이산화 우라늄
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1. 개요
이산화 우라늄(UO₂)은 형석 구조의 면심 입방체 결정 구조를 가지며, 세륨, 토륨, 넵투늄 등 초우라늄 원소의 이산화물과 동일한 구조를 보인다. 반도체 특성을 나타내며, 온도가 상승함에 따라 전기 전도도가 증가하고, 열전도도는 감소한다. 약 2,850°C의 융점을 가지며, 분말 상태에서는 공기 중 산소와 반응하여 산화된다. 이산화 우라늄은 삼산화 우라늄을 수소로 환원시켜 생산되며, 핵연료, 유리 및 세라믹 착색제, 방사선 차폐, 촉매 등 다양한 용도로 사용된다. 특히 핵연료로 널리 사용되며, 원자로에서 사용되는 저농축 우라늄 연료 펠릿 형태로 사용된다. 또한, 이산화 우라늄은 반강자성 상태에서 강한 압전 자기 현상을 나타낸다.
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| 이산화 우라늄 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| IUPAC 이름 | 이산화 우라늄 |
| 다른 이름 | 우라니아 아산화 우라늄 |
| 화학식 | UO2 |
| 분자량 | 270.03 g/mol |
| 외형 | 검은색 분말 |
| 밀도 | 10.97 g/cm3 |
| 녹는점 | 2865 °C |
| 용해도 | 불용성 |
| 구조 | |
| 결정 구조 | 형석 (입방정계) cF12 |
| 공간군 | Fm3m, No. 225 |
| 배위수 | 사면체 (O2−); 입방 (UIV) |
| 격자 상수 | 547.1 pm |
| 열화학 | |
| 표준 생성 엔탈피 | −1084 kJ·mol−1 |
| 엔트로피 | 78 J·mol−1·K−1 |
| 위험성 | |
| GHS 그림 문자 | '' |
| 신호어 | 위험 |
| 유해 문구 | '' |
| 예방 문구 | '' |
| NFPA 704 | 건강: 4 화재: 0 반응성: 0 기타: OX |
| 인화점 | 해당 없음 |
| 노출 기준 (PEL) | 해당 없음 |
| 관련 화합물 | |
| 관련 음이온 | 황화 우라늄(IV) 셀렌화 우라늄(IV) |
| 관련 양이온 | 산화 프로트악티늄(IV) 산화 넵투늄(IV) |
| 다른 우라늄 산화물 | 팔산화 삼우라늄 삼산화 우라늄 |
| 식별 정보 | |
| CAS 등록번호 | 1344-57-6 |
| UNII | L70487KUZO |
| RTECS 번호 | YR4705000 |
| PubChem CID | 10916 |
| ChemSpider ID | 10454 |
| EC 번호 | 215-700-3 |
| 표준 InChI | 1S/2O.U |
| 표준 InChIKey | FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N |
| SMILES | O=[U]=O |
| 안전 보건 자료 (SDS) | |
| 외부 SDS | ICSC 1251 |
2. 구조 및 성질
이산화 우라늄은 형석(CaF₂)형 면심 입방체 구조를 가지며, 반도체적 성질을 띤다.
이산화 우라늄은 전도도, 열적 성질, 화학적 안정성, 결정 구조 등 다양한 성질을 가지고 있다. 결정 구조, 전기적 성질, 열적 성질, 화학적 성질에 대한 자세한 내용은 하위 문단에서 설명한다.
이산화 플루토늄과는 고용(固溶)성을 갖는다.[16] 235U 및 238U의 방사성 붕괴가 반도체 특성에 미치는 영향은 2005년 기준으로 아직 측정되지 않았다.
이산화 우라늄은 U3O8과 마찬가지로 고온(약 2300 °C)을 견딜 수 있는 세라믹 재료이며, 방사선 손상에 강하여 특수 군사 및 항공 우주 응용 분야를 위한 방사선 경화 장치에 유용하다.
2. 1. 결정 구조
이산화 우라늄의 결정 구조는 형석(CaF2)형의 면심 입방체형이며, 격자 상수의 평균값은 5.470 Å이고 밀도는 10.96 g/cm3이다.[16] 옐로케이크((NH4)2U2O7)를 정제 및 환원하여 제조한다.
