Uran

Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I
Sehr giftig
(T+)
R- und S-Sätze R:
  • Sehr giftig beim Einatmen und Verschlucken.
  • Gefahr kumulativer Wirkungen.
  • Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben.
S:
  • Unter Verschluss und für Kinder unzugänglich aufbewahren. (Text nur erforderlich bei Abgabe an nichtgewerbliche Endverbraucher)
  • Bei der Arbeit nicht essen, trinken oder rauchen.
  • Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, Etikett vorzeigen).
  • Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen.
weitere Sicherheitshinweise
Radioaktivität

Radioaktives Element

Uran (benannt nach dem Planeten Uranus und somit nach dem griechischen Himmelsgott Uranos) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol U und der Ordnungszahl 92. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Uran ist ein Metall, von dem sämtliche Isotope radioaktiv sind. Natürlich in Mineralen auftretendes Uran besteht zu etwa 99,3 % aus dem Isotop 238U und zu 0,7 % aus 235U.

Uran wurde 1789 von Martin Heinrich Klaproth aus dem Mineral Pechblende isoliert. Seine Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt. Eine besondere Bedeutung erhielt Uran erst nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahre 1938: Das Uranisotop 235U ist durch thermische Neutronen spaltbar, es ist die einzige bekannte natürlich vorkommende Substanz, die zu einer Kernspaltungs-Kettenreaktion fähig ist. Deshalb wird es in Kernkraftwerken und Kernwaffen als Primärenergieträger genutzt und hat eine große wirtschaftliche Bedeutung erlangt.

Geschichte

Fundort der Erzstufe von 1789 aus Pechblende bei Johanngeorgenstadt

Uran wurde 1789 von dem deutschen Chemieprofessor und Apotheker Martin Heinrich Klaproth (1743 - 1817) aus dem Mineral Pechblende isoliert. Es ist nach dem Planeten Uranus benannt, der acht Jahre zuvor (1781) von Friedrich Wilhelm Herschel (1738 - 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 "Georg 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 St. Joachimsthal sowie in einigen Minen in Cornwall (England) gewonnen.

Eine gelbgrün gefärbte Tortenplatte mit Fuß aus Uranglas.

Abgesehen vom Wert, den es für Chemiker hatte, wurde Uran im ganzen 19. Jahrhundert 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.

In der Photographie wurde bis weit ins 20. Jahrhundert Uranylnitrat zur Braun- und Rottönung von Diapositivplatten, Platinbildern und Bromsilberbildern verwendet.

Die gesundheitlichen Risiken durch die Verwendung oder das Sammeln von Uranglas und Keramiken mit Uranglasur sind bis heute Streitpunkt von Sammlern und Wissenschaftlern.

Dass Uran radioaktiv ist, wurde 1896 zuerst von Antoine Henri Becquerel festgestellt.

Uran galt lange als das Element mit der höchsten Ordnungszahl, das natürlich vorkommt. Im Jahr 1971 wurden jedoch winzigste Spuren des Plutoniumisotops 244Pu nachgewiesen, so dass Plutonium Uran als letztes bekanntes natürliches Element ablöste.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Uran, U, 92
Serie Actinoide
Gruppe, Periode, Block Gruppe-Ac-Element (Ac), 7, f
Aussehen Silberweiß
CAS-Nummer 7440-61-1
Massenanteil an der Erdhülle 3,2 ppm
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen 3
Kristallstruktur orthorhombisch (Cmcm)
Dichte 19,16 g/cm3
Mohshärte 2,5 - 3
Magnetismus paramagnetischm = 4,1 · 10−4)
Schmelzpunkt 1406 K (1133° C)
Siedepunkt 4203 K (3930 °C)
Molares Volumen 12,49 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 417,1 kJ/mol
Schmelzwärme 15,5 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit ~3400 (Longitudinalwelle),
~2000 (Transversalwelle) m/s bei 293 K
Spezifische Wärmekapazität 116 J/(kg · K) bei 298 K
Elektrische Leitfähigkeit 3,24 A/(V · m) bei 293 K
Wärmeleitfähigkeit 27,6 W/(m · K) bei 300 K
Chemisch
Oxidationszustände +3, +4, +5, +6
Normalpotential −1,660 V (U3+ + 3 e → U)
Elektronegativität 1,38 (Pauling-Skala)

Vorkommen

Uranerz (Pechblende)

Uran kommt nicht gediegen in der Natur vor, sondern stets in sauerstoffhaltigen Mineralen. Bedeutende Uranminerale sind unter anderem Brannerit und Uraninit (Oxide), Torbernit, Heinrichit und Carnotit (Phosphate, Arsenate und Vanadate) sowie Coffinit und Uranophan (Silikate). Es gibt insgesamt rund 230 Uranminerale, die lokal ebenfalls von wirtschaftlicher Bedeutung sein können. In sedimentären Lagerstätten können sich auch Pseudomorphosen von Uranmineralen (meist Uraninit in Form von Pechblende) nach fossilem Holz oder Bakterien bilden.

