Uran

iso	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²³³U	{syn.}	1,592 · 10⁵ a	α	4,909	²²⁹Th
²³⁴U	0,0055 %	2,455 · 10⁵ a	α	4,859	²³⁰Th
²³⁵U	0,72 %	7,038 · 10⁸ a	α	4,679	²³¹Th
(^235mU)	{syn.}	~25 min	IT	< 1
²³⁶U	{syn.}	2,342 · 10⁷ a	α	4,572	²³²Th
(^236mU)	{syn.}	121 ns	SF (0,013 %)	< 1
(^236mU)	{syn.}	120 ns	IT (87 %) SF (13 %) α (< 10 %)	2,750 7,322	²³²Th
²³⁷U	{syn.}	6,75 d	β^-	0,519	²³⁷Np
²³⁸U	99,27 %	4,468 · 10⁹ a	α	4,270	²³⁴Th

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92. Es gehört zu den Actinoiden.

Das Uranisotop ²³⁵U ist das einzige natürlich vorkommende spaltbare Material und wird in Kernkraftwerken zur Energiegewinnung genutzt. Auf Grund der Gesundheitsgefahren der Radioaktivität und dem möglichen Einsatz in einer Atomwaffe ist die wirtschaftliche Verwendung von Uran politisch stark umstritten.

Isotope

In natürlichem Uran finden sich die Isotope ²³⁴U (0,0055 %), ²³⁵U (0,72 %) und ²³⁸U (99,27 %). Wegen seiner relativ kurzen Halbwertszeit im Vergleich zu ²³⁸U ist ²³⁴U nur in Spuren vorhanden, liefert aber einen gleich großen Beitrag zur Radioaktivität wie ²³⁸U. Es entsteht aus ²³⁸U Datei:Pfeil mit alpha.png ²³⁴Th Datei:Pfeil mit beta-.png ²³⁴Pa Datei:Pfeil mit beta-.png ²³⁴U.

Natürliches Uran bzw. das am häufigsten vorkommende Isotop ²³⁸U hat eine Halbwertszeit von 4,47 Milliarden Jahren und ist wie die anderen natürlichen Isotope (²³⁴U und ²³⁵U) ein α-Strahler. Die spezifische Aktivität von ²³⁸U beträgt 12450 Bq/g. ²³⁵U ist das einzige natürlich vorkommende spaltbare Material.

Als „angereichertes Uran“ wird Uran bezeichnet, dessen Anteil an (mit thermischen Neutronen spaltbarem) ²³⁵U gegenüber dem (mit thermischen Neutronen nicht spaltbarem) ²³⁸U durch Uran-Anreicherung erhöht wurde. Schwach angereichertes Uran (etwa 2–4 % ²³⁵U) wird in Kernkraftwerken, hoch angereichertes (typisch > 80 % ²³⁵U) zur Herstellung von Atomwaffen sowie zum Betrieb von Schiffsreaktoren verwendet. Die kritische Masse von ²³⁵U beträgt etwa 49 kg.

Eigenschaften

Uran ist ein sehr schweres, relativ weiches, silber-weißes Metall, welches in fein verteiltem Zustand selbstentzündlich ist. Die meisten Säuren lösen metallisches Uran auf, während es von Alkalien nicht angegriffen wird. An der Luft überzieht sich das Metall mit einer Oxidschicht. Es ist leicht paramagnetisch.

Uran kommt in drei Modifikationen vor: α-Uran bei Temperaturen unter 688 °C, β-Uran im Temperaturbereich zwischen 688 und 776 °C und γ-Uran im Temperaturbereich zwischen 776 °C und seinem Schmelzpunkt.

Aus Uran entsteht ständig eine Reihe von kurzlebigen Tochternukliden, von denen einige sehr mobil sind wie das Edelgas Radon. Andere Tochternuklide neigen dazu, weniger mobil zu sein (Thorium, Radium, Polonium, Blei).