고체 상태에서는 플루오린화 칼슘(불소화 칼슘)과 동구조를 가지며, 각 우라늄(U) 원자는 입방 배열에서 8개의 산소(O) 원자에 둘러싸여 있다.[3] 세륨, 토륨, 그리고 넵투늄에서 캘리포늄까지의 초우라늄 원소의 이산화물도 동일한 구조를 갖는다.[3] 다른 원소의 이산화물은 플루오라이트 구조를 갖지 않는다.
용융 시, 측정된 평균 U-O 배위는 결정질 고체의 8(UO8 큐브)에서 3,270,000K의 용융물에서 6.7±0.5로 감소한다.[4] 용융물은 주로 UO6 및 UO7 다면체 단위로 구성되어 있으며, 다면체 간 연결의 약 2/3는 모서리를 공유하고 1/3은 면을 공유한다.[3]
2. 2. 전기적 성질
이산화 우라늄은 반도체이며, 전기 전도도는 온도가 상승함에 따라 지수 함수적으로 증가한다.[16] 이산화 우라늄의 밴드갭은 실리콘, 갈륨 비소와 비슷하며, 쇼트키 다이오드 구조 기반의 효율적인 태양 전지에 사용될 가능성이 있다. 실온에서 고유 전도도는 단결정 실리콘과 거의 같다.[11]이산화 우라늄의 유전율은 약 22로, 실리콘(11.2) 및 GaAs(14.1)보다 거의 두 배 높다. 이는 집적 회로 구성 시 Si 및 GaAs보다 유리하며, 더 높은 항복 전압과 CMOS 터널링 고장에 대한 낮은 감수성을 가지는 더 높은 집적 밀도를 허용할 수 있다.
실온에서 이산화 우라늄의 제베크 계수는 약 750 μV/K이다.
물질의 화학량론은 전기적 특성에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, UO1.994의 전기 전도도는 UO2.001의 전도도보다 고온에서 수십 배 낮다.
2. 3. 열적 성질
이산화 우라늄은 반도체로서 전기 전도도는 온도가 상승함에 따라 지수 함수적으로 증가하며, 열전도도는 0.02W/cm2sec°C ~ 로 온도 상승에 따라 감소한다. 융점은 약 2,850 °C이며, 증기압은 1,700 °C 근방에서 현저하게 증가하여 융점에서 100 mmHg에 이른다.[16]2. 4. 화학적 안정성
이산화 우라늄은 매우 작은 입자로 이루어진 분말 형태일 경우 상온에서 공기 중의 산소와 반응하여 UO2+X(X=0.00 ~ 0.33)가 되지만, 소결체는 비교적 안정적이다.[16] 공기 중이나 산소 분위기에서 온도를 높이면 약 400 °C 이하에서는 UO2.33(U3O7)로 산화되며, 그 이상에서는 U3O8을 형성하며 열을 방출한다.[16] 원자로에서 사용되는 조성은 UO2.00 ~ UO2.02이며 피복관과의 양립성은 양호하다.[16]이산화 우라늄은 산소와 접촉하여 산화되면 삼산화 팔우라늄이 된다.[5][6]
:3 UO2 + O2 → U3O8, 700°C (973 K)
이산화 우라늄의 전기화학은 사용후 핵연료가 용해되는 속도를 제어하기 때문에 상세히 연구되었다. 더 자세한 내용은 사용후 핵연료 문서를 참조하면 된다. 물은 플루토늄과 우라늄 금속의 산화 속도를 증가시킨다.[5][6]
3. 생산
이산화 우라늄은 삼산화 우라늄을 수소로 환원시켜 만든다.
:UO3 + H2 → UO2 + H2O (700°C에서)
이 반응은 우라늄 농축 과정이나 핵연료 재처리를 통해 핵 연료를 만드는 데 사용된다.
4. 화학 반응
이산화 우라늄은 산소와 반응하여 삼산화 팔우라늄으로 산화되거나, 탄소와 반응하여 탄화 우라늄과 일산화 탄소를 생성하는 등 여러 화학 반응을 일으킨다. 이산화 우라늄의 전기화학은 사용후 핵연료가 용해되는 속도를 제어하기 때문에 상세히 연구되었다.[5][6] 물은 플루토늄과 우라늄 금속의 산화 속도를 증가시킨다.
