ثاني أكسيد اليورانيوم

المادة الصلبة متماثلة البنية مع الفلوريت ( فلوريد الكالسيوم )، حيث تُحاط كل ذرة يورانيوم بثماني ذرات أكسجين مجاورة لها في ترتيب مكعب. إضافةً إلى ذلك، فإن أكاسيد السيريوم والثوريوم والعناصر ما بعد اليورانيوم من النبتونيوم إلى الكاليفورنيوم لها نفس البنية. ^{[ 6 ]} لا توجد أكاسيد عناصر أخرى لها بنية الفلوريت. عند الانصهار، ينخفض ​​متوسط ​​عدد ذرات التناسق المقاسة في UO من 8 في المادة الصلبة البلورية (مكعبات UO₈ ₎ إلى 6.7 ± 0.5 (عند 3270 كلفن) في المصهور. ^{[ 7 ]} تُظهر النماذج المتوافقة مع هذه القياسات أن المصهور يتكون أساسًا من وحدات متعددة السطوح UO₆ _و UO₇ _{، حيث يُمثل} ثلثا الروابط بين متعددات السطوح تقريبًا روابطًا رأسية، بينما ^{يُمثل الثلث} المتبقي روابطًا حافية. ^[ 7 ]

• 
  ثاني أكسيد اليورانيوم
• 
  حبيبات ثاني أكسيد اليورانيوم المتلبدة

يتأكسد ثاني أكسيد اليورانيوم عند ملامسته للأكسجين لتكوين أكسيد ثلاثي اليورانيوم الثماني : ^{[ 8 ]}

3 UO ₂ + O ₂ → U ₃ O ₈ عند 250  درجة مئوية (523  كلفن)

دُرست الكيمياء الكهربائية لثاني أكسيد اليورانيوم بالتفصيل، إذ يتحكم التآكل الجلفاني لثاني أكسيد اليورانيوم في معدل ذوبان الوقود النووي المستهلك . انظر الوقود النووي المستهلك لمزيد من التفاصيل. يزيد الماء من معدل أكسدة معدني البلوتونيوم واليورانيوم. ^{[ 9 ]}

يتفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم مع الكربون عند درجات حرارة عالية، مكونًا كربيد اليورانيوم وأول أكسيد الكربون . ^{[ 10 ]}

UO₂ + ₄ C → U₂ ₊ 2 CO

يجب أن تتم هذه العملية تحت غاز خامل لأن كربيد اليورانيوم يتأكسد بسهولة مرة أخرى إلى أكسيد اليورانيوم .

يستخدم UO _{2 بشكل رئيسي} كوقود نووي ، وتحديداً كـ UO ₂ أو كمزيج من UO ₂ و PuO ₂ ( ثاني أكسيد البلوتونيوم ) يسمى أكسيد مختلط ( وقود MOX )، على شكل قضبان وقود في المفاعلات النووية . ^{[ 11 ]}

تتميز الموصلية الحرارية لثاني أكسيد اليورانيوم بانخفاضها الشديد مقارنةً باليورانيوم النقي ، ونيتريد اليورانيوم ، وكربيد اليورانيوم ، ومادة التغليف الزركونيومية ، بالإضافة إلى معظم السبائك القائمة على اليورانيوم. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} وقد يؤدي هذا الانخفاض في الموصلية الحرارية إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعي في مركز كريات الوقود. ^{[ 15 ]}

يوضح الرسم البياني أدناه تدرجات درجات الحرارة المختلفة في مركبات الوقود المختلفة. بالنسبة لهذه الأنواع من الوقود، تكون كثافة الطاقة الحرارية متساوية، كما أن قطر جميع الكريات متساوٍ.

