二酸化ウラン

二酸化ウラン
名前
	IUPAC名二酸化ウラン; 酸化ウラン(IV)
	その他の名前ウラニア; 酸化ウラニウム
識別子
CAS番号	1344-57-6 ;
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像;
ケムスパイダー	10454 ;
ECHA 情報カード	100.014.273
EC番号	215-700-3;
パブケム CID	10916;
RTECS番号	YR4705000;
ユニ	L70487クゾ ;
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID8061682;
	InChI InChI=1S/2O.U キー: FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N;
	笑顔 O=[U]=O;
プロパティ
化学式	ユーオー2
モル質量	270.03 グラム/モル
外観	黒色火薬
密度	10.97グラム/ cm3
融点	2,865 °C (5,189 °F; 3,138 K)
水への溶解度	不溶性の
構造
結晶構造	蛍石（立方晶系）、cF12
空間群	Fm 3 m、No. 225
格子定数	a = 547.1 pm
座標幾何学	四面体 (O 2− ); 立方体 (U IV )
熱化学
標準モル; エントロピー ( S ⦵ 298 )	78 J·モル−1 ·K −1
; 標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 )	−1084 kJ·モル−1
危険
	GHSラベル:
ピクトグラム
シグナルワード	危険
危険有害性情報	H300、H330、H373、H410
注意事項	P260、P264、P270、P271、P273、P284、P301+P310、P304+P340、P310、P314、P320、P321、P330、P391、P403+P233、P405、P501
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	4 0 0 牛
引火点	該当なし
安全データシート（SDS）	1251 ...
関連化合物
その他の陰イオン	ウラン(IV)硫化物 ; ウラン(IV)セレン化物
その他の陽イオン	プロトアクチニウム(IV)酸化物 ; ネプツニウム(IV)酸化物
関連するウラン酸化物	八酸化三ウラン; 三酸化ウラン
	特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。確認する（何ですか？）インフォボックス参照

二酸化ウランまたは酸化ウラン(IV) ( UO ₂ )は、ウランまたは酸化ウランとも呼ばれ、ウランの酸化物であり、鉱物ウラン鉱に自然に発生する黒色の放射性の結晶性粉末です。原子炉の核燃料棒に使用されます。二酸化ウランと二酸化プルトニウムの混合物は、MOX 燃料として使用されます。1960 年以前は、陶磁器の釉薬やガラスの黄色と黒の色として使用されていました。

生産

二酸化ウランは三酸化ウランを水素で還元することによって生成されます。

UO ₃ + H ₂ → UO ₂ + H ₂ O 700 °C (973 K) で

この反応は、原子核再処理やウラン濃縮による核燃料の生成において重要な役割を果たします。

化学

構造

この固体は、蛍石（フッ化カルシウム）と同構造（同じ構造）で、各 U は 8 つの最近傍 O に囲まれて立方配置になっています。さらに、セリウム、トリウム、およびネプツニウムからカリホルニウムまでの超ウラン元素の二酸化物も同じ構造です。^[3] 他の元素二酸化物は蛍石構造を持っていません。融解すると、測定された平均 UO 配位は、結晶固体（UO ₈立方体）の 8 から、融解物では 6.7±0.5（3270 K で）に減少します。^{[4]これらの測定値と一致するモデルは、融解物が主に UO}₆および UO ₇多面体ユニットで構成され、多面体間の接続の約2 ⁄ 3が角を共有し、 1 ⁄ 3が辺を共有していることを示しました。^[4]

二酸化ウラン
焼結二酸化ウランペレット

酸化

二酸化ウランは酸素と接触して酸化され、八酸化三ウランになります。

3 UO ₂ + O ₂ → U ₃ O ₈ 700 °C (973 K)で

二酸化ウランの電気化学は、二酸化ウランのガルバニック腐食が使用済み核燃料の溶解速度を制御するため、詳細に研究されている。詳細については使用済み核燃料を参照。水はプルトニウムとウラン金属の酸化速度を高める。^[5]^[6]