Uran-Verbindungen sind giftig. Die Toxizität wird v.a. durch deren Löslichkeit bestimmt. Die leichtlöslichen Uranyle sind am giftigsten, die schwerlöslichen Oxide sind weniger giftig. Uran ist außerdem teratogen.

Verbindungen

Uran tritt in der Natur überwiegend mit den Wertigkeiten +4 oder +6 auf. Vierwertige Uran-Minerale sind in Wasser unter normalen pH/EH-Bedingungen nahezu unlöslich.

Das sechswertige Uran ist dagegen unter oxidierenden Bedingungen auch im Bereich neutraler pH-Werte gut löslich, weil es sehr stabile Komplexe bildet. Uran, wie andere Actinoide, formt leicht einen Dioxid-Uranyl-Kern (UO₂). In der Natur bildet dieser Kern in der Wasserphase die Uranylcarbonatokomplexe $UO_{2}(CO_{3})_{x}^{2(x-1)-}$ , sowie mit anderen sauerstoffhaltigen Molekülanionen OH^-, Nitrat- (NO₂^-, NO₃^-), Sulfat- (SO₄^-2) und Phosphatokomplexe. Diese geladenen Komplexe sind sehr mobil.

UO₂(OH)₂⁺¹
UO₂(CO₃)₂^-2
UO₂(CO₃)₃^-4
UO₂(CO₃)(OH)₃^-1

Urantetrafluorid (UF₄), auch bekannt als „green salt“ ist ein Zwischenprodukt der Herstellung von Uranhexafluorid.

Uranhexafluorid (UF₆) ist ein weißer Feststoff, der bei einer Temperatur von 56 °C sublimiert und nur unter Druck schmilzt. UF₆ ist die Uranverbindung, die für die zwei häufigsten Anreicherungsprozesse, Gasdiffusion und Gaszentrifuge verwendet wird. Es wird in der Industrie schlicht als „Hex“ bezeichnet.

Yellowcake ist Urankonzentrat. Der Name ist abgeleitet von der Farbe und Textur, obwohl heutzutage höhere Kalzinationstemperaturen verwendet werden, wodurch der „gelbe Kuchen“ eher dunkelgrün bis schwarz ist. Ursprünglich waren die im Yellowcake enthaltenen chemischen Verbindungen unbekannt, noch in den 70er Jahren bezeichnete das U.S. Bureau of Mines (engl.) das Material als „Endprodukt der Verhüttung“. Man nahm an, dass es sich um Ammoniumdiuranat oder Natriumdiuranat handelt. Die Zusammensetzung variierte und hing vom Verhüttungsprozess ab. Die Verbindungen, die in Yellowcake gefunden wurden, sind unter anderem Uranylhydroxid, Uranylsulfat, Natrium-para-Uranat und Uranylperoxid, zusammen mit einer Reihe von Uranoxiden. Der heutige Yellowcake enthält typischerweise zu 70 bis 90 Gewichtsprozenten Uranoxid (U₃O₈). Andere Uranoxide, wie UO₂ und UO₃ existieren ebenfalls, das stabilste, U₃O₈, wird als 2:3 Mischung der ersten beiden angesehen.

Urandioxid ist ein schwarzes, kristallines Pulver, das im späten 19. Jahrhundert bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts als Keramikglasur verwendet wurde. Heutzutage wird es vor allem als nuklearer Brennstoff eingesetzt, vor allem in Brennstäben.

Ammonium-Diuranat ist ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von Yellowcake, und ist hellgelb in der Farbe. Manchmal wird es ebenfalls als „Yellowcake“ bezeichnet, das entspricht allerdings nicht dem allgemeinen Gebrauch.

Uranylnitrat (UO₂(NO₃)₂) ist ein außerordentlich giftiges, lösliches Uransalz.

Uran-Rhodium-Germanium (URhGe) ist die erste entdeckte Legierung, die in einem sehr starken Magnetfeld zum Supraleiter wird.

