Dioxyde d'uranium

C'est le constituant naturel de la pechblende, qui est le principal minerai d'uranium.

Le minerai d'uranium est industriellement traité, à partir du trioxyde d'uranium UO₃ lors des processus d'enrichissement de l'uranium et de traitement des déchets nucléaires :

UO₃ + H₂ → UO₂ + H₂O à 450 °C.

Le dioxyde d'uranium a la même structure cristalline que la fluorine CaF₂, qui est également celle des dioxydes de neptunium et de plutonium.
Il s'oxyde en octaoxyde de triuranium U₃O₈ par chauffage au contact de l'oxygène de l'air :

3 UO₂ + O₂ → U₃O₈ à 700 °C.

Conductivité thermique du dioxyde d'uranium comparée à celle du zirconium en fonction de la température.

L'une des propriétés remarquables du dioxyde d'uranium est sa très faible conductivité thermique qui conduit à devoir limiter le diamètre des crayons combustibles de façon à plafonner la valeur de la température à cœur des crayons. Elle peut aussi engendrer des surchauffes locales au cœur du combustible nucléaire.

Le dioxyde d'uranium est essentiellement utilisé dans les barres de combustible nucléaire, principalement sous forme UO₂ ou mélangé au dioxyde de plutonium PuO₂ pour donner du combustible MOX.

Il peut également être employé comme catalyseur, notamment dans la dégradation des composés organiques volatils en phase gazeuse, l'oxydation du méthane en méthanol et la désulfuration des pétroles. Dans cet usage, il se montre plus efficace et plus stable que les catalyseurs du marché employés dans le retraitement des COV, tels que les métaux précieux, le rutile TiO₂ et l'oxyde de cobalt (II,III) CoO•Co₂O₃.

À partir d'uranium appauvri, il peut être utilisé à des fins de radioprotection, notamment en entrant dans la composition de bétons où il sert de grave.

Le dioxyde d'uranium est un matériau semi-conducteur aux propriétés particulièrement intéressantes[5] :

• il a une largeur de bande interdite de 1,3 eV, intermédiaire entre celles du silicium et de l'arséniure de gallium GaAs, proche de l'optimum d'efficacité pour l'absorption du rayonnement solaire. Il a un spectre d'absorption assez large, incluant l'infra-rouge, ce qui accroît encore son efficacité, et une conductivité électrique intrinsèque à température ambiante voisine de celle du silicium monocristallin. Il peut ainsi être utilisé pour réaliser des cellules solaires de type Schottky ;
• sa constante diélectrique est voisine de 22, contre seulement 11,2 pour le silicium et 14,1 pour le GaAs, ce qui rend possible la réalisation de circuits intégrés ayant une plus forte densité d'intégration avec UO₂ qu'avec Si et GaAs ; ces circuits ont également une tension de claquage plus élevée et une moins grande susceptibilité à l'effet tunnel CMOS ;
• son coefficient Seebeck à température ambiante est de l'ordre de 750 µV/K, près du triple de celui de la plupart des matériaux étudiés pour les applications thermoélectriques ;
• tout comme l'octaoxyde de triuranium U₃O₈, le dioxyde d'uranium UO₂ est une céramique résistante aux températures élevées, jusqu'à pas moins de 2 300 °C, ce qui le rend apte à servir pour des applications à haute température ;
• le dioxyde d'uranium a également une bonne tenue aux radiations, ce qui permet de l'utiliser pour réaliser des composants électroniques durcis aux radiations.

Les propriétés électriques du dioxyde d'uranium sont très sensibles à sa stœchiométrie. Ainsi, la conductivité électrique du UO_1,994 est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du UO_2,001. Ceci, avec la difficulté à maîtriser le dopage de ce matériau, constitue un obstacle au développement du dioxyde d'uranium comme matériau semiconducteur.