Uranium

Eigenschaften
Rn 5f3 6d1 7s2 92 U Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Uran, U, 92
Serie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	Silberweiß
CAS-Nummer	7440-61-1
Massenanteil an der Erdhülle	3 · 10−4 %
Atomar [1]
Atommasse	238,0289 u
Atomradius (berechnet)	138,5 (α-Uran)[2] () pm
Kovalenter Radius	142 pm
Elektronenkonfiguration	Rn 5f3 6d1 7s2
Elektronen pro Energieniveau
1. Ionisierungsenergie	597,6 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1420 kJ/mol
Physikalisch [1]
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	3
Kristallstruktur	orthorhombisch (Cmcm)
Dichte	19,16 g/cm3[3]
Mohshärte	2,5–3[2]
Schmelzpunkt	1406 K (1133[3] °C)
Siedepunkt	4203 K (3930[3] °C)
Molares Volumen	12,49 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	417,1[3] kJ/mol
Schmelzwärme	15,5[3] kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	~3400 (long.), ~2000 (trans.) m/s bei 293 K
Spezifische Wärmekapazität	0,116[2] J/(kg · K) bei 298 K
Elektrische Leitfähigkeit	3,24[2] A/(V · m) bei 293 K
Wärmeleitfähigkeit	27,6[2] W/(m · K) bei 300 K
Chemisch [1]
Oxidationszustände	+3, +4, +5, +6
Oxide (Basizität)
Normalpotential	−1,660 V (U3+ + 3 e− → U)
Elektronegativität	1,38 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 232U {syn.} 68,9 a α (100 %) 5.414 228Th SF (24Ne 8,9 · 10−10 %) 233U {syn.} 1,592 · 105 a α (100 %) 4,824 229Th SF (< 6 · 10−9 %) 234U 0,0055 % 2,455 · 105 a α (100 %) 4,774 230Th 235U 0,72 % 7,038 · 108 a α (100 %) 4,398 231Th IT (0,7200 %) 235mU 235mU {syn.} 26 min IT (100 %) < 1 235U 236U in Spuren 23,42 · 106 a α (100 %) 4,494 232Th SF (9,6 · 10−8 %) 236mU {syn.} 121 ns SF (0,013 %) < 1 236mU {syn.} 115 ns IT (87 %) 2,750 236U SF (13 %) α (< 10 %) 7,322 232Th 237U {syn.} 6,75 d β− (100 %) 0,519 237Np 238U 99,27 % 4,468 · 109 a α (100 %) 4,198 234Th 239U {syn.} 23,45 min β− (100 %) 239Np
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [4] Sehr giftig (T+) R- und S-Sätze R: 26/28-33-53 S: (1/2)-20/21-45-61
weitere Sicherheitshinweise
Radioaktivität
Radioaktives Element
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 im Periodensystem der Elemente. Es gehört zur Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Uran wurde 1789 von Martin Heinrich Klaproth aus dem Mineral Pechblende isoliert. Es ist nach dem Planeten Uranus benannt. Uran ist ein radioaktives Metall. Seine Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt. In Mineralen enthaltenes und damit natürlich auftretendes Uran besteht zu etwa 99,3 % aus dem Isotop ²³⁸U und zu 0,7 % aus ²³⁵U.

Eine besondere Bedeutung erhielt Uran erst nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahre 1938: Das Uranisotop ²³⁵U ist – wie einige andere Nuklide mit ungerader Neutronenzahl – durch thermische Neutronen relativ gut spaltbar, es ist jedoch 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, damals in Berlin lebenden 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 annagrün 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 Rottonung von Diapositivplatten, Platinbildern, und Bromsilberbildern verwendet.^[5]

Die gesundheitlichen Risiken durch die Verwendung bzw. 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.^[6]

Vorkommen

→ Hauptartikel Uranlagerstätte

Uranerz (Pechblende)

