Uran(IV)-oxid

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

10,96 g·cm−3[1]

Schmelzpunkt

2878 °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 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.

Gewinnung und Darstellung

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.[3]

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.[4] 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.[5] 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.[6]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

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.[7]

Chemische Eigenschaften

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

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

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Eintrag zu Urandioxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 16. November 2007 (JavaScript erforderlich).
  2. 2,0 2,1 Nicht explizit in EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) gelistet, fällt aber dort mit der angegebenen Kennzeichnung unter den Sammelbegriff „Uranverbindungen“; Eintrag in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 25. April 2011 (JavaScript erforderlich) Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „ESIS“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
  3. M. Volkmer: Basiswissen Kernenergie, Hamburgische Elektricitäts-Werke-AG, 1996, S. 76; ISBN 3-925986-09-X.
  4. http://www.patent-de.com/19931028/DE3587334T2.html
  5. http://www.patent-de.com/20030515/DE10115015C1.html
  6. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, S. 1616; ISBN 3-527-26169-9.
  7. 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.

Literatur

  • 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.

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