Vorkommen

Uran kommt in der Natur nicht als reines Metall vor, sondern in Form von über 200 Uranmineralen. Uraninit (Pechblende) und Coffinit (USiO₄) sind die wichtigsten Lagerstätten bildenden Minerale.

In der Erdkruste ist Uran mit einem Vorkommen von 4 mg/kg relativ häufig vertreten. Im normalen Boden kommt es als Spurenelement vor. Die US-amerikanische Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) schätzt, dass sich in den obersten 33 Zentimetern Erdboden einer Fläche von einer Quadratmeile Land im Mittel ca. 4 Tonnen Uran befinden, also etwa anderthalb Tonnen pro Quadratkilometer.

In Komplexen gebundenes Uran ist auch ein ubiquitäres Element in der Hydrosphäre. Die Urankonzentration von ca. 3,3 µg/l in Meerwasser gegenüber den zum Teil deutlich geringeren Konzentrationen in den Flüssen – 0,03 µg/l im Amazonas bis 3,9 µg/l im Ganges – zeigt, dass Uran ein sehr mobiles Element ist, das im Meer angereichert wird. Deutsche Flüsse weisen in der Regel Uran-Konzentrationen zwischen ca. 1 und 3 µg/l auf. Die Quelle für das Uran liegt in dem geogenen Aufbau der durch die Flüsse entwässerten Gebiete, in uranhaltigen Phosphatdüngern und in besonderen Fällen im Uranbergbau (Zwickauer Mulde: ca. 10 µg/l) bzw. der Nutzung der Kernenergie begründet. Uran findet sich in Deutschland im unbeeinflussten Grundwasser in Konzentrationen von kleiner 1 bis über 100 µg pro Liter. Die regelmäßige Einnahme von Trinkwasser mit erhöhten Urangehalten kann zum Auftreten von Nierenkrebs führen. Aus diesem Grund empfiehlt die Weltgesundheitsbehörde (WHO) für Trinkwasser einen Grenzwert von 15 µg/L.

Die größten Uranerzreserven liegen nach Angaben der IAEA in den USA, Niger, Australien, Kasachstan, Namibia, Südafrika, Kanada, Brasilien, Russland, Ukraine und Usbekistan.

Geschichte

Uran wurde 1789 von dem deutschen, damals in Berlin lebenden Chemie-Professor und Apotheker Martin Heinrich Klaproth (1743 bis 1817) aus dem Mineral Pechblende isoliert. Es ist nach dem Planeten Uranus benannt, der acht Jahre zuvor (1781) von Friedrich Wilhelm Herschel (1738 bis 1822) entdeckt worden war. Am 24. September 1789 gab Klaproth die Entdeckung in einer Ansprache vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften bekannt. Zuerst wurde seine Entdeckung Uranit genannt, 1790 dann in Uranium umbenannt. Klaproth hatte seine Entdeckung beim Analysieren des Erzes aus dem Bergwerk „George Wagsfort“ in Wittigstal bei Johanngeorgenstadt in Sachsen gemacht. Er behandelte das Erz mit Säure und erwärmte es stark. Das Ergebnis bestand in einem schwarzen Pulver, das er Uran nannte.

Klaproth hatte tatsächlich ein neues Element identifiziert, aber was er gewonnen hatte, war nicht das Element Uran selbst, sondern ein Oxid. Erst fünfzig Jahre später im Jahre 1841 gelang es dem Franzosen Eugène Peligot, reines Uranmetall zu gewinnen. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde Uran zusammen mit anderen Mineralien in Joachimsthal sowie in einigen Minen in Cornwall (England) gewonnen.