Uran kommt nicht gediegen (das heißt elementar) in der Natur vor, sondern stets in sauerstoffhaltigen Mineralen. Die bedeutendsten Uranminerale sind Uraninit bzw. Pechblende (Uranoxid), Coffinit (Uransilikat), Carnotit (Uranvanadat) und Brannerit (Urantitanat). Es gibt weitere rund 200 Uranminerale (u. a. Phosphate, Arsenate, Karbonate), die lokal ebenfalls von wirtschaftlicher Bedeutung sein können. In sedimentären Lagerstätten können sich auch Pseudomorphosen von Uranmineralen (i. d. R. Pechblende) nach fossilem Holz^[7] 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, das Uran sich in silkatreichen Schmelzen anreichert. Daher enthalten in der Regel felsische Magmatite wie Granit oder Rhyolit die höchsten Konzentrationen dieses Elements und die kontinentale Kruste ist der Bereich der Erde mit den höchsten Urangehalten von durchschnittlich 2,5 ppm, während ozeanische Kruste und Mantel um Größenordnungen geringerer Urangehalte besitzen. 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 bzw. 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. Folgende wichtige Einzeltypen werden von der IAEO unterschieden (mit jeweils einem wichtigem Beispiel bzw. Lagerstättenregion in Klammern):

• Intrusions Typ (Rössing, Namibia)^[8]
• Diskordanzgebundener Typ (MacArthur River, Kanada)^[8]
• Brekzien Typ (Olympic Dam, Australien)^[8]
• vulkanitgebundener Typ (Strelsovska-Caldera, Russland)^[9]
• Ganglagerstätten (Niederschlema-Alberoda, Deutschland)^[10]
• Schwarzschiefergebundene Lagerstätten (Ronneburg, Deutschland)^[10]
• Metamorph (Forstau, Österreich)
• metasomatische Lagerstätten (Mary Kathleen, Australien)^[8]
• Sandsteingebundene_Lagerstätten (Colorado Plateau, USA)^[11]
• konglomeratische Lagerstätten (Elliot Lake, Kanada)^[12]
• Oberflächentyp (Calcrete) (Langer Heinrich, Namibia)^[13]
• Phosphatlagerstätten (Florida, USA)^[11]
• Kohlegebundene Lagerstätten (Freital, Deutschland)^[10]
• Kollapsbrekzien (Paläokarst) (Sanbaqi, China)^[14]

Die höchsten Urangehalte werden in diskordanzgebundenen Lagerstätten mit durchschnittlichen Urangehalten von 0,3 bis 20 % erreicht.^[8] Diese stellen derzeit auch die beiden größten Uranproduzenten. Die größte Einzeluranressource der Erde ist Olympic Dam mit einem nachgewiesenen Uraninhalt von über 2 Millionen Tonnen bei durchschnittlichen Urangehalten von etwa 0,03 %.^[15] Das erste Uranbergwerk der Welt im industriellen Maßstab in Jáchymov (Tschechische Republik) produzierte aus hydrothermalen Gängen.^[16]

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 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 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, den Uranbergbau (Zwickauer Mulde: ca. 10 µg/l) oder kerntechnische Anlagen 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.^[17]

Die größten Uranerzreserven liegen nach Angaben der Internationalen Atomenergieorganisation (IAEO) in den USA, Niger, Australien, Kasachstan, Namibia, Südafrika, Kanada, Brasilien, Russland, Ukraine und Usbekistan.

Wenig bekannt ist, dass Uran in durchaus nennens- und nutzenswerten Konzentrationen in der Asche der Kohleverbrennung von Kohlekraftwerken enthalten ist.

Abbau

Zehn Staaten fördern 94 % des weltweit verwendeten Urans

→ Hauptartikel Uranabbau

In Deutschland wurde Uran in der Sächsischen Schweiz (Königstein) zuerst konventionell und später durch Laugung, in Dresden (Coschütz/Gittersee insbesondere in Gittersee) und im Erzgebirge (Schlema, Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Pöhla) sowie in Ostthüringen (Ronneburg) meist untertage als Pechblende durch die SDAG 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 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 Weltmarktpreises.

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.^[18] 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 50 und 200 Jahren.^[19]

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.