Die beiden entscheidenden Faktoren für die Verteilung des Urans auf der Erde sind zum einen der lithophile Charakter des Elements sowie seine unterschiedliche Mobilität in wässrigen Lösungen unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen. Der lithophile Charakter sorgt dafür, dass Uran sich in silikatreichen Schmelzen anreichert. Daher enthalten in der Regel felsische Magmatite wie Granit als Plutonit oder Rhyolith als Vulkanit die höchsten Konzentrationen dieses Elements. Die kontinentale Kruste ist der Bereich der Erde mit den höchsten Urangehalten von durchschnittlich 2,5 ppm, während die ozeanische Kruste und der Erdmantel um Größenordnungen geringere Urangehalte aufweisen. In magmatischen Gesteinen wird Uran meist in akzessorischen Minerale wie Zirkon oder Monazit eingebaut, mit welchen man daher sehr gut das Alter der Gesteine datieren kann.

Die unterschiedliche Löslichkeit von Uran unter oxidierenden oder reduzierenden Bedingungen in Lösungen ist der zweite entscheidende Faktor für die Verteilung des Elements und spielt für die Bildung von Uranlagerstätten eine große Rolle. Unter oxidierenden Bedingungen (UO22+) ist Uran in wässrigen Lösungen relativ mobil, während es unter reduzierenden Bedingungen (U4+) schwer löslich ist. Daher sind Redoxgrenzen oftmals lagerstättenkontrollierende Faktoren für das Element.

Ausgehend von oben genannten Faktoren und einigen weiteren gibt es eine große Spannbreite von Uranlagerstätten von magmatischen hydrothermalen bis zu sedimentären Typen.

Im normalen Boden kommt Uran als Spurenelement vor. Die US-amerikanische Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) schätzt, dass sich in den obersten 33 cm Erdboden einer Fläche von einer Quadratmeile Land im Mittel ca. 4 Tonnen Uran befinden, also etwa 1,5 Tonnen pro Quadratkilometer.

In Komplexen gebundenes Uran ist auch ein verbreitetes 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 Element ist, das im Meer angereichert wird. Deutsche Flüsse weisen in der Regel Urankonzentrationen zwischen ca. 1 und 3 µg/l auf. Die Quelle für das Uran liegt in dem geogenen Aufbau der durch die Flüsse entwässerten Gebiete und ist somit natürlichen Ursprungs. Lediglich in Ausnahmefällen sind die Urangehalte in Flüssen auf menschlichen Einfluss bspw. die Nutzung uranhaltiger Phosphatdünger und den Uranbergbau (Zwickauer Mulde: ca. 10 µg/l) zurückzuführen. Uran findet sich in Deutschland im unbeeinflussten Grundwasser in Konzentrationen von kleiner 1 bis über 100 µg/l. 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 Internationalen Atomenergieorganisation (IAEO) in den USA, Niger, Australien, Kasachstan, Namibia, Südafrika, Kanada, Brasilien, Russland, Ukraine und Usbekistan.

Uran ist in Spuren auch in Stein- und Braunkohle enthalten. Die weltweit jährlich für die Stromerzeugung verwendete Kohle enthält unter anderem etwa 10.000 t Uran und 25.000 t Thorium, die entweder in die Umwelt gelangen oder sich in Kraftwerksasche und Filterstäuben anreichern. Vereinzelt gibt es daher schon Bestrebungen, Uran aus Kraftwerksasche zu gewinnen.