• 
  حبيبات وقود أكسيد اليورانيوم
• 
  حاويات المواد الأولية لإنتاج كريات وقود ثاني أكسيد اليورانيوم في مصنع في روسيا

استُخدم أكسيد اليورانيوم (اليورانيا) لتلوين الزجاج والسيراميك قبل الحرب العالمية الثانية، وكان هذا استخدامه الرئيسي حتى اكتشاف تطبيقات النشاط الإشعاعي. في عام ١٩٥٨، سمح الجيش في كل من الولايات المتحدة وأوروبا باستخدامه تجاريًا مرة أخرى على شكل يورانيوم منضب، وبدأ استخدامه مجددًا على نطاق أضيق. تكون طبقات التزجيج الخزفية القائمة على اليورانيا خضراء داكنة أو سوداء عند حرقها في بيئة اختزالية أو عند استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم (UO₂ ₎ ؛ ويُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في الأكسدة لإنتاج طبقات تزجيج صفراء وبرتقالية وحمراء زاهية. ^{[ ١٦ ]} يُعدّ خزف فيستا البرتقالي اللون مثالًا معروفًا لمنتج ذي طبقة تزجيج ملونة باليورانيا. ^{[ ١٧ ]} يتميز زجاج اليورانيوم بلونه الأخضر الباهت إلى الأصفر ^، وغالبًا ما يتمتع بخصائص فلورية قوية. ^{[ ١٨ ]} كما استُخدم اليورانيا في تركيبات المينا والخزف . ^{[ ١٩} ]

قبل إدراك مدى خطورة الإشعاع، كان اليورانيوم يُستخدم في صناعة الأسنان الاصطناعية وأطقم الأسنان، حيث أن تألقه الطفيف كان يجعل أطقم الأسنان تبدو أقرب إلى الأسنان الحقيقية في ظروف إضاءة متنوعة. ^{[ 20 ]}

_{يمكن استخدام ثاني} أكسيد اليورانيوم المستنفد (DUO₂ ₎ كمادة للحماية من الإشعاع . على سبيل المثال، يُعدّ DUCRETE مادة " خرسانة ثقيلة " حيث يُستبدل الحصى بركام من ثاني أكسيد اليورانيوم؛ وتجري دراسة هذه المادة لاستخدامها في صناعة حاويات النفايات المشعة . ^{[ 21 ]} كما يمكن تصنيع الحاويات من DUO₂- _{الفولاذ} الخزفي المعدني ، وهي مادة مركبة تتكون من ركام من ثاني أكسيد اليورانيوم يعمل كحاجز للإشعاع، والجرافيت و/أو كربيد السيليكون يعملان كممتص ومُهدئ لإشعاع النيوترونات ، والفولاذ كمادة أساسية، حيث تسمح موصليته الحرارية العالية بإزالة حرارة الاضمحلال بسهولة. ^{[ 22 ]}

يمكن استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم المستنفد كعامل حفاز ، على سبيل المثال ، لتحليل المركبات العضوية المتطايرة في الحالة الغازية، وأكسدة الميثان إلى ميثانول ، وإزالة الكبريت من البترول . يتميز هذا العامل بكفاءة عالية واستقرار طويل الأمد عند استخدامه في تدمير المركبات العضوية المتطايرة، مقارنةً ببعض العوامل الحفازة التجارية ، مثل المعادن النفيسة ، _{وثاني أكسيد} التيتانيوم (TiO₂ ) ، وأكسيد _{الكوبالت (} Co₃O₄ ) . تُجرى أبحاث مكثفة في هذا المجال، ويُفضّل استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم المستنفد نظرًا لانخفاض نشاطه الإشعاعي. ^{[ 23 ]}

اعتبارًا من عام 2013، يجري البحث في استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم كمادة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن . ^{[ 24 ]} قد تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة عالية وجهد اختزال يبلغ -4.7 فولت لكل خلية. ^{[ 25 ]}

يُظهر ثاني أكسيد اليورانيوم مغناطيسية انضغاطية قوية في الحالة المضادة للمغناطيسية ، والتي تُلاحظ عند درجات حرارة منخفضة للغاية تقل عن 30 كلفن . وبناءً على ذلك، يتغير اتجاه الانفعال المغناطيسي الخطي الموجود في UO₂ _بتغير المجال المغناطيسي المُطبق، ويُظهر ظاهرة تبديل الذاكرة المغناطيسية المرنة عند مجالات تبديل عالية قياسية تبلغ 180,000 أورستد. ^{[ 26 ]} يكمن الأصل المجهري للخواص المغناطيسية للمادة في تناظر الشبكة البلورية المكعبة ذات المراكز الوجهية لذرات اليورانيوم، واستجابتها للمجالات المغناطيسية المُطبقة. ^{[ 27 ]}