Eigenschaften

Uranmetall

Physikalische Eigenschaften

Uran ist ein sehr dichtes, relativ weiches, silber-weißes Metall, welches in fein verteiltem Zustand selbstentzündlich ist. 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 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 (1133 °C).

Uran-Rhodium-Germanium (URhGe) ist die erste entdeckte Legierung, die in sehr starken Magnetfeldern eine eintrittsinvariante Supraleitung zeigt.^[20]

Chemische Eigenschaften

Uran bildet eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +3 bis +6 vorliegen kann. In wässriger Lösung haben die Uranionen charakteristische Farben, so sind U³⁺-Ionen violett, U⁴⁺ grün, U^VO₂⁺ blasslila und U^VIO₂²⁺ gelb.^[21] 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 vorgeschlagen als eine Methode für die biologische Sanierung von Uran-kontaminiertem Grundwasser und gefährlichen Abfällen.^[22]

Bei der Gattung Desulfovibrio wurde die Fähigkeit Uran als Elektronenakzeptor zu verwenden nachgewiesen: U(VI) wird zu U(IV) reduziert. Desulfovibrio vulgaris verwendet Cytochrom-c3 als Uran-Reduktase.^[23] Wenn U(VI) als einziger für das Bakterium nutzbarer Elektronenakzeptor vorliegt, wurde allerdings kein Wachstum beobachtet.^[24] Ein Bakterium, welches U(VI) als einzigen Elektronenakzeptor nutzen kann und dabei auch Wachstum zeigt, ist z. B. Geobacter metallireducens der Geobacteraceae. Auch Uran U(VI) kann von Geobacter metallireducens als einzigem Elektronenakzeptor eingesetzt werden und wird zu U(IV) reduziert. Dieses Bakterium wächst, wenn U(VI) als einziger Elektronenakzeptor vorhanden ist.^[25]

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(II)-Ionen können unlösliches Uran(IV) zu löslichem Uran(VI) oxidieren.^[26]

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 r-Prozess in 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.

Die Änderung der Häufigkeit der Uranisotope im Laufe der Erdgeschichte äußerte sich darin, dass vor etwa zwei Milliarden Jahren im Oklo-Gebiet von Gabun eine natürliche durch Wasser moderierte Reaktorzone existierte. Bei den heutigen Isotopenverhältnis von ²³⁵U und ²³⁸U ist das Auftreten einer derartigen Reaktorzone nicht mehr möglich.

• ²³⁸U hat eine Halbwertszeit von 4,468 Milliarden Jahren und ist wie die anderen natürlichen Isotope (²³⁴U und ²³⁵U) ein α-Strahler. Die spezifische Aktivität von ²³⁸U beträgt 12.450 Bq/g. ²³⁸U ist der natürliche Beginn der Uran-Radium-Reihe.

• ²³⁵U hat eine Halbwertszeit von 703,8 Mio. Jahre. Es ist der natürliche Beginn der Uran-Actinium-Reihe.

• ²³³U kann z. B. in Thorium-Hochtemperaturreaktoren aus dem schwer spaltbaren Thorium ²³²Th (Spalt-Wirkungsquerschnitt 3 μb, wie beim ²³⁸U) erbrütet und zur Energieproduktion verbraucht werden. ²³³U hat eine Halbwertszeit von 159.200 Jahren und eine kritische Masse von nur ca. 16,5 kg. ²³³U zerfällt über die Neptunium-Reihe.