Abbau

Die zehn Staaten mit der weltweit größten Uranförderung (2008)

In Deutschland wurde Uran in der Sächsischen Schweiz, in Dresden und im Erzgebirge sowie in Ostthüringen meist untertage als Sowjetisch-Deutsche Aktiengesellschaft Wismut abgebaut. Geringe Mengen wurden auch im Schwarzwald und im Fichtelgebirge gefördert.
Die DDR war damals weltweit der drittgrößte Uranproduzent. Die meisten Abbaugebiete wurden nach 1990 geschlossen, da sie politisch nicht gewollt waren. Das der Bedarf an Uran zurückging war ein erfreulicher Nebeneffekt.

Wismut Standorte

Die Weltproduktion von Uran betrug im Jahr 2006 39.603 Tonnen. Große Förderländer sind Australien, Kanada, Russland, Niger, Namibia, Kasachstan, Usbekistan, Südafrika, und die USA. Der Verbrauch lag 2006 weltweit bei 66.500 Tonnen und wird von der Internationalen Atomenergieorganisation (IAEO) durch den Neubau von Kernkraftwerken für das Jahr 2030 auf 93.775 bis 121.955 Tonnen geschätzt. Der Abbau deckt etwa 60 % des aktuellen Bedarfs, der Rest wird durch Lagerbestände, Wiederaufarbeitung und abgerüstete Kernwaffen gedeckt. Schätzungen der IAEO, Greenpeace und der Atomwirtschaft über die Reichweite der Uran-Vorkommen liegen unterschiedliche Angaben über die weltweiten Ressourcen und den zukünftigen Verbrauch zugrunde. Sie liegen zwischen 20 und 200 Jahren.

Der Uranabbau kann zu Schäden bei Mensch und Umwelt führen, da durch den Uranbergbau Uran und radioaktive Folgeprodukte (z. B. das radioaktive Edelgas Radon) freigesetzt und aus dem Untergrund an die Oberfläche geholt werden. Um weltweit akzeptierte Umweltstandards zu dokumentieren, lassen große Minengesellschaften ihre Abbau-Methoden nach ISO-Normen zertifizieren.

Darstellung

Verarbeitung von Uranerz

Uranerze, z. B. Uraninit (Pechblende, U3O8) oder Carnotit (KUO2VO4 · 1,5 H2O), können sauer mit Schwefelsäure oder alkalisch mit Soda aufgeschlossen werden. Was verwendet wird, richtet sich nach dem Begleitgestein: Ist es recht carbonathaltig, wird man nicht den sauren Aufschluss wählen, da ansonsten große Mengen H2SO4 benötigt würden. Die jeweiligen Lösungen werden anschließend über Anionenaustauscherharze geschickt.

Die nach dem sauren Aufschluss entstandenen Lösungen werden mit Ammoniak behandelt, worauf der Yellow Cake ausfällt. Dieser enthält hauptsächlich Ammoniumdiuranat ((NH4)2U2O7) und noch weitere Polyuranate, Uranylhydroxide und -sulfate, aber kein U3O8. Die Lösung des alkalischen Aufschlusses wird mit Natronlauge versetzt, so dass Natriumdiuranat (Na2U2O7) ausfällt. Um das Natrium zu entfernen, wird es dann in H2SO4 gelöst und anschließend mit wässrigem Ammoniumhydroxid NH3 als (NH4)2U2O7 ausgefällt.

Uran(VI)-oxid wird mit Wasserstoff zu Urandioxid (UO2) reduziert. Bringt man Urandioxid mit wasserfreiem Fluorwasserstoff zur Reaktion, so entsteht Urantetrafluorid, aus welchem schließlich durch Reduktion mittels Calcium oder Magnesium reines Uran gewonnen wird.

Uran kann generell durch die Reduktion von Uranhalogeniden mit Alkali- oder Erdalkalimetallen hergestellt werden. Ebenso kann auch eine Elektrolyse von KUF5 oder UF4 in geschmolzenem Calciumchlorid (CaCl2) / Natriumchlorid (NaCl) erfolgen. Sehr reines Uran kann durch die thermische Zersetzung von Uranhalogeniden an einem Glühdraht erzeugt werden. Aus Urandioxid ist es u. a. durch Reduktion mit Calcium erhältlich.

Eigenschaften

Uranmetall

Physikalische Eigenschaften

Uran ist ein relativ weiches, silber-weißes Metall hoher Dichte, welches in drei Modifikationen vorkommt: 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 von 1133 °C.

Uran-Rhodium-Germanium (URhGe) ist die erste entdeckte Legierung, die in sehr starken Magnetfeldern eine eintrittsinvariante Supraleitung zeigt.

