يستخدم ثاني أكسيد اليورانيوم أو أكسيد اليورانيوم الرباعي (يورانيا) على نطاق واسع في الصناعة النووية لأنواع مختلفة (على سبيل المثال في مفاعلات الماء المضغوط ومفاعلات الماء المغلي والديوتيريوم الكندي) لمفاعلات الطاقة النووية، وتُستخدم اليورانيا حاليًا في أكثر من 90٪ من مفاعلات الطاقة ولكن أكاسيد أخرى، جنبًا إلى جنب مع مصفوفة وقود اليورانيا التقليدية، تُظهر نتائج واعدة كبدائل محتملة لقلب مفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم النقي، وفيما يلي سيتم ذكر استخدامات ثاني أكسيد اليورانيوم.

 

خصائص أشباه الموصلات وعلاقتها بثاني أكسيد اليورانيوم

 

  • إن مركب ثاني أكسيد اليورانيوم عبارة عن مادة شبه موصلة، تبلغ فجوة النطاق الخاصة بها حوالي 1.3 فولت، والتي تقع بين فجوة النطاق الخاصة بالسيليكون وزرنيخيد الغاليوم، بالقرب من منحنى فجوة النطاق الأمثل للكفاءة لامتصاص الإشعاع الشمسي، مما يشير إلى إمكانية استخدامها لخلايا شمسية فعالة للغاية تعتمد على هيكل شوتكي الثنائي، كما أنه يمتص بخمسة أطوال موجية مختلفة، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء، مما يعزز كفاءته، الموصلية الجوهرية في درجة حرارة الغرفة هي نفسها مثل السيليكون البلوري الأحادي.

 

  • يبلغ ثابت العزل الكهربائي الخاص بثاني أكسيد اليورانيوم حوالي 22، وهو ما يقرب من ضعف ارتفاع السيليكون (11.2) ومركب زرنيخيد الغاليوم (14.1)، مما يمثل ميزة على السيليكون وزرنيخيد الغاليوم لبناء الدوائر المتكاملة، حيث قد يسمح بتكامل أعلى كثافة مع جهد انهيار أعلى وقابلية أقل لانهيار نفق (CMOS).

 

ويبلغ معامل سيبيك لثاني أكسيد اليورانيوم في درجة حرارة الغرفة حوالي 750 ميكرو فولت/ كلفن، وهي قيمة أعلى بكثير من 270 ميكرو فولت/ كلفن من تيلوريد قصدير الثاليوم وثاليوم الجرمانيوم تيلورايد وسبائك البزموت والتيلوريوم، ومواد أخرى واعدة لتطبيقات الطاقة الحرارية وعناصر بلتيير.

 

  • لم يتم قياس تأثير الاضمحلال الإشعاعي لـ (235U و 238U) على خصائصها شبه الموصلة اعتبارًا من عام 2005 ميلادي، نظرًا لمعدل التحلل البطيء لهذه النظائر، لا ينبغي أن تؤثر بشكل فعال على خصائص خلايا ثاني أكسيد اليورانيوم الشمسية والأجهزة الكهروحرارية، ولكنها قد تصبح كذلك عامل مهم لرقائق (VLSI).

 

كما أن استخدام أكسيد اليورانيوم المستنفد ضروري لهذا السبب، تراكم منتجات الاضمحلال، على سبيل المثال، قد يتسبب الهيليوم الموجود في الشبكة البلورية أيضًا في حدوث تغييرات تدريجية طويلة المدى في خصائصه.

 

  • يؤثر القياس المتكافئ للمادة بشكل كبير على خصائصها الكهربائية، على سبيل المثال، الموصلية الكهربائية لـ (UO1.994) هي أوامر من حيث الحجم أقل عند درجات حرارة أعلى من موصلية (UO2.001)، وثاني أكسيد اليورانيوم، مثل (U3O8)، مادة خزفية قادرة على تحمل درجات حرارة عالية (حوالي 2300 درجة مئوية، مقارنة بحد أقصى 200 درجة مئوية للسيليكون أو GaAs)، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية مثل الأجهزة الحرارية.

 

  • كما أن ثاني أكسيد اليورانيوم مقاوم للأضرار الإشعاعية، مما يجعله مفيدًا للأجهزة الراديوية الصلبة للتطبيقات العسكرية والفضائية الخاصة.

 

استخدامات ثاني أكسيد اليورانيوم

 

ثاني أكسيد اليورانيوم كوقود نووي

 

  • يتم استخدام مركب ثاني أكسيد اليورانيوم المخصب بشكل أساسي كوقود نووي، وتحديداً مثل ثاني أكسيد اليورانيوم أو كمزيج من ثاني أكسيد اليورانيوم وثاني أكسيد البلوتونيوم ويُسمى أكسيد مختلط (وقود موكس) لقضبان الوقود في المفاعلات النووية.