$\mathrm{^{232}_{\ 90}Th\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow\ ^{233}_{\ 90}Th\ \xrightarrow [22,3 \ min]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 91}Pa\ \xrightarrow [26,97 \ d]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 92}U}$

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

• ²³⁴U hat eine Halbwertszeit von 245.500 Jahren. Es ist wegen seiner relativ kurzen Halbwertszeit im Vergleich zu ²³⁸U nur in Spuren vorhanden, liefert aber einen gleich großen Beitrag zur Radioaktivität wie letzteres. Es entsteht gemäß:

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ \xrightarrow [4,468 \ Mrd. \ a]{\alpha} \ ^{234}_{\ 90}Th\ \xrightarrow [24,10 \ d]{\beta^-} \ ^{234}_{\ 91}Pa\ \xrightarrow [70,2 \ s]{\beta^-} \ ^{234}_{\ 92}U}$

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

• ²³⁶U ist ein α-Strahler mit einer Halbwertszeit von 23,42 Millionen Jahren und kommt in der Natur nur in Spuren vor.^[27] Es entsteht durch Neutroneneinfang aus ²³⁵U. Wenn Uran einem erhöhten Neutronenfluss ausgesetzt ist, wie z. B. in einem Kernreaktor, erhöht sich der Anteil an ²³⁶U deutlich.^[28] Die Anteile der Isotope ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁶U in einer Urankontamination können Aufschluss über deren Ursprung geben.^{[29] 236}U zerfällt über die bis zum natürlichen Plutonium ²⁴⁴Pu verlängerte Thorium-Reihe.

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.

→ Liste der Uranisotope

Spaltbarkeit

Der Wirkungsquerschnitt für induzierte Kernspaltung durch ein thermisches Neutron ist bei ²³⁵U und ²³³U groß, 586 bzw. 530 Barn (b), bei ²³⁸U dagegen mit nur 3 μb sehr klein. Im technisch-praktischen Sinn sind also 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 einen 20 cm dicken Wasserreflektor lässt sich die kritische Masse auf 22kg, 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.^[30].

Die kritische Masse von ²³³U beträgt nur rund 16 kg. Auch hier lässt sich mit einen 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 425g reduzieren. Das Isotop kann in Brutreaktoren aus ²³²Th 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 145kg. 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 ²³⁹Pu, 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.^[31] Das entspricht einem theoretisch nutzbaren Energiegehalt von 78 Terajoule bzw. 2,7 Mio. 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.^[18] (Nicht berücksichtigt ist der Energieaufwand für Bergbau, evtl. Anreicherung, Transport und Endlagerung.)

Verwendung und Verbreitung

Uranpellets

→ Hauptartikel Uranwirtschaft

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. Im Flugzeugmodell Boeing 747 (Jumbo Jet) wurde es wegen seiner hohen Dichte als Gegengewicht im Heck eingesetzt.^[32]

Viele Streitkräfte nutzen es in Form von Uranmunition^[33] 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.^[34] 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^[35].

Der Zusammenhang erhöhter Urangehalte in Mineral- und Trinkwässern mit der Geologie der Grundwaserspeichergesteine wurde jüngst erstmals bundesweit untersucht^[36]. 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

→ Kategorie:Uranverbindung

Oxidationsstufen

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

Uran (IV)

Verbindungen des Uran(IV) sind vor allem in seinem Oxid (UO₂) und den vier Halogeniden (UF₄, UCl₄, UBr₄ und UI₄) bekannt, die alle Feststoffe mit hohen Schmelzpunkten über 500 °C sind.

Uran (VI)

Uranylacetatkristalle

Uranylnitrat

→ Hauptartikel Uranylverbindungen

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, z. B. Phosphat, Sulfat, Carbonat und, natürlich, Wasser bzw. Hydroxid.

Uranylnitrat (UO₂(NO₃)₂) und Uranylacetat (UO₂(CH₃COO)₂) sind lösliche Uransalze. Diese Salze sind kommerziell erhältlich und entsprechen in ihrer Giftigkeit anderen Schwermetallnitraten und -acetaten.

Oxide

→ Übersicht Uranoxide

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).

Pulverförmiger Yellowcake

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. Ursprünglich waren die im Yellowcake enthaltenen chemischen Verbindungen unbekannt. Noch in den 1970er 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 Gewichtsprozent 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.

Halogenide

Uran(IV)-chlorid (UCl₄)

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.^[37]

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 °C sublimiert und nur unter Druck bei 64,1 °C schmilzt. UF₆ ist die Uranverbindung, die für die zwei häufigsten Anreicherungsprozesse, Gasdiffusion und Gaszentrifuge, verwendet wird. Es wird in der Industrie schlicht als „Hexe“ bezeichnet.