Abgesehen vom Wert, den es für Chemiker hatte, wurde Uran im ganzen 19. Jahrhundert nur zum Färben von Glas und Keramik verwendet. Uranverbindungen wurden in der Glasherstellung eingesetzt, um Vasen und Dekorationsstücken, aber auch alltäglichen Gebrauchsgegenständen wie Schüsseln, Gläsern etc. eine gelbgrüne Farbe (annagrün) zu geben. Glashersteller aus Joachimsthal (Böhmen) benutzten diese Technik bereits 1826. Die Verwendung von Uran zur Glasfärbung wurde bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts fortgeführt, erst dann wurde es durch andere, weniger bedenkliche farbgebende Mineralien ersetzt. Keramische Glasuren von Orange bis leuchtend Rot wurden für Geschirr bis hin zu architektonischem Beiwerk verwendet. Die gesundheitlichen Risiken durch die Verwendung bzw. das Sammeln von Uranglas und Keramiken mit Uranglasur sind bis heute Streitpunkt von Sammlern und Wissenschaft.

Dass Uran radioaktiv ist, wurde 1896 zuerst von Henri Becquerel festgestellt, der die volle Tragweite seiner Entdeckung jedoch nicht erkannte. Eine seiner Schülerinnen interpretierte seine Ergebnisse jedoch richtig und gab dem neuen Phänomen den Namen Radioaktivität. Die Schülerin hieß Marie Curie. Zusammen mit ihrem Mann Pierre Curie entdeckte sie 1898 zwei weitere neue Elemente, das Radium und das Polonium.

Anwendung

Hauptartikel: Uranwirtschaft

Das Uranisotop ²³⁵U wird in Atomkraftwerken zur Energiegewinnung genutzt, das Isotop ²³⁸U kann in Brutreaktoren eingesetzt werden, um Plutonium herzustellen. Das Isotop ²³⁵U kommt in nur geringer Konzentration (etwa 0,72 %) im natürlichen Uran vor und wird durch Anreicherung konzentriert. Die übrig bleibende Fraktion wird auch abgereichertes Uran genannt.

Uran-235 ist neben Plutonium der wichtigste Spaltstoff für den Bau von Atombomben, Kernsprengsätzen und Zündsätzen für Wasserstoffbomben.

Aufgrund seiner hohen Dichte wird abgereichertes Uran (depleted uranium, DU) in einigen Ländern in Abschirmblechen in der Atomindustrie eingesetzt. Im Flugzeugmodell B-747 Jumbojet des Herstellers Boeing wurde es wegen der hohen Dichte als Gegengewicht im Heck eingesetzt.

Einige Staaten (zum Beispiel USA, Russland) nutzen es auch als Projektilkernmaterial für panzerbrechende Munition (Uranmunition). Im großen Umfang wurde die DU-Munition erstmalig in den beiden Irak-Kriegen 1990 und 2003 und im Kosovo-Krieg 1999 seitens der USA zum Einsatz gebracht. Dementsprechend weisen diese Länder derzeitig viele Fundorte verschossener DU-Munition auf. DU-Munition zerstäubt und verbrennt beim Aufprall teilweise; die entstehenden Stäube und Aerosole sind giftig und radioaktiv und führen durch Aufnahme in die Lunge zu Gesundheitsschäden bei Bevölkerung und Soldaten. Abgereichertes Uran wird in amerikanischen Panzern (z.B. M1 Abrams) als Panzerung eingesetzt. Es handelt sich um eine Sandwichpanzerung mit einer Schicht Uran zwischen zwei Schichten Panzerstahl.

Abbau

10 Staaten fördern 94 % der weltweiten Urangewinnung

Hauptartikel: Uranabbau

In Deutschland wurde Uran in der Sächsischen Schweiz (Königstein) zuerst konventionell und später durch Laugung, in Dresden (Coschütz-Gittersee) und im Erzgebirge (Schlema, Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Pöhla) sowie in Ostthüringen (Ronneburg) meist untertage als Pechblende durch die SDAG Wismut abgebaut. Diese Abbaugebiete wurden nach 1990 geschlossen, da sie unwirtschaftlich waren und auch der Bedarf an Uran zurückging. Letzteres geschah auf Grund der geänderten politischen Weltlage (geringere Bedeutung von strategischen Atomwaffen) und des niedrigen Weltmarkpreises.

