Uran(IV)-oxid

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Kristallstruktur
Struktur von Urandioxid
__ U4+     __ O2−
Kristallsystem

kubisch

Raumgruppe

Fm \bar3 m

Gitterkonstanten

a = 547 pm

Koordinationszahlen

U[8], O[4]

Allgemeines
Name Uran(IV)-oxid
Andere Namen

Urandioxid

Verhältnisformel UO2
CAS-Nummer 1344-57-6
PubChem 10916
Kurzbeschreibung

braunes bis schwarzes, kristallines Pulver[1]

Eigenschaften
Molare Masse 270,03 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

10,97 g·cm−3[1]

Schmelzpunkt

2865 °C[1]

Löslichkeit

unlöslich in Wasser[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [2]
06 – Giftig oder sehr giftig 08 – Gesundheitsgefährdend 09 – Umweltgefährlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 330​‐​300​‐​373​‐​411
P: ?
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [3] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [2]
Sehr giftig Umweltgefährlich
Sehr giftig Umwelt-
gefährlich
(T+) (N)
R- und S-Sätze R: 26/28​‐​33​‐​51/53
S: (1/2)​‐​20/21​‐​45​‐​61
Radioaktivität
Radioaktiv
 
Radioaktiv
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
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Uran(IV)-oxid (oft auch Urandioxid, UO2) ist ein Oxid des Urans. In der Natur kommt es z.B. als Uraninit vor, wobei der ursprünglich aus Uran(IV)-oxid bestehende Uraninit teilweise zu Uran(VI)-oxid weiteroxidiert wird.

Darstellung[Bearbeiten]

Durch Reduktion von Uran(VI)-oxid mit Wasserstoff wird Uran(IV)-oxid gebildet.

\mathrm{UO_3 + H_2 \ \xrightarrow{450\ ^{\circ}C} \ UO_2 + H_2O}

Das für die Herstellung der Brennelemente in Kernkraftwerken benötigte Uran(IV)-oxid wird überwiegend aus Uran(VI)-fluorid hergestellt. Für die Umwandlung gibt es mehrere Verfahren. Nasschemische Verfahren sind das AUC- und das ADU-Verfahren.

Beim AUC-Verfahren (AmmoniumUranylCarbonat-Verfahren) wird mit Hilfe von Wasser, Ammoniak und Kohlenstoffdioxid Ammoniumuranylcarbonat gebildet und dieses dann durch Erhitzen zu Uran(VI)-oxid umgewandelt. Dieses wird anschließend mit Wasserstoff zu Uran(IV)-oxid reduziert.[4]

Mit dem ADU-Verfahren (AmmoniumDiUranat-Verfahren) werden aus UF6 über Hydrolyse zu Uranylfluorid, Fällung mit Ammoniaklösung zu Ammoniumdiuranat und anschließendem Kalzinieren im Wasserstoffstrom Uran(IV)-oxid hergestellt.[5] Die Gleichungen für das ADU-Verfahren lauten:

\mathrm{UF_6\ +\ 2\ H_2O\ \longrightarrow \ UO_2F_2\ +\ 4\ HF}
\mathrm{2\ UO_2F_2\ +\ 6\ NH_4OH\ \longrightarrow}
\mathrm{ \ (NH_4)_2U_2O_7\ \downarrow \ +\ 4\ NH_4F +\ 3\ H_2O}
\mathrm{(NH_4)_2U_2O_7\ +\ 2\ H_2\ \longrightarrow}
\mathrm{ \ 2\ UO_2\ +\ 2\ NH_4OH\ +\ H_2O}

Das ADU-Verfahren ist auch für die Rückgewinnung von Uran aus Lösungen mit Uran(VI)-verbindungen gut geeignet.