사산화 삼우라늄(U3O8)은 산화 우라늄(IV)을 산화 분위기에서 800°C로 가열하면 생성된다.
4. 1. 산화
이산화 우라늄은 산소와 반응하여 산화되어 삼산화 팔우라늄이 된다.:3 UO2 + O2 → U3O8, 700°C
이산화 우라늄의 전기화학은 사용후 핵연료가 용해되는 속도를 제어하기 때문에 상세히 연구되었다. 물은 플루토늄과 우라늄 금속의 산화 속도를 증가시킨다.[5][6]
4. 2. 탄화
이산화 우라늄은 탄소와 반응하여 탄화 우라늄과 일산화 탄소를 생성한다.[4]:
이 반응은 탄화 우라늄이 쉽게 산화되어 다시 우라늄 산화물이 되기 때문에 불활성 기체 환경에서 진행해야 한다.[4]
4. 3. 기타 반응
사불화 우라늄(UF4)은 이산화 우라늄을 불화 수소와 700 °C에서 가열하면 생성된다.[1]5. 용도
이산화 우라늄은 고온에서 안정적인 특성을 지녀 금속 우라늄 대신 경수로의 연료로 사용된다.[17] 저농축 우라늄 산화 우라늄(IV) 분말을 약 1 cm 크기로 성형・가공하고 고온에서 구워 굳힌 펠릿 형태로 만들어 사용한다. 이 펠릿은 지르코늄 합금으로 만든 연료 피복관에 채워져 연료봉을 구성하고, 연료봉은 정방형으로 묶여 연료 집합체를 이루며, 노심에 장전되어 사용된다.
산화 우라늄(IV)은 천연 섬우라늄광의 조성과 같으며, 우라늄 연료 채굴부터 연료봉으로 사용되기까지의 시작과 끝이 같은 물질이다. 다만, 중간 과정에서 다양한 화학 처리와 원심 분리 등의 공정을 거친다.
이산화 우라늄은 핵연료 외에도 다음과 같은 다양한 용도로 사용된다.
- 유리 및 세라믹 착색제: 제2차 세계 대전 이전에는 유리 및 세라믹 착색제로 주로 사용되었으며, 방사능이 발견되기 전까지 이 용도가 주를 이루었다. 1958년 이후 미국과 유럽에서 열화 우라늄 형태로 상업적 사용이 다시 허용되면서, 제한적인 규모로 유리 및 세라믹 착색에 다시 사용되기 시작했다.[7] 우라니아 기반 세라믹 유약은 환원 상태에서 짙은 녹색 또는 검은색을 띠며, 산화 상태에서는 밝은 노란색, 주황색, 빨간색 유약을 만드는 데 사용된다.[7] 피에스타웨어는 우라니아 착색 유약을 사용한 대표적인 예이다. 우라늄 유리는 옅은 녹색에서 노란색을 띠며 강한 형광 특성을 가지는 경우가 많다.
- 방사선 차폐: 열화 이산화 우라늄(DUO2)은 방사선 차폐 물질로도 사용될 수 있다. DUCRETE는 자갈 대신 이산화 우라늄 골재를 사용한 "무거운 콘크리트" 재료로, 방사성 폐기물 저장 용기 등에 사용하기 위해 연구되고 있다. 또한, DUO2-강철 서멧은 방사선 차폐, 중성자 방사선 흡수 및 감속, 붕괴열 제거 등의 기능을 수행할 수 있는 복합 재료이다.