Die Weltproduktion von Uran betrug im Jahr 2003 41.429 Tonnen, wovon 25 % in Kanada gewonnen wurde. Weitere große Förderländer sind Australien, Russland, Niger, Namibia, Kasachstan, Usbekistan, Südafrika, und die USA. Aufgrund der intensiven Forschung nach Lagerstätten seit den 1960er Jahren hat sich bis heute ein Überangebot auf dem Weltmarkt entwickelt, der das sechsfache des Weltjahresverbrauchs beträgt. Der Weltmarktpreis für Uran liegt deshalb auf relativ niedrigem Niveau.

Der Uranabbau kann zu schweren Schäden bei Mensch und Umwelt führen, da durch den Uranbergbau Uran und radioaktive Folgeprodukte (z.B. das Gas Radon) freigesetzt und aus dem Untergrund an die Oberfläche geholt werden. Der überwiegende Teil der radioaktiven Folgeprodukte wird auf Halden und in Absetzbecken abgelagert und stellt somit langfristig eine Gefährdung für die Umwelt dar. Während mittel- und hochradioaktive Abfälle aus dem Medizinbereich und der Kernenergietechnik mit großem technischen Aufwand in Endlagern entsorgt werden, verbleiben die Bergbaurückstände oft wenig geschützt an der Erdoberfläche. (Siehe auch [1] [2])

Wirtschaftlich nutzbare Uranreserven

Die wirtschaftlich förderbaren Uranreserven (definiert durch den maximalen Förderpreis pro Kilogramm nach heutigem Stand der Technik) wurden von der Internationalen Atomenergie Organisation (IAEA) und der OECD Nuclear Energy Agency (NEA) im Jahr 2003 im so genannten Red Book ausgewiesen. Demnach sind – je nach Höhe der unterstellten Förderkosten – insgesamt noch zwischen 1,73 und 3,17 Millionen Tonnen Uran hinreichend gesichert als wirtschaftlich abbaubar. Rechnet man vermutete Vorräte hinzu beläuft sich der Vorrat auf 11,28 Millionen Tonnen.

Der derzeitige (2005) Uranbedarf für die weltweit über 440 Kernkraftwerke liegt bei rund 68.000 Tonnen pro Jahr. Allein die Europäische Union hat einen jährlichen Bedarf von etwa 20.000 Tonnen Uran. Nach diesen Zahlen wären die wirtschaftlich förderbaren Reserven in 25 bis 47 Jahren erschöpft. Legt man die Summe der vermuteten Vorräte zu Grunde verlängert sich die Laufzeit auf 166 Jahre. Werden die Kernkraftwerkskapazitäten weiter ausgebaut, so sind die Reserven entsprechend schneller verbraucht. Derzeit wird allerdings fast die Hälfte des Uranverbrauchs nicht durch den laufenden Uranabbau gedeckt, sondern beispielsweise aus der Abrüstung von Kernwaffen oder aus Lagerbeständen.

Den Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit liegt allerdings die Annahme zugrunde, dass fortgeschrittene Methoden zur Kernbrennstoffnutzung nicht in betracht gezogen werden. So sinkt die Relevanz der Förderkosten mit der Effizienz der Nutzung. Darüber hinaus würde, sollten die konventionellen Reserven knapp werden und der Uranpreis dadurch steigen, auch der Abbau sogenannter unkonventioneller Reserven wirtschaftlich, selbst wenn die Kosten für deren Abbau in der Zukunft durch ausgereiftere Technologien nicht weiter sinken sollten.