Metallorganische Verbindungen

Uranocen U(C₈H₈)₂ ist eines der ersten Organouranverbindungen und die bekannteste Verbindung des Cyclooctatetraen mit den f-Elementen.^[38][39] Weiterhin sind beispielsweise zu nennen auch das an der Luft stabile Derivat U(C₈H₄Ph₄)₂ und das Cycloheptatrienylion [U(C₇H₇)₂]^-.^[40]

Sicherheitshinweise

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 Radon.

Literatur

• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 674–682.
• Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
• Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
• 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.
• Walter D. Loveland, David Morrissey, Glenn T. Seaborg: Modern Nuclear Chemistry, Wiley-Interscience 2006, ISBN 0-471-11532-0.

Einzelnachweise

1. ↑ Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Uranium) entnommen.
2. ↑ ^{a b c d e} Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 674–682.
3. ↑ ^{a b c d e} Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 2149.
4. ↑ Eintrag zu CAS-Nr. 7440-61-1 im European chemical Substances Information System ESIS
5. ↑ Fritz Schmidt: Kompendium der praktischen Photographie, 10. wesentlich verb. Aufl., Leipzig 1906. Urannitrat S. 191, Urantonung S. 268, 291, 339.
6. ↑ D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: "Detection of Plutonium-244 in Nature", in: Nature 1971, 234, 132–134; doi:10.1038/234132a0.
7. ↑ Helmut Tonndorf: Metallogenie des Urans im ostdeutschen Zechstein – Ein Beitrag zum Nachweis und zur Charakteristik stofflicher Umverteilungs- und Anreicherungsprozesse. Abhandlungen der sächsischen Akademie der Wissenschaften zu Leipzig, Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse, Band 58, Heft 3, Akademie Verlag, Berlin 1994, ISBN 3-05-501621-1.
8. ↑ ^{a b c d e} Geology of Uranium deposits.
9. ↑ A. Chabiron, M. Cuney, B. Poty: "Possible uranium sources for the largest uranium district associated with volcanism: the Streltsovska caldera (Transbaikalia, Russia)", in: Mineralium Deposita 2003, 38, 127–140.
10. ↑ ^{a b c} Verschiedene Autoren: Chronik der Wismut, Wismut GmbH, 1999 (CD-ROM).
11. ↑ ^{a b} Warren I. Finch: Uranium Provinces of North America – Their Definitions, Distribution, and Models, U.S. Geological Survey Bulletin 2141, United States Government Printing Office, Washington 1996; PDF.
12. ↑ A. Robinson, E. T. C. Spooner: "Source of the detrital components of uraniferous conglomerats, Quirke ore zone, Elliot Lake, Ontario, Canada", in: Nature 1982, 299, 622–624; doi:10.1038/299622a0.
13. ↑ F. Password: "URANIUM: Namibia", in: Africa Research Bulletin: Economic, Financial and Technical Series 2006 43 (10), S. 17164C–17165C; doi:10.1111/j.1467-6346.2006.00586.x.
14. ↑ M. Min, D. Zheng, B. Shen, G. Wen, X. Wang, S. S. Gandhi: "Genesis of the Sanbaqi deposit: a paaelokarst-hosted uranium deposit in China", in: Mineralium Deposita 1997, 32, 505–519.
15. ↑ K. Ehrig, BHP Billiton. Präsentation auf der South Australia Explorers Conference, Adelaide 2008.
16. ↑ Verschiedene Autoren: Uranbergbau im Erzgebirge und Kalter Krieg. Ausgewählte Beiträge des RADIZ-Workshops vom 10. und 11. Oktober 1997 in Schlema, RADIZ-Information 16/1998, RADIZ e.V., Schlema.
17. ↑ Broder Merkel, Britta Planer-Friedrich, Christian Wolkersdorfer (Hrsg.): Uranium in the Aquatic Environment, Springer