炭化

二酸化ウランは炭素と接触して炭化され、炭化ウランと一酸化炭素を形成します。

{\ce {UO2 \ + \ 4C -> UC2 \ + \ 2CO}}

。

炭化ウランは容易に酸化されて酸化ウランに戻るため、このプロセスは不活性ガス下で行う必要があります。

用途

核燃料

UO _2は主に核燃料として使用され、具体的には UO ₂として、または混合酸化物 ( MOX 燃料) と呼ばれる UO ₂と PuO ₂ (二酸化プルトニウム) の混合物として、原子炉内の燃料棒の形で使用されます。

二酸化ウランの熱伝導率は、ウラン、窒化ウラン、炭化ウラン、ジルコニウム被覆材に比べて非常に低い。この低い熱伝導率により、燃料ペレットの中心部が局所的に過熱する可能性がある。下のグラフは、異なる燃料化合物における異なる温度勾配を示している。これらの燃料では、熱出力密度は同じで、すべてのペレットの直径は同じである。^{[引用が必要]}

ウラン酸化物燃料ペレット
ロシアの工場で二酸化ウラン燃料ペレットを製造するための出発原料容器

ガラスセラミック釉薬の色

ガイガーカウンター（ハウジングなしのキット）がオレンジ色のフィエスタウェアの破片に音を出して反応します。

ウラン酸化物（ウラニア）は、第二次世界大戦前はガラスや陶磁器の着色に使用されており、放射能の用途が発見されるまではこれが主な用途でした。1958年に米国と欧州の両軍は、劣化ウランとしての商業利用を再び許可し、より限定された規模での使用が再開されました。ウラニアベースの陶磁器の釉薬は、還元焼成またはUO ₂使用時には暗緑色または黒色ですが、より一般的には酸化焼成で使用され、明るい黄色、オレンジ色、赤色の釉薬が作られます。^[7]オレンジ色のフィエスタウェアは、ウラニア色の釉薬を使用した製品のよく知られた例です。ウランガラスは淡い緑から黄色で、強い蛍光特性を持つことが多いです。ウラニアは、エナメルや磁器の配合にも使用されています。 1958年以前に製造された釉薬やガラスにウラニアが含まれているかどうかは、ガイガーカウンターで判定できます。

その他の用途

放射線の有害性が認識される前は、ウランは入れ歯や義歯に使用されていました。ウランのわずかな蛍光により、さまざまな照明条件で義歯が本物の歯のように見えるためです。^{[引用が必要]}

劣化UO ₂ (DUO _{2 ) は}放射線遮蔽材として使用できます。たとえば、DUCRETE は砂利を二酸化ウラン骨材に置き換えた「重コンクリート」材料です。この材料は放射性廃棄物のキャスクに使用することが検討されています。また、キャスクは DUO ₂ -スチールサーメットで作ることもできます。これは、放射線遮蔽材として機能する二酸化ウランの骨材、中性子吸収材および減速材として機能するグラファイトおよび/または炭化ケイ素、およびマトリックスとしての鋼鉄で作られた複合材料で、その高い熱伝導性により崩壊熱を簡単に除去できます。^[^{引用が必要}^]

劣化ウラン二酸化物は、例えば気相中の揮発性有機化合物の分解、メタンのメタノールへの酸化、石油からの硫黄の除去などの触媒としても使用できます。貴金属、TiO ₂、Co ₃ O ₄触媒などの市販の触媒と比較して、VOCを破壊するために使用した場合、高い効率と長期安定性を備えています。この分野では多くの研究が行われており、放射能が低いため、ウラン成分としてDUが好まれています。^[8]

充電式電池の材料として二酸化ウランの使用が研究されています。この電池は、高い電力密度とセルあたり 4.7 V の電位を持つ可能性があります。研究されている別の用途は、太陽光を利用した水素製造用の光電気化学セルで、UO _{2 は}光陽極として使用されます。以前は、二酸化ウランは電流制限用の熱伝導体 (URDOX 抵抗器) としても使用されていました。これは、その半導体特性が初めて使用された例です。^{[引用が必要]}