Über die Wiederaufbereitung bereits "abgebrannter" Brennstäbe wird nicht aufgebrauchtes spaltfähiges Material recycelt – dadurch sinkt der Bedarf an gefördertem Uran bei gleicher Energieabgabe. Bei heutigen Reaktoren wird üblicherweise etwa 60–70 % des spaltbaren Uran 235 in den Brennelementen tatsächlich gespalten. Durch Wiederaufarbeitung ließe sich der Anteil auf bis zu 100 % steigern und so der Verbrauch frischen Urans um ein Drittel senken. Weiterhin wird Plutonium 239 abgetrennt, das wiederum als spaltbares Material in Reaktoren genutzt werden kann.
Wenn das Uranisotop U-238 in Brutreakoren (sogenannten "schnellen Brütern") in Plutonium transmutiert wird, kann damit die Menge des spaltbaren Materials praktisch um den Faktor 100 vergrößert werden, da 99,3 % des in der Natur vorkommenden Urans U-238 ist. In diesem Fall sinkt der Bedarf an Natururan – und selbst die gesicherten Vorräte reichen noch 4.700 Jahre – bzw. 470 Jahre wenn die Menschheit den aus Atomenergie erzeugten Strom verzehnfachen würde.
Wenn neben dem Uran auch Thorium als Brennstoff zum Einsatz kommt, steigt die Größe, die insgesamt aus den gesicherten Vorkommen gezogen werden kann, nocheinmal drastisch an, da Thorium dreimal häufiger als Uran ist.
Wenn unkonventionelle Reserven wirtschaftlich erschlossen werden können weil der Rohstoff Uran effizienter genutzt wird, so kommen ca. 20 Mio. Tonnen Uran in Phosphatlagerstätten und potentielle 4 Mrd. Tonnen Uran, das im Salzwasser der Ozeane gelöst ist, zur Geltung.
- Die Technologie um Phosphatlagerstätten auszubeuten ist technisch ausgereift und führt heutzutage zu Kosten von von ca. 100 $ pro Kilogram [3] gefördertem Uran.
- Um Uran aus Salzwasser zu fördern wird eine Technik benutzt bei der Uranpartikel aus dem Salzwasser gefiltert werden. Dieses in Japan entwickelte Verfahren [4] führt laut dieser Studie [5] zu Kosten die 5–10 mal so hoch waren wie der Uranpreis (5,600 yen pro kg Uran, umgerechnet rund 50 EUR) zum Zeitpunkt der Studie (2001). Die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen und eine Verringerung der Kosten auf das 3-6 Fache des Preises von konventionell gefördertem Uran wird angestrebt.

Die unkonventionellen Reserven alleine ließen rechnerisch eine Laufzeit von ca. 59.000 Jahren zu (bei jährlichen 68.000 Tonnen Förderung).

Während die Atomindustrie davon ausgeht die verbleibenden Reserven mit Hilfe von Brutreaktoren in einem Brennstoffzyklus zukünftig besser nutzen zu können, wird dies von den Atomkraftgegnern als ineffizient und zu risikoreich angesehen.

Literatur

Elena Craft et al.: Depleted and natural Uranium: Chemistry and toxicological effects. in: Journal of Toxicology and Environmental Health Part B: Critical Reviews, ISSN 1093-7404, Volume 7, Number 4, July–August 2004, pp. 297-317
Franz J. Dahlkamp: Uranium Ore Deposits. Springer B., 1993, ISBN 3540532641
Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger, (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer Netherlands 2005, ISBN 1-4020-3555-1
Broder Merkel, Britta Planer-Friedrich, Christian Wolkersdorfer (Hrsg.): Uranium in the Aquatic Environment. Springer, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-43927-7
Peter Diehl: Reichweite der Uran-Vorräte der Welt. Greenpeace Deutschland, Berlin, Januar 2006

Weblinks

Wiktionary: Uran – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Uran – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Uran und Uranmineralien im Mineralienatlas WiKi
Uran im "Periodensystem für den Schulgebrauch", mehrere Abbildungen
http://www.uniterra.de/rutherford/ele092.htm
http://www.nndc.bnl.gov/wallet/zz/z092.html Nuclear Wallet Card - Z(92)
http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/nuclide?nuc=U Table of Nuclides 92-Uranium
http://www.uxc.com/ Aktuelle Informationen zum Uranmarkt
http://www.incomindios.ch/arbeitsgruppen/uran/index.html Informationen zu den Folgen des Uranabbaus