Neben diesen Verfahren wird auch ein trockenes Verfahren, das DC-Pulver-Verfahren, verwendet.[6] Bei diesem Verfahren wird das Hexafluorid direkt zu Uran(IV)-oxid bei höheren Temperaturen umgewandelt. Vorteilhaft ist hier, dass keine Abfalllösungen mit Urangehalten anfallen, die einer weiteren Aufbereitung bedürfen. Die Gleichung für dieses Verfahren lautet:

\mathrm{\ UF_6 + 2\ H_2O + H_2\longrightarrow\ UO_2 + 6\ HF}

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Uran(IV)-oxid ist der für die Wiederaufbereitung von Brennelementen verwendete PUREX-Prozess. Bei diesem wird durch eine Extraktion Uranylnitrat gebildet, das wiederum durch Erhitzen in Uran(VI)-oxid umgewandelt und anschließend zu Uran(IV)-oxid reduziert wird.[7]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Physikalische Eigenschaften[Bearbeiten]

Uran(IV)-oxid ist ein braunes bis schwarzes, kristallines Pulver. Es weist ein kubisches Kristallsystem auf, hat die Raumgruppe Fm3m, mit einem Gitterparameter a = 547 pm und vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Der Strukturtyp ist der CaF2-Typ (Fluorit) und die Koordinationszahlen sind U[8], O[4].

Uran(IV)-oxid ist zudem ein Halbleiter.[8] So konnte in Laborversuchen aus UO2 eine funktionsfähige Schottkydiode hergestellt werden.[9] Wegen Problemen mit der Dotierung findet dieser Werkstoff in der elektronischen Schaltungstechnik keine Anwendung.

Frisch erzeugtes Uran(IV)-oxid aus irdischem Natururan hat eine spezifische Aktivität von 22300 Bq/g.

Chemische Eigenschaften[Bearbeiten]

Uran(IV)-oxid-Luft-Gemische (Staubwolken) sind explosionsfähig, als feines Pulver reagiert es heftig mit der Luft unter Freisetzung von Wärme (pyrophor). Hierbei verbrennt es zu Triuranoctoxid U3O8.

Anwendungen[Bearbeiten]

Uran(IV)-oxid ist der wichtigste Kernbrennstoff in Kernreaktoren. Es wird zu sogenannten „Pellets“ verarbeitet, um in Brennstäben genutzt zu werden. Weiterhin wurde es früher als farbgebender Zusatz in diversen Gläsern und Keramiken genutzt.

Urandioxid-Pellets für einen Kernreaktor

In Form eines URDOX-Widerstandes mit Heißleitereigenschaften diente er zur Strombegrenzung in Heizkreisen von Allstromgeräten.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d Eintrag zu Urandioxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 16. November 2007 (JavaScript erforderlich).
  2. a b Nicht explizit in EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) gelistet, fällt aber dort mit der angegebenen Kennzeichnung unter den Sammelbegriff „Uranverbindungen“; Eintrag aus der CLP-Verordnung zu Uranverbindungen in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 25. April 2011 (JavaScript erforderlich).
  3. Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Gemischen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  4. M. Volkmer: Basiswissen Kernenergie, Hamburgische Elektricitäts-Werke-AG, 1996, S. 76; ISBN 3-925986-09-X.
  5. Gewinnung von Uran aus Lösungen. - Dokument DE3587334T2.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Sinterkörpers - Dokument DE10115015C1.
  7. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, S. 1616; ISBN 3-527-26169-9.
  8. Yong Q. An, Antoinette J. Taylor, Steven D. Conradson, Stuart A. Trugman, Tomasz Durakiewicz, and George Rodriguez: Ultrafast Hopping Dynamics of 5f Electrons in the Mott Insulator UO2 Studied by Femtosecond Pump-Probe Spectroscopy. In: Phys. Rev. Lett.. 107, Nr. 20, 2011, S. 207402–207405. doi:10.1103/PhysRevLett.106.207402.
  9. Thomas Meek: Semiconductive Properties of Uranium Oxides. Materials Science Engineering Department, University of Tennessee, 2000, abgerufen am 18. Juli 2013 (PDF; 88 kB).

Literatur[Bearbeiten]

  • Ingmar Grenthe, Janusz Drożdżynński, Takeo Fujino, Edgar C. Buck, Thomas E. Albrecht-Schmitt, Stephen F. Wolf: Uranium, in: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer, Dordrecht 2006; ISBN 1-4020-3555-1, S. 253–698; doi:10.1007/1-4020-3598-5_5.