Chemische Eigenschaften

Uran ist in fein verteiltem Zustand selbstentzündlich. Die meisten Säuren lösen metallisches Uran auf, während es von Basen nicht angegriffen wird. An der Luft überzieht sich das Metall mit einer Oxidschicht.

Uran bildet eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +3 bis +6 vorliegen kann. Je nach Oxidationszahl variiert die Farbe von Uran in wässriger Lösung ebenso wie in festen Verbindungen: U3+ (violett), U4+ (grün), UVO2+ (blasslila) und UVIO22+ (gelb). Uran tritt in der Natur überwiegend mit den Wertigkeiten +4 oder +6 auf. Vierwertige Uranminerale sind in Wasser unter normalen pH/EH-Bedingungen nahezu unlöslich. Uranverbindungen sind giftig. Die Toxizität wird v.a. durch deren Löslichkeit bestimmt. Die leichtlöslichen Uranyl-Salze sind am giftigsten, die schwerlöslichen Oxide sind weniger giftig. Uran ist teratogen.

Biologische Aspekte

Die Reduzierung von löslichem Uran (VI) zu unlöslichem Uran (IV) durch Prokaryonten wurde als eine Methode für die biologische Sanierung von Uran-kontaminiertem Grundwasser und gefährlichen Abfällen vorgeschlagen.

Ein Bakterium, welches U(VI) als einzigen Elektronenakzeptor nutzen kann und dabei auch Wachstum zeigt, ist Geobacter metallireducens.

Unlösliches Uran kann durch bakterielle Aktivität mobilisiert werden. Unter aeroben Bedingungen können die Eisen-Schwefel-Bakterien Thiobacillus ferrooxidans und Leptospirillum ferrooxidans Pyrit (FeS2) zu Eisen(II)-sulfat (FeSO4) und dann zu Eisen(III)-sulfat (Fe2(SO4)3) oxidieren. Eisen(III)-Ionen können unlösliches Uran(IV) zu löslichem Uran(VI) oxidieren.

Isotope

Derzeit sind von Uran 25 Isotope und 3 Kernisomere mit Halbwertszeiten zwischen 1 µs und 4,468 Milliarden Jahren bekannt. Von diesen kommen nur die vier langlebigsten Isotope in der Natur vor. Davon stammen 238U und 235U noch aus der Entstehungszeit des Sonnensystems, sie wurden im Prozess von Supernovae gebildet. 234U entsteht über mehrere Zwischenstufen beim Zerfall aus 238U, 236U durch seltene Neutroneneinfänge aus 235U. Das künstlich erzeugbare fünftlanglebigste Isotop 233U spielt in der Technik ebenfalls eine Rolle. Alle anderen Isotope haben Halbwertszeiten von maximal 68,9 Jahren.

In natürlichem Uran finden sich deshalb die Isotope 238U zu 99,27 %, 235U zu 0,72 %, 234U zu 0,0055 % und 236U in Spuren. Das Isotopenverhältnis der Uranisotope ändert sich im Laufe der Zeit, da 238U und 235U unterschiedlich schnell zerfallen. Die Häufigkeit des dritten natürlichen Isotops 234U bleibt im Verhältnis zur Häufigkeit des 238U konstant, da 234U ein Zerfallsprodukt des 238U ist und mit diesem im Gleichgewicht steht.

Dass das Verhältnis der Uranisotope zeitlich nicht konstant ist, lässt sich anhand des Naturreaktors Oklo in Gabun belegen. Bei dem heutigen Isotopenverhältnis von 235U und 238U ist das Auftreten einer derartigen Reaktorzone nicht mehr möglich.

\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ \xrightarrow [4,468 \ Mrd. \ a]{\alpha} \ ^{234}_{\ 90}Th\ \xrightarrow [24,10 \ d]{\beta^-} \ ^{234}_{\ 91}Pa\ \xrightarrow [70,2 \ s]{\beta^-} \ ^{234}_{\ 92}U}
\mathrm{^{232}_{\ 90}Th\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow\ ^{233}_{\ 90}Th\ \xrightarrow [22,3 \ min]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 91}Pa\ \xrightarrow [26,97 \ d]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 92}U}
Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

In den Zerfallsreihen zerfallen die Uranisotope ständig in eine Reihe lang- oder kurzlebiger Tochternuklide, von denen einige, aufgrund ihrer Gasförmigkeit, sehr mobil sind, wie z. B. das Edelgas Radon.