- 촉매: 열화 이산화 우라늄은 촉매로도 사용될 수 있는데, 기체 상태의 휘발성 유기 화합물 분해, 메탄의 메탄올로의 산화, 석유에서 황 제거 등에 사용된다. 일부 상업용 촉매에 비해 높은 효율과 장기적인 안정성을 가지는 것으로 알려져 관련 연구가 진행 중이다.[8]
- 기타: 충전식 배터리, 태양광 보조 수소 생산을 위한 광전기 화학 전지, 전류 제한용 열 전도체(URDOX-저항) 등에도 이산화 우라늄을 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한, 이산화 우라늄은 극저온에서 강한 압전 자기 현상을 나타내며, 이를 활용한 자기 탄성 기억 스위칭 현상에 대한 연구도 이루어지고 있다.[9][10]
5. 1. 핵연료
이산화 우라늄과 같은 산화물계 핵연료는 우라늄이나 플루토늄과 같은 금속계 연료보다 열전도도는 낮지만, 고온에서 화학적으로 안정하고 녹는점과 변태점이 높아 핵반응 온도를 높여 고출력을 얻기에 적당하다. 따라서 대부분의 발전용 원자로 연료로 쓰이고 있다.[17]이산화 우라늄(UO2)은 주로 핵연료로 사용되며, 플루토늄 이산화물(PuO2)과 혼합한 혼합 산화물(MOX 연료) 형태로도 핵연료봉에 담겨 원자로에서 사용된다.
이산화 우라늄의 열전도율은 우라늄, 우라늄 질화물, 우라늄 탄화물 및 지르코늄 피복재에 비해 매우 낮다. 이러한 낮은 열전도율은 연료 펠릿 중심부에서 국부적인 과열을 유발할 수 있다.
경수로에서는 금속 우라늄 대신 고온에서 안정적인 이산화 우라늄을 연료로 사용한다. 현재 사용되는 경수로에서는 저농축 우라늄 산화 우라늄(IV) 분말을 프레스 기계로 직경과 길이 모두 약 1 cm로 성형・가공하여, 고온에서 구워 굳힌 펠릿을 사용한다. 펠릿을 지르코늄제의 연료 피복관에 채워 연료봉을 구성하고, 연료봉을 8×8 등으로 정방형으로 묶은 연료 집합체는 노심에 장전되어 노심부를 구성한다.
핵분열 생성물의 밀폐, 유지성이 좋지 않으므로 고연소도 핵연료를 개발하기 위해서는 핵분열 기체 유출을 방지하고 기체로 인한 부피 팽창을 작게 해야 한다. 이를 위해 핵 연료의 입자 크기를 균일하게 하고, 기공이 균일하게 분포하는 미세조직을 만드는 산화소결법이 핵연료 가공에 중요한 역할을 한다.[17]
산화 우라늄(IV)은 천연으로 산출되는 섬우라늄광의 조성과 같다. 우라늄 연료 채굴부터 연료봉으로 사용되는 부분의 시작과 끝이 같은 물질이며, 중간에 다양한 화학 처리나 원심 분리 등의 조작을 거친다.
5. 2. 유리 및 세라믹 착색제
산화 우라늄(우라니아)은 제2차 세계 대전 이전부터 유리 및 세라믹 착색에 사용되었으며, 방사능이 발견되기 전까지 이것이 주된 용도였다. 1958년 미국과 유럽의 군대는 고갈 우라늄으로서의 상업적 사용을 다시 허용했고, 그 사용은 더 제한적인 규모로 다시 시작되었다.[7] 우라니아 기반 세라믹 유약은 UO2가 사용될 때 환원 상태에서 소성되면 짙은 녹색 또는 검은색을 띤다. 더 일반적으로는 밝은 노란색, 주황색 및 빨간색 유약을 생산하기 위해 산화 상태에서 사용된다.[7] 주황색 피에스타웨어는 우라니아 착색 유약을 사용한 제품의 잘 알려진 예이다.