 

ويجب الملاحظة أن الموصلية الحرارية لمركب ثاني أكسيد اليورانيوم منخفضة جدًا عندما تتم مقارنتها باليورانيوم ونتريد اليورانيوم وكربيد اليورانيوم ومواد تكسية الزركونيوم، من الممكن أن تؤدي هذه الموصلية الحرارية المنخفضة إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعية في مراكز كريات الوقود.

 

ثاني أكسيد اليورانيوم ودوره في لون طلاء السيراميك

 

  • لقد تم استخدام جميع أكاسيد اليورانيوم من أجل تلوين الزجاج والسيراميك، إذ يصبح السيراميك القائم على أكسيد اليورانيوم أخضر أو ​​أسود عند إطلاقه في جو مختزل ويتحول من الأصفر إلى البرتقالي عند إطلاقه بالأكسجين، ويعتبر (Fiestaware) باللون البرتقالي مثالًا معروفًا لمنتج به طبقة زجاجية من اليورانيوم، كما تم استخدام أكسيد اليورانيوم في تركيبات المينا وزجاج اليورانيوم والخزف.

 

  • قبل عام 1960 ميلادي، كانت أكاسيد اليورانيوم تستخدم كطلاء زجاجي ملون، من الممكن تحديد ما إذا كان الزجاج يحتوي على أكاسيد اليورانيوم أم لا باستخدام عداد جيجر.

 

استخدامات أخرى لثاني أكسيد اليورانيوم

 

  • يستخدم ثاني أكسيد اليورانيوم (اليورانيا) حاليًا في أكثر من 90٪ من مفاعلات الطاقة ولكن أكاسيد أخرى، جنبًا إلى جنب مع مصفوفة وقود اليورانيا التقليدية، تُظهر نتائج واعدة كبدائل محتملة لقلب مفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم النقي، على سبيل المثال تعتبر أنواع وقود الأكسيد المختلط ذات أهمية لأنها تدمج البلوتونيوم في مصفوفة الوقود وتزيد من استخدام اليورانيوم.

 

  • لأن الثوريوم أكثر وفرة بثلاث مرات من اليورانيوم، فإن الوقود النووي القائم على الثوريوم يبشر بالخير على الرغم من كون الثوريوم مادة خصبة وليست انشطارية، لتكييف مصادر الوقود النووي الجديدة هذه مع الأجيال القادمة من المفاعلات، يتم استخدام المنشطات، مثل الكروميا (Cr2O3) والألومينا (Al2O3) والتيتانيا (TiO2) والنيوبيا (Nb2O5) والفاناديا (V2O5).

 

  • من الممكن أن يتم استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم المستنفد (DUO2) كمادة للحماية من الإشعاع، على سبيل المثال (DUCRETE) عبارة عن مادة “خرسانية ثقيلة” حيث يتم استبدال الحصى بمجموع ثاني أكسيد اليورانيوم، ويتم فحص هذه المادة لاستخدامها في براميل النفايات المشعة، يمكن أيضًا صنع الحبيبات من (DUO2-steel cermet).

 

  • وهي مادة مركبة مصنوعة من مجموعة من ثاني أكسيد اليورانيوم تعمل كدرع إشعاعي والجرافيت أو كربيد السيليكون الذي يعمل كممتص للإشعاع النيوتروني ومهدئ والصلب باعتباره المصفوفة التي تتميز بموصلية حرارية عالية يسمح بإزالة حرارة التسوس بسهولة، يمكن أيضًا استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم المستنفد كعامل مساعد.

 

  • على سبيل المثال، لتحلل المركبات العضوية المتطايرة في المرحلة الغازية وأكسدة الميثان للميثانول وإزالة الكبريت من البترول، يتمتع بكفاءة عالية واستقرار طويل الأمد عند استخدامه لتدمير المركبات العضوية المتطايرة عند مقارنته ببعض المحفزات التجارية مثل المعادن الثمينة ومحفزات (TiO2)، و (Co3O4).

 

  • يتم إجراء الكثير من الأبحاث في هذا المجال حيث يتم تفضيل اليورانيوم المنضب لمكون اليورانيوم بسبب نشاطه الإشعاعي المنخفض، تم التحقيق في استخدام ثاني أكسيد اليورانيوم كمادة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، يمكن أن تتمتع البطاريات بكثافة طاقة عالية وإمكانية 4.7 فولت لكل خلية، وهناك تطبيق آخر تم فحصه في الخلايا الكهروكيميائية الضوئية، لإنتاج الهيدروجين بمساعدة الطاقة الشمسية، يستخدم (UO2) كصورة ضوئية.

 

وفي النهاية نستنتج أن ثاني أكسيد اليورانيوم عبارة عن مادة شبه موصلة يدخل في عدد من الاستخدامات المختلفة منها كوقود نووي ومن أجل تلوين الزجاج والسيراميك وغيرها من الاستخدامات الأخرى.