Spaltbarkeit

Versuchsaufbau von Otto Hahn

Im technisch-praktischen Sinn sind nur die Isotope 233 und 235 gut spaltbar und damit mögliche Brennstoffe für Kernreaktoren.

Als angereichert wird Uran bezeichnet, dessen Anteil an 235U gegenüber dem 238U durch Uran-Anreicherung erhöht wurde. Schwach angereichertes Uran (etwa 2 - 4 % 235U, im Fachjargon "LEU", lightly enriched uranium) wird in Kernkraftwerken, hochangereichertes Uran (typisch > 80 % 235U, "HEU" highly enriched uranium) zur Herstellung von Kernwaffen und zur Produktion freier Neutronen für Neutronenstreuexperimente verwendet. Die Grenze zwischen LEU und HEU wird gewöhnlich bei einem Anreicherungsgrad von 20 % festgesetzt — unterhalb dieser Schranke gilt Uran als nicht mehr waffenfähig. Daneben wird gelegentlich der Begriff "MEU" medium enriched uranium für Anreicherungsgrade zwischen 20 % und 50 % verwendet. Uran dieser Anreicherung wird hauptsächlich in Forschungsreaktoren verwendet. MEU wird meist durch Mischung von HEU mit abgereichertem Uran, sog. "Blender-Material", hergestellt.

Die kritische Masse von 235U beträgt etwa 49 kg, hier ist jedoch der Wirkungsquerschnitt der schnellen Spaltung ausschlaggebend. Mit einem 20 cm dicken Wasserreflektor lässt sich die kritische Masse auf 22 kg, mit einem 30 cm-Stahlreflektor auf 16,8 kg absenken. In wässriger Lösung lässt sich die kritische Masse bei einer optimalen Dichte von 0,059 g/cm3 mit Reflektor auf unter 600 g reduzieren.

Die kritische Masse von 233U beträgt nur rund 16 kg. Auch hier lässt sich mit einem Reflektor die kritische Masse absenken: etwa 7,4 kg mit 20 cm Wasser und 6,2 kg mit 30 cm Stahl. In wässriger Lösung lässt sich die kritische Masse auf 425 g reduzieren. Das Isotop kann in Brutreaktoren aus 232 Thorium (Th) durch Neutroneneinfang und zwei anschließende Betazerfälle gewonnen werden.

Das Isotop mit der geringsten kritischen Masse (3,6 kg) ist 232U. Es ist wie alle geradzahligen Uranisotope beinahe ausschließlich durch schnelle Neutronen spaltbar. Mit Stahlreflektor kann die kritische Masse auf 1,9 kg reduziert werden. Das Isotop ist jedoch aufwändig zu gewinnen da es sich nicht durch Brutreaktionen in einem Kernreaktor gewinnen lässt. Das vierte Uran-Isotop, das in der Lage ist, eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, ist 234U. Seine kritische Masse beträgt 145 kg. Es ist Teil des natürlichen Urans (Zerfallsprodukt von 238U). Alternativ kann es durch Brüten aus 233U (bzw. 232Th) gewonnen werden. Wegen der hohen kritischen Masse und der im Vergleich zu anderen spaltbaren Isotopen umständlichen Gewinnung spielt es in der Kerntechnik jedoch keine größere Rolle. Es wird allerdings bei den meisten Anreicherungsmethoden relativ gesehen noch stärker angereichert als 235U, was wegen der geringen Ausgangskonzentration aber meist nicht ins Gewicht fällt.

Die Isotope 236U und 238U können selbst keine Kettenreaktion tragen. 238U wird jedoch in Verbindung mit anderen, spaltbaren Isotopen in einem schnellen Brüter als Brutstoff eingesetzt. Durch Neutroneneinfang und anschließende Betazerfälle entsteht dann 239Plutonium (Pu), das wiederum gut spaltbar ist und mit dessen Spaltneutronen aus dem Brutstoff neuer Brennstoff nachproduziert werden kann.

