Uran(IV)-oxid

Kristallstruktur
Struktur von Urandioxid
Vorlage:Farbe U4+ 0 Vorlage:Farbe O2−
Kristallsystem	kubisch
Raumgruppe	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225
Gitterparameter	a = 547 pm
Koordinationszahlen	U[8], O[4]
Allgemeines
Name	Uran(IV)-oxid
Andere Namen	Urandioxid
Verhältnisformel	UO2
Kurzbeschreibung	braunes bis schwarzes, kristallines Pulver<ref name="GESTIS" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer Vorlage:CASRN EG-Nummer 215-700-3 ECHA-InfoCard 100.014.273 PubChem 10916 DrugBank Wikidata [[:d:|]]
Eigenschaften
Molare Masse	270,03 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	10,97 g·cm−3<ref name="GESTIS">Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref>
Schmelzpunkt	2865 °C<ref name="GESTIS" />
Löslichkeit	nahezu unlöslich in Wasser<ref name="GESTIS" />
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Datei:ISO 7010 W003.svg Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),<ref name="CLP_100.240.790">Nicht explizit in Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP) gelistet, fällt aber mit der angegebenen Kennzeichnung unter den Gruppeneintrag Vorlage:Linktext-Check in der Datenbank ECHA CHEM der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA)Vorlage:Abrufdatum Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.</ref> ggf. erweitert<ref name="GESTIS" /><ref>Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung.</ref> Gefahrensymbol Gefahrensymbol Gefahrensymbol Gefahr H- und P-Sätze H: 330​‐​300​‐​373​‐​411 P: ?
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

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

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

<chem>UO_3 \ + H_2 \ \xrightarrow{450\ ^{\circ}C} \ UO_2 \ + H_2O</chem>

Das für die Herstellung der Brennelemente in Kernkraftwerken benötigte Uran(IV)-oxid wird überwiegend aus Uran(VI)-fluorid hergestellt. Uranhexafluorid ist die Uranverbindung, die aufgrund des niedrigen Siedepunktes für die Urananreicherung in Gaszentrifugen verwendet wird. Abgesehen von Natururanreaktoren benötigen alle anderen Kernreaktoren (und damit die überwiegende Mehrzahl der kommerziellen Leistungsreaktoren) angereichertes Uran, wodurch der Umwandlung von UF₆ in UO₂ besonders Bedeutung zukommt. 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.<ref>M. Volkmer: Basiswissen Kernenergie, Hamburgische Elektricitäts-Werke-AG, 1996, S. 76; ISBN 3-925986-09-X.</ref>

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.<ref>Patent DE3587334T2: Gewinnung von Uran aus Lösungen. Angemeldet am 25. Oktober 1985, veröffentlicht am 28. Oktober 1993, Anmelder: Siemens AG, Erfinder: Richard Anthony Hermens et al.‌</ref> Die Gleichungen für das ADU-Verfahren lauten:

<chem>UF6 + 2 H2O -> UO2F2 + 4 HF</chem>

<chem>2 UO2F2 + 6 NH4OH -> (NH4)2U2O7 v + 4 NH4F + 3 H2O</chem>

<chem>(NH4)2U2O7 + 2 H2 -> 2 UO2 + 2 NH4OH + H2O</chem>

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.<ref>Patent DE10115015C1: Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Sinterkörpers. Angemeldet am 27. März 2001, veröffentlicht am 15. Mai 2003, Anmelder: Framatome ANP GmbH, Erfinder: Gerhard Gradel, Wolfgang Dörr.‌</ref> 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:

<chem>UF6 + 2 H2O + H2 -> UO2 + 6 HF</chem>

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.<ref>Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, S. 1616; ISBN 3-527-26169-9.</ref>

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Uran(IV)-oxid ist ein dunkelbraunes bis schwarzes, kristallines Pulver. Es weist ein kubisches Kristallsystem auf, hat die Raumgruppe Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225, 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.<ref>Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref> So konnte in Laborversuchen aus UO₂ eine funktionsfähige Schottkydiode hergestellt werden.<ref>Thomas Meek: Semiconductive Properties of Uranium Oxides. (PDF; 88 kB) Materials Science Engineering Department, University of Tennessee, 2000, abgerufen am 2. September 2024. </ref> Wegen Problemen aufgrund der ionisierenden Strahlung sowie 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 etwa 11400 Bq/g. Abgereichertes Uran, wie es in nicht-nuklearen Anwendungen üblicherweise verwendet wird, hat eine niedrigere spezifische Aktivität. Dies geht teilweise auf den niedrigeren Gehalt an ²³⁵U, hauptsächlich aber auf den niedrigeren Gehalt an ²³⁴U zurück, welches in Natururan nur gut 55 ppm der Masse aber denselben Anteil der Radioaktivität wie ²³⁸U ausmacht.

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.

• Urandioxid
  Urandioxid
• Kernreaktorbrennstoff aus gesintertem Urandioxid
  Kernreaktorbrennstoff aus gesintertem Urandioxid
• Urandioxid-Pellets für einen Kernreaktor
  Urandioxid-Pellets für einen Kernreaktor

Anwendungen

Kernbrennstoff

Uran(IV)-oxid ist der wichtigste Kernbrennstoff in Kernreaktoren. Es wird zu sogenannten „Pellets“ verarbeitet, um in Brennstäben genutzt zu werden. Sowohl in Leichtwasserreaktoren, welche angereicherten Brennstoff verwenden, als auch in Natururanreaktoren wie dem CANDU kommt hauptsächlich Urandioxid zum Einsatz.

Keramikglasur

Weiterhin wurde Uran(IV)-oxid früher als farbgebender Zusatz in diversen Gläsern und Keramiken genutzt. Da Uran chemisch giftig ist und die Inkorporation des Alphastrahlers Uran gefährlicher ist als eine Exposition außerhalb des Körpers, ist von der Benutzung uranglasierter Teller o. ä. abzuraten, da Stäube der Glasur durch mechanische Einwirkungen z. B. des Bestecks in die von diesen Tellern verzehrten Lebensmittel gelangen können.<ref>Radioactivity in Antiques. OAR US EPA, 30. November 2018, abgerufen am 28. Januar 2025 (). </ref> Der reine Aufenthalt in Räumen mit uranglasierten Kacheln gilt demgegenüber als unbedenklich, da die absorbierte Strahlendosis verhältnismäßig gering ist.<ref>Radioactive Tiles (ca. 1930s). Abgerufen am 28. Januar 2025 (). </ref> Auch in Deutschland gibt es nach wie vor im öffentlichen Raum Gebäude mit Urankacheln, so die Station Rosenthaler Platz der Berliner U-Bahn.<ref>Berlin: Geigerzähler schlägt aus – Radioaktive Fliesen an U-Bahnhof? 8. Februar 2023, abgerufen am 28. Januar 2025. </ref><ref>Dana Neumann: U-Bahn in Berlin: In einem Bahnhof schlägt der Geigerzähler aus – radioaktive Strahlung. 10. Februar 2023, abgerufen am 28. Januar 2025 (). </ref>

Andere Anwendungen

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

Literatur

• B. R. T. Frost, M. B. Waldron: Reaktorwerkstoffe (= Kerntechnik in Einzeldarstellungen (Nuclear Engineering Monographs). Band 7). Vieweg+Teubner Verlag (Temple Press), Wiesbaden 1959, ISBN 978-3-663-03984-6, doi:10.1007/978-3-663-05430-6. 

Einzelnachweise

<references />