二酸化ウランは、30ケルビン以下の極低温で観測される反強磁性状態で強い圧電磁性を示します。したがって、 UO ₂で見られる線形磁気ひずみは、印加磁場によって符号が変わり、180,000 Oe という記録的な高スイッチング磁場において磁気弾性メモリスイッチング現象を示します。^[9]この物質の磁気特性の微視的起源は、ウラン原子の面心立方結晶格子対称性と、印加磁場に対するその応答にあります。^[10]

半導体特性

二酸化ウランのバンドギャップはシリコンやガリウムヒ素のバンドギャップに匹敵し、太陽放射の吸収に対するバンドギャップ曲線の効率が最適値に近いため、ショットキーダイオード構造に基づく非常に効率的な太陽電池に使用できる可能性があります。また、赤外線を含む5つの異なる波長を吸収するため、効率がさらに高まります。室温での固有導電率は単結晶シリコンとほぼ同じです。 ^[11]

二酸化ウランの誘電率は約 22 で、シリコン (11.2) や GaAs (14.1) のほぼ 2 倍です。これは、集積回路の構築において Si や GaAs よりも有利であり、より高いブレークダウン電圧で高密度の集積が可能になり、CMOS トンネルブレークダウンに対する感受性が低くなる場合があります。

室温での二酸化ウランのゼーベック係数は約 750 μV/K であり、これは、熱電発電用途やペルチェ素子に有望な他の材料であるタリウムスズテルル化物 (Tl 2 SnTe ₅ )_やタリウムゲルマニウムテルル化物 (Tl ₂ GeTe ₅ ) およびビスマス-テルル合金の 270 μV/K よりも大幅に高い値です。

²³⁵ U と²³⁸ U の放射性崩壊が半導体特性に与える影響は、 2005 年時点では測定されていません。これらの同位体の崩壊速度は遅いため、二酸化ウラン太陽電池や熱電装置の特性に有意な影響を与えることはないはずですが、VLSIチップでは重要な要素になる可能性があります。このため、劣化ウラン酸化物の使用が必要です。放射性崩壊中に放出されるアルファ粒子が結晶格子内のヘリウム原子として捕獲されると、その特性が徐々に長期的に変化する可能性もあります。^[^{引用が必要}^]^{[アップデート]}

物質の化学量論は、その電気的特性に劇的な影響を及ぼします。たとえば、UO _{1.994の電気伝導率は、高温では UO}_2.001の伝導率よりも桁違いに低くなります^[要出典]。

二酸化ウランは、U ₃ O _{8と同様に、高温（シリコンや GaAs の場合は最大 200 °C であるのに対し、約 2300 °C）に耐えることができる}セラミック材料であり、熱光起電力デバイスなどの高温用途に適しています。

二酸化ウランは放射線による損傷にも耐性があるため、特殊な軍事用途や航空宇宙用途の耐放射線装置に適しています。

U ₃ O ₈のショットキーダイオードとUO ₂のpnpトランジスタが実験室で製造されることに成功した。^[12]

毒性

二酸化ウランは肺での貪食によって吸収されることが知られている。 ^[13]

参照

参考文献

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さらに読む

Barrett , SA; Jacobson, AJ ; Tofield, BC; Fender , BEF (1982). 「バリウムウラン酸化物 BaUO3+x の調製と構造」。Acta Crystallographica Section B。38 ( 11): 2775。Bibcode :1982AcCrB..38.2775B。doi :10.1107/S0567740882009935。

外部リンク

ウラン酸化物の半導体特性 2012-09-01ウェイバックマシンにアーカイブ
二酸化ウランの無料辞書リスト
二酸化ウランは、Wayback Machineで 2013-09-16 にアーカイブされています。International Bio-Analytical Industries, Inc.

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[13] 生化学毒性学の原理。ティンブレル、ジョン。PA 2008 ISBN 0-8493-7302-6 ^[^{ページが必要}^]