Bei der Spaltung eines 235U-Atoms wird 210 MeV Energie freigesetzt, von der 190 MeV in einem Reaktor thermisch verwertbar sind. Das entspricht einem theoretisch nutzbaren Energiegehalt von 78 Terajoule bzw. 2,7 Mio. Steinkohleeinheiten (SKE) oder 21.500 MWh pro kg 235U. Die aus 1 kg Natur-Uran tatsächlich erzeugte Strom-Menge hängt vom eingesetzten Reaktortyp und dem Brennstoffkreislauf ab und liegt etwa bei 36 - 56 MWh für den Fall der direkten Endlagerung der abgebrannten Brennelemente, also ohne Wiederaufarbeitung und ohne Brüten. (Nicht berücksichtigt ist der Energieaufwand für Bergbau, evtl. Anreicherung, Transport und Endlagerung.)

Verwendung und Verbreitung

Atombombe Little Boy (USA 1945)

Das Uranisotop 235U wird in Kernkraftwerken 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 zurückbleibende Fraktion wird auch abgereichertes Uran genannt (Abreicherung).

235U ist neben Plutonium das wichtigste Ausgangsmaterial für den Bau von Kernwaffen und Zündsätzen für Wasserstoffbomben.

Aufgrund seines hohen Absorptionsquerschnittes für ionisierende Strahlung wird abgereichertes Uran (depleted uranium, DU) in einigen Ländern in Abschirmblechen in der Atomindustrie eingesetzt. Boeing setzte in seinem Flugzeugtyp Boeing 747 (Jumbo Jet) abgereichertes Uran als Gegengewicht im Heck ein, da es eine besonders hohe Dichte hat. Dies führte zu zahlreichen Diskussionen, weshalb diese ab ca. 1981 durch Wolfram ersetzt wurden.

Viele Streitkräfte nutzen es in Form von Uranmunition als Projektilkernmaterial für panzerbrechende Munition. Die DU-Munition wird beim Eintritt in den Panzerinnenraum zerstäubt und verbrennt dabei explosionsartig. Die entstehenden Stäube und Aerosole sind giftig und führen zu Gesundheitsschäden bei kontaminierten Personen. In jüngster Zeit wurden mehrere hundert Tonnen Uranmunition in indisch-pakistanischen Grenzkonflikten, in Tschetschenien, während der sowjetischen Invasion Afghanistans, im Kosovo-Krieg, im Zweiten Golfkrieg und im Irak-Krieg von den beteiligten Parteien eingesetzt. Abgereichertes Uran wird in Panzern (z. B. M1 Abrams) als Panzerung eingesetzt. Es handelt sich um eine Sandwichpanzerung mit einer Schicht Uran zwischen zwei Schichten Panzerstahl. Eine Folge der militärischen Verwendung ist die legale, wie illegale Verbreitung uran- und auch plutoniumhaltigen Materials. Die Nuklearforensik, als neue wissenschaftliche Disziplin, hat unter anderem die Aufgabe, bei in Metallschrotten entdecktem strahlendem Material zu orten, wo und von wem es hergestellt wurde.

Der Zusammenhang erhöhter Urangehalte in Mineral- und Trinkwässern mit der Geologie der Grundwasserspeichergesteine wurde jüngst erstmals bundesweit untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass erhöhte Urangehalte vorwiegend an Formationen wie Buntsandstein oder Keuper gebunden sind, die selbst geogen erhöhte Urangehalte aufweisen. Allerdings sind örtlich auch bereits Urangehalte aus landwirtschaftlicher Phosphatdüngung in das Grundwasser durchgeschlagen, denn Rohphosphate enthalten 10 - 200 mg/kg Uran, was bei einer ordnungsgemäßen Düngung zu einem Eintrag von ca. 5 g/ha/a Uran führen kann.

Verbindungen

Uran in den Oxidationsstufen +3 bis +6 in wässriger Lösung.

Uran bildet eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +3 bis +6 vorliegen kann. Es tritt in der Natur überwiegend mit den Wertigkeiten +4 oder +6 auf.

Von den Verbindungen des Uran(IV) sind vor allem das Oxid (UO2) und die vier Halogenide (UF4, UCl4, UBr4 und UI4) bekannt. Es handelt sich um Feststoffe mit hohen Schmelzpunkten über 500 °C.

Das sechswertige Uran kommt in der Natur ausschließlich in Form der UO22+-Gruppe (Uranyl-Gruppe) vor, d. h. es gibt kein U6+. Diese Gruppe bindet sich bevorzugt an sauerstoffhaltige Bindungspartner: als Phosphat, Sulfat, Carbonat und mit Wasser als Hydroxid. Uranylacetat und Uranylnitrat sind lösliche Uransalze. Diese Salze sind kommerziell erhältlich und entsprechen in ihrer Giftigkeit anderen Schwermetallnitraten und -acetaten.