5. 3. 방사선 차폐
열화 이산화 우라늄(DUO2)은 방사선 차폐 물질로 사용될 수 있다. 예를 들어, DUCRETE는 자갈 대신 이산화 우라늄 골재를 사용한 "무거운 콘크리트" 재료이다. 이 재료는 방사성 폐기물 저장 용기에 사용하기 위해 연구되고 있다. 저장 용기는 DUO2-강철 서멧으로도 만들 수 있는데, 이는 방사선 차폐 역할을 하는 이산화 우라늄 골재, 흑연 및/또는 탄화 규소를 중성자 방사선 흡수 및 감속재로, 강철을 매트릭스로 하는 복합 재료이다. 강철의 높은 열전도율은 붕괴열을 쉽게 제거할 수 있게 해준다.5. 4. 촉매
열화 이산화 우라늄은 기체 상태의 휘발성 유기 화합물 분해, 메탄의 메탄올로의 산화, 석유에서 황 제거 등에 촉매로 사용될 수 있다. 귀금속, TiO2, Co3O4 촉매와 같은 일부 상업용 촉매와 비교했을 때 VOC 파괴에 사용될 경우 높은 효율과 장기적인 안정성을 가진다. 이 분야에서 많은 연구가 진행 중이며, 낮은 방사능 때문에 열화 우라늄이 우라늄 성분으로 선호된다.[8]5. 5. 기타 용도
방사선의 유해성이 알려지기 전에는 우라늄을 의치와 틀니에 넣기도 했다. 우라늄의 약한 형광성 때문에 틀니가 다양한 조명 아래에서 진짜 치아처럼 보이게 하기 위해서였다.열화 UO2 (DUO2)는 방사선 차폐 물질로 사용될 수 있다. 예를 들어, DUCRETE는 자갈 대신 이산화 우라늄 골재를 사용한 "무거운 콘크리트" 재료이다. 이 재료는 방사성 폐기물 저장 용기에 사용하기 위해 연구되고 있다. 저장 용기는 DUO2-강철 서멧으로도 만들 수 있는데, 이는 방사선 차폐 역할을 하는 이산화 우라늄 골재, 흑연 및/또는 탄화 규소를 중성자 방사선 흡수 및 감속재로, 강철을 매트릭스로 하는 복합 재료이다. 강철의 높은 열전도율은 붕괴열을 쉽게 제거할 수 있게 해준다.
열화 이산화 우라늄은 촉매로도 사용될 수 있다. 예를 들어 기체 상태의 휘발성 유기 화합물 분해, 메탄의 메탄올로의 산화, 석유에서 황 제거 등에 사용된다. 일부 상업용 촉매(예: 귀금속, TiO2, Co3O4 촉매)와 비교했을 때 VOC 파괴에 사용될 경우 높은 효율과 장기적인 안정성을 가진다.[8]
충전식 배터리용 재료로 이산화 우라늄을 사용하는 연구가 진행 중이다. 이 배터리는 높은 출력 밀도와 셀당 4.7V의 잠재력을 가질 수 있다. 또 다른 연구 적용 분야는 UO2가 광양극으로 사용되는 태양광 보조 수소 생산을 위한 광전기 화학 전지이다. 과거에는 이산화 우라늄이 전류 제한을 위한 열 전도체(URDOX-저항)로도 사용되었는데, 이는 반도체 특성을 처음으로 사용한 경우였다.
이산화 우라늄은 30,000K 이하의 극저온에서 관찰되는 반강자성 상태에서 강한 압전 자기 현상을 나타낸다. 이에 따라 UO2에서 발견되는 선형 자기 변형은 가해지는 자기장에 따라 부호가 바뀌며, 180,000 Oe의 기록적인 고전환 자기장에서 자기 탄성 기억 스위칭 현상을 보인다.[9] 이 물질의 자기적 특성의 미세한 기원은 우라늄 원자의 면심 입방정계 결정 격자 대칭과 가해지는 자기장에 대한 반응에 있다.[10]
6. 반도체 특성
이산화 우라늄은 실리콘, 갈륨 비소와 밴드갭이 비슷하여 쇼트키 다이오드 기반 고효율 태양 전지에 사용될 가능성이 있는 반도체 물질이다. 적외선을 포함한 여러 파장의 빛을 흡수하여 효율을 높일 수 있으며, 실온에서 고유 전도도는 단결정 실리콘과 거의 같다.[11]
또한 제베크 계수가 높아 열전 발전 및 펠티어 소자에도 응용될 수 있다. U3O8과 같이 고온에 안정적이고 방사선 손상에 강해 군사 및 항공 우주 분야 특수 장치에도 사용된다.
실험실에서 U3O8로 만든 쇼트키 다이오드와 UO2로 만든 p-n-p 트랜지스터가 성공적으로 제조되었다.[12]
물질의 화학량론은 전기적 특성에 큰 영향을 미치는데, 예를 들어 UO1.994의 전기 전도도는 UO2.001보다 고온에서 수십 배 낮다.