تُقارن فجوة النطاق لثاني أكسيد اليورانيوم بفجوات النطاق للسيليكون وأرسينيد الغاليوم ، وهي قريبة من القيمة المثلى لمنحنى كفاءة امتصاص الإشعاع الشمسي مقابل فجوة النطاق، مما يُشير إلى إمكانية استخدامه في خلايا شمسية عالية الكفاءة تعتمد على بنية ثنائي شوتكي ؛ كما أنه يمتص عند خمسة أطوال موجية مختلفة، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء، مما يُعزز كفاءته. وتُقارب موصليته الذاتية عند درجة حرارة الغرفة موصلية السيليكون أحادي البلورة . ^{[ 28 ]}

يبلغ ثابت العزل الكهربائي لثاني أكسيد اليورانيوم حوالي 21.5، ^{[ 29 ]} وهو ما يقارب ضعف ثابت العزل الكهربائي للسيليكون (11.7) ^{[ 30 ]} وجاليوم أرسينيد (12.4). ^{[ 31 ]} وهذا يُعد ميزةً مقارنةً بالسيليكون وجاليوم أرسينيد في تصنيع الدوائر المتكاملة ، إذ يسمح بتكامل ذي كثافة أعلى مع جهد انهيار أعلى وحساسية أقل لانهيار النفق في تقنية CMOS . ^{[ 32 ]}

يبلغ معامل سيبك لثاني أكسيد اليورانيوم عند درجة حرارة الغرفة حوالي -750 ميكروفولت/كلفن، وهي قيمة أعلى بكثير من -270 ميكروفولت/كلفن لكل من _{تيلوريد} القصدير الثاليوم ( _Tl₂SnTe₅ ) وتيلوريد الجرمانيوم الثاليوم ₍ Tl₂GeTe₅ ) [ ^{32 ] ،} _و -170 ميكروفولت/كلفن ( من النوع n ) / 160 ميكروفولت/كلفن ( من النوع p ) لتيلوريد البزموت ^{[ 33 ]} ، وهي مواد أخرى واعدة لتطبيقات مثل توليد الطاقة الكهروحرارية . ^{[ 32 ]}

لم يتم قياس تأثير التحلل الإشعاعي لليورانيوم ²³⁵ واليورانيوم ²³⁸ على خصائصه شبه الموصلة حتى عام 2005نظراً لبطء معدل اضمحلال هذه النظائر، فمن غير المتوقع أن تؤثر بشكل ملحوظ على خصائص الخلايا الشمسية والأجهزة الكهروحرارية المصنوعة من ثاني أكسيد اليورانيوم، إلا أنها قد تصبح عاملاً مهماً في الدوائر المتكاملة عالية الأداء . ولذلك، يُعد استخدام أكسيد اليورانيوم المستنفد ضرورياً. كما أن احتجاز جسيمات ألفا المنبعثة أثناء الاضمحلال الإشعاعي على هيئة ذرات هيليوم في الشبكة البلورية قد يُسبب تغيرات تدريجية طويلة الأمد في خصائصه. ^{[ 32 ]}

تؤثر التركيبة الكيميائية للمادة بشكل كبير على خصائصها الكهربائية. على سبيل المثال، تكون الموصلية الكهربائية لـ UO _1.994 أقل بكثير عند درجات الحرارة المرتفعة من موصلية UO _2.001 . ^{[ 32 ]}

ثاني أكسيد اليورانيوم، مثل U3O8 _{، مادة} خزفية قادرة على تحمل درجات حرارة عالية (حوالي 2300 درجة  مئوية، مقارنة بـ 200  درجة مئوية كحد أقصى للسيليكون أو زرنيخيد الغاليوم). ^{[ 32 ]}

كما أن ثاني أكسيد اليورانيوم مقاوم للتلف الإشعاعي ، ^{[ 32 ]} مما يجعله مفيداً للتطبيقات العسكرية والفضائية الخاصة . ^{[ 32 ]}

تم بنجاح تصنيع ثنائي شوتكي من أكسيد _{اليورانيوم (U3O8) وترانزستور} pnp من أكسيد اليورانيوم (UO2 ₎ في المختبر. ^{[ 34 ]}