Urandioxid (UO2) 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 in Brennstäben eingesetzt. Bekannt sind auch Urantrioxid (UO3), Triuranoctoxid (U3O8) und Uranylperoxid (UO2O2).

Pulverfürmiger Yellowcake

Yellowcake ist Uranoxidkonzentrat. Der Name ist abgeleitet von der früheren Farbe und Textur. Heutzutage werden höhere Kalzinationstemperaturen verwendet, wodurch der "gelbe Kuchen" eher dunkelgrün bis schwarz ist. Die Zusammensetzung variiert und hängt 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 Prozent (Massenanteil) das Uranoxid (U3O8).

Das hellgelbe Ammoniumdiuranat ist ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von Yellowcake. Manchmal wird es ebenfalls als "Yellowcake" bezeichnet, das entspricht allerdings nicht dem allgemeinen Gebrauch.

Für Uran sind Halogenide in den Oxidationsstufen +3 bis +6 bekannt. Für die Stufen +3 bis +5 sind sämtliche Verbindungen der vier Halogene Fluor, Chlor, Brom und Iod bekannt, für die Oxidationsstufe +6 sind es UF6 und UCl6.

Oxidationszahl F Cl Br I
+6 Uran(VI)-fluorid
UF6
farblos
Uran(VI)-chlorid
UCl6
grün
+5 Uran(V)-fluorid
UF5
farblos
Uran(V)-chlorid
UCl5
braun
Uran(V)-bromid
UBr5
schwarz
(Uran(V)-iodid)
(UI5)
+4 Uran(IV)-fluorid
UF4
grün
Uran(IV)-chlorid
UCl4
grün
Uran(IV)-bromid
UBr4
braun
Uran(IV)-iodid
UI4
schwarz
+3 Uran(III)-fluorid
UF3
purpur
Uran(III)-chlorid
UCl3
rot
Uran(III)-bromid
UBr3
rot
Uran(III)-iodid
UI3
schwarz

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 56,5 °C sublimiert und nur unter Druck von mind. 1,5 bar und 64,1 °C eine flüssige Phase bildet. UF6 ist die Uranverbindung, die für die zwei häufigsten Anreicherungsprozesse, Gasdiffusion und Gaszentrifuge, verwendet wird. Es wird in der Industrie schlicht als "Hexe" bezeichnet.

Uranocen U(C8H8)2 ist eines der ersten Organouranverbindungen und die bekannteste Verbindung des Cyclooctatetraen mit den f-Elementen. Weiterhin sind beispielsweise zu nennen auch das an der Luft stabile Derivat U(C8H4Ph4)2 und das Cycloheptatrienylion [U(C7H7)2].

Analytik

Uran tritt in Lösung meist als UO22+-Kation auf. Im anorganischen Trennungsgang wird UO22+ in der Ammoniumsulfid-Urotropin-Gruppe nachgewiesen. Nach zahlreichen Trennungs- und Fällungsschritten wird es als UO2(SCN)2· 3 Ether in eine Etherphase extrahiert.

Der Nachweis erfolgt durch Zugabe von gelbem Blutlaugensalz (K4[Fe(CN)6]), wobei sich bei relativ hohen Konzentrationen ein Mischkomplex bildet (K2(UO2[Fe(CN)6]). Dieser fällt als rotbrauner Niederschlag aus.

Die klassische (nasschemische) qualitative und quantitative Analytik ist nur in sehr wenigen Fällen anwendbar, da Uran meist nur in Spurenkonzentrationen vorliegt.

Uran kann im Bereich von 50 - 2000 ppm mit Hilfe der Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) und der Graphitrohr-AAS bestimmt werden. So konnte mit der Flammen-AAS unter Verwendung einer Lachgas-Acetylen-Fackel eine Nachweisgrenze von lediglich 50 mg/l erzielt werden. Die charakteristische Resonanzlinie liegt bei 358,5 nm.

Bei der Optische Emissionsspektrometrie (OES) findet sich die gleiche Problematik wie bei der AAS. Mangels Empfindlichkeit des Verfahrens wird sie nur selten und für die Spurenanalytik gar nicht angewendet. Dennoch kann Uran mittels induktiv-gekoppelter Plasma-OES mit einer Nachweisgrenze von immerhin 100 - 316 µg/l bestimmt werden. Dabei wurde die intensivste Emissionslinie bei 385,95 nm gemessen.