6. 1. 밴드갭
이산화 우라늄의 밴드갭은 실리콘 및 갈륨 비소의 밴드갭과 비슷하며, 태양 복사 흡수를 위한 효율 대 밴드갭 곡선의 최적 지점에 가깝다. 이는 쇼트키 다이오드 구조를 기반으로 하는 매우 효율적인 태양 전지에 사용될 가능성을 시사한다. 또한 적외선을 포함한 5가지 다른 파장에서 흡수하여 효율을 더욱 높인다. 실온에서의 고유 전도도는 단결정 실리콘과 거의 같다.[11]이산화 우라늄의 유전율은 약 22로, 실리콘(11.2) 및 GaAs(14.1)보다 거의 두 배 높다. 이는 집적 회로 구성 시 실리콘 및 갈륨 비소보다 유리하며, 더 높은 항복 전압과 CMOS 터널링 고장에 대한 낮은 감수성을 갖는 더 높은 집적 밀도를 허용할 수 있다.
6. 2. 유전율
이산화 우라늄의 유전율은 약 22로, 실리콘(11.2) 및 GaAs(14.1)보다 거의 두 배 높다. 이는 집적 회로 구성 시 실리콘 및 GaAs보다 유리하며, 더 높은 항복 전압과 CMOS 터널링 고장에 대한 낮은 감수성을 갖는 더 높은 집적 밀도를 허용할 수 있다.[11]6. 3. 제베크 계수
이산화 우라늄의 제베크 계수는 실온에서 약 750 μV/K로, 탈륨 주석 텔루라이드(Tl2SnTe5), 탈륨 게르마늄 텔루라이드(Tl2GeTe5), 비스무트-텔루륨 합금의 270 μV/K보다 현저히 높다. 이러한 특성은 이산화 우라늄이 열전 발전 및 펠티어 소자 응용에 유망한 재료임을 시사한다.[11]6. 4. 방사성 붕괴의 영향
235U 및 238U의 방사성 붕괴가 반도체 특성에 미치는 영향은 2005년 기준으로 측정되지 않았다.[11] 이러한 동위원소의 느린 붕괴율은 이산화 우라늄 태양 전지 및 열전 장치의 특성에 큰 영향을 주지 않을 것으로 예상되지만, VLSI 칩에는 중요한 요인이 될 수 있다. 따라서 열화 우라늄 산화물을 사용하는 것이 필요하다. 방사성 붕괴 과정에서 방출된 알파 입자가 결정 격자에 헬륨 원자로 포획될 경우, 장기적으로 특성에 점진적인 변화를 일으킬 수 있다.7. 독성
참조
[1]
논문
Accurate lattice parameter measurements of stoichiometric uranium dioxide
https://zenodo.org/r[...]
[2]
서적
Chemical Principles 6th Ed
Houghton Mifflin Company
[3]
논문
Electronic structure and ionicity of actinide oxides from first principles
https://link.aps.org[...]
2010-01-07
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논문
Molten uranium dioxide structure and dynamics
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논문
Reactions of Plutonium Dioxide with Water and Oxygen-Hydrogen Mixtures: Mechanisms for Corrosion of Uranium and Plutonium
http://www.osti.gov/[...]
2009-06-06
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논문
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서적
Uran in der Keramik. Geschichte - Technik - Hersteller
http://www.uranglasu[...]
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논문
Uranium-oxide-based catalysts for the destruction of volatile chloro-organic compounds
[9]
논문
Piezomagnetism and magnetoelastic memory in uranium dioxide.
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Piezomagnetic switching and complex phase equilibria in uranium dioxide.
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Ultrafast Hopping Dynamics of 5''f'' Electrons in the Mott Insulator UO2 Studied by Femtosecond Pump-Probe Spectroscopy
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논문
Semiconductor devices fabricated from actinide oxides
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서적
Principles of Biochemical Toxicology
PA
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Accurate lattice parameter measurements of stoichiometric uranium dioxide
https://zenodo.org/r[...]
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서적
Chemical Principles 6th Ed
https://archive.org/[...]
Houghton Mifflin Company
[16]
저널
이산화 우라늄계 핵연료에서 핵분열 기체 확산계수 측정
2012-04-14
[17]
저널
소결 분위기에 따른 이산화 우라늄의 치밀화 및 입자성장
2012-04-14
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