen las mismas estructuras. [3] Ningún otro dióxido elemental tiene la estructura de fluorita. Al fundirse, la coordinación media medida de UO se reduce de 8 en el sólido cristalino (cubos de UO 8 ), hasta 6,7 ± 0,5 (a 3270 K) en la masa fundida. [4] Los modelos consistentes con estas mediciones muestran que la masa fundida consta principalmente de unidades poliédricas de UO 6 y UO 7 , donde aproximadamente 2 ⁄ 3 de las conexiones entre poliedros comparten vértices y 1 ⁄ 3 comparten aristas. [4]
El dióxido de uranio se oxida en contacto con el oxígeno al octaóxido de triuranio .
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. Para más detalles, véase combustible nuclear gastado . El agua aumenta la velocidad de oxidación del plutonio y los metales del uranio. [5] [6]
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 nuevamente en óxido de uranio .
El UO 2 se utiliza principalmente como combustible nuclear , concretamente como UO 2 o como una mezcla de UO 2 y PuO 2 ( dióxido de plutonio ) denominada óxido mixto ( combustible MOX ), en forma de barras de combustible en 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 los pellets de combustible. El gráfico siguiente 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. [ cita requerida ]
El óxido de uranio (urania) se utilizó para colorear el vidrio y la cerámica antes de la Segunda Guerra Mundial, y hasta que se descubrieron las aplicaciones de la radiactividad, este fue su uso principal. En 1958, los militares tanto de los EE. UU. 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 uranio son de color verde oscuro o negro cuando se cuecen en una reducción o cuando se usa UO 2 ; más comúnmente se usa en oxidación para producir esmaltes de color amarillo brillante, naranja y rojo. [7] La Fiestaware de color naranja es un ejemplo bien conocido de un producto con un esmalte de color uranio. El vidrio de uranio es de color verde pálido a amarillo y, a menudo, tiene fuertes propiedades fluorescentes. El uranio también se ha utilizado en formulaciones de esmalte y porcelana . Es posible determinar con un contador Geiger si un esmalte o vidrio producido antes de 1958 contiene uranio.
Antes de que se comprendiera lo nocivo de la radiación, se incluía uranio en las dentaduras postizas y las prótesis dentales, ya que su ligera fluorescencia hacía que las prótesis se parecieran más a los dientes reales en diversas condiciones de iluminación. [ cita requerida ]
El UO 2 empobrecido (DUO 2 ) se puede utilizar como material de protección contra la radiación . Por ejemplo, DUCRETE es un material de " hormigón pesado " en el que la grava se sustituye por agregados de dióxido de uranio; este material se está investigando para su uso en contenedores para residuos radiactivos . Los contenedores también pueden estar hechos de DUO 2 - cermet de acero , 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 absorbedor y moderador de la radiación de neutrones , y acero como matriz, cuya alta conductividad térmica permite una fácil eliminación del calor de desintegración. [ cita requerida ]
El dióxido de uranio empobrecido también se puede utilizar 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 . Tiene una alta eficiencia y estabilidad a largo plazo cuando se utiliza para destruir COV en comparación con algunos de los catalizadores comerciales , como los catalizadores de metales preciosos , TiO 2 y Co 3 O 4 . Se están realizando muchas investigaciones en esta área, siendo el DU el preferido para el componente de uranio debido a su baja radiactividad. [8]
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 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 de calor para la limitación de corriente (resistencia URDOX), que fue el primer uso de sus propiedades semiconductoras. [ cita requerida ]
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 el UO 2 cambia de signo con el campo magnético aplicado y exhibe fenómenos de conmutación de memoria magnetoelástica en campos de conmutación altos récord de 180.000 Oe. [9] El origen microscópico de las propiedades magnéticas del material se encuentra en la simetría de red cristalina cúbica centrada en las caras de los átomos de uranio y su respuesta a los campos magnéticos aplicados. [10]
La banda prohibida del dióxido de uranio es comparable a las del silicio y el arseniuro de galio , cerca del óptimo para la curva de eficiencia vs banda prohibida para la absorción de la radiación solar, lo que sugiere su posible uso para células solares muy eficientes basadas en la estructura de diodo Schottky ; también absorbe en cinco longitudes de onda diferentes, incluido el infrarrojo, lo que mejora aún más su eficiencia. Su conductividad intrínseca a temperatura ambiente es aproximadamente la misma que la del silicio monocristalino . [11]
La constante dieléctrica del dióxido de uranio es de aproximadamente 22, que es casi el doble de la del silicio (11,2) y el GaAs (14,1). Esto supone una ventaja sobre el Si y el GaAs en la construcción de circuitos integrados , ya que puede permitir una integración de mayor densidad con mayores voltajes de ruptura y con una menor susceptibilidad a la ruptura por efecto túnel del CMOS .
El coeficiente de 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 (Tl 2 SnTe 5 ) y del telururo de talio y germanio (Tl 2 GeTe 5 ) y de las aleaciones de bismuto y telurio , otros materiales prometedores para aplicaciones de generación de energía termoeléctrica y elementos Peltier .
Hasta 2005 no se había medido el impacto de la desintegración radiactiva del 235 U y el 238[actualizar] U en sus propiedades semiconductoras . 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. [ cita requerida ]
La estequiometría del material influye de forma drástica en sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, la conductividad eléctrica del UO 1.994 es órdenes de magnitud menor a temperaturas más altas que la conductividad del UO 2.001 [ cita requerida ] .
El dióxido de uranio, al igual que el U 3 O 8 , es un material cerámico capaz de soportar altas temperaturas (alrededor de 2300 °C, en comparación con los 200 °C como máximo del silicio o el GaAs), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta temperatura como los 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 pnp de UO2 . [ 12]
Se sabe que el dióxido de uranio se absorbe por fagocitosis en los pulmones. [13]
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