In der Natur kommen drei Uranisotope mit unterschiedlicher Häufigkeit vor. In der Massenspektrometrie (MS) wird meist das Isotop 238U (99,274 %) gemessen. Dieses Isotop konnte in menschlichen Haarproben mittels ICP-MS mit einer Nachweisgrenze von 0,2 ng/g bestimmt werden.

In der Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) wird bei der Bestimmung von Uran die Aktivierungsreaktion 238U(n,γ)239U genutzt. 239U besitzt eine Halbwertszeit von 23,5 min. Zur quantitativen Auswertung wird der Photopeak mit einer Gammastrahlungsenergie von 74 keV herangezogen. Mit dieser hochempfindlichen Methode wurde eine Nachweisgrenze von 4 pg/ml Uran in Meerwasser erzielt.

Uran in Form von Uranylionen (UO22+) kann mit Hilfe der zeitaufgelösten, laserinduzierten Fluoreszenzspektrometrie (TR-LIF) quantitativ bestimmt werden. Diese Methode findet häufig Anwendung in der Kernenergiegewinnung, zur Sicherheitsüberwachung und zum Nachweis von Uran in Grund- und Oberflächengewässern in der Nähe von Aufbereitungsanlagen und Kernreaktoren. Sie bietet auch die Möglichkeit der on-line Überwachung. Nachweisgrenzen von 40 ng/l wurden mit dieser Technik erzielt.

Für die Uranbestimmung in Ab-, Grund- und Trinkwässern wird zunehmend die Adsorptive kathodische Stripping-Voltammetrie (AdCSV) verwendet. Das UO22+-Ion wird dabei in saurem Milieu mit Chloranilsäure komplexiert und elektrochemisch bei 150 mV an einer hängenden Quecksilbertropfelektrode (HMDE) adsorptiv angereichert. Anschließend wird ein Voltammogramm von 50 mV bis −200 mV aufgenommen. Der Reduktionspeak liegt etwa bei −90 mV. Mit diesem Verfahren wurde eine Nachweisgrenze von 24 ng/l erzielt. Aufgrund der sehr guten Selektivität und vergleichsweise niedriger Kosten wurde das Verfahren zum Standardverfahren (DIN 38406-17) erklärt.

Sicherheitshinweise

Im Gammaspektrum von Uranerz sind die verschieden langlebigen Nuklide 226Ra, 214Pb, 214Bi aus der Uran-Radium-Reihe zu erkennen, die beim radioaktiven Zerfall von Uran entstehen.

Hauptgrund der Gefährlichkeit von Uran ist seine Radioaktivität; diese erzeugt Ionisierende Strahlung, welche als Auslöser von Erbgutveränderungen - wie Mutationen - und nachfolgenden Krebserkrankungen gilt. Die vier langlebigsten Uranisotope sind zwar α - Strahler, aber es ist bei Umgang und Lagerung von Uran und seinen Verbindungen zu beachten, dass stets auch einige Mitglieder der Zerfallsreihen anwesend sind, die relativ durchdringungsfähige Beta- und Gammastrahlen emittieren oder flüchtig sind, wie etwa Radon.

Auch die rein chemische Toxizität von Uran ist hoch; gefährlich sind hier vor allem wasserlösliche Uranverbindungen, welche analog zu Blei, Cadmium und Quecksilber vorwiegend die Tubuli der Nieren schädigen. Die Weltgesundheitsorganisation WHO empfahl 2003 - angesichts der Verwendung von abgereichertem Uran in Uranmunition - einen Grenzwert für die tägliche Aufnahme von löslichen Uranverbindungen von 0,5 μg/kg Körpergewicht, von 5 μg/kg für unlösliche Verbindungen und von maximal 1 μg/m3 in der Umgebungsluft bei Aufnahme über den Atemtrakt. Bei oraler Aufnahme von Uran und -verbindungen werden dabei zwischen 0,2 und 2 %, beim Einatmen etwa 5 % resorbiert, der Rest über den Harn ausgeschieden.



Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de

Atomwaffensperrvertrag im Bestand der IEAO (engl.)
Deutsche Übersetzung des Atomwaffensperrvertrags vom Bundesministerium der Äußeren
Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren (Atomgesetz).

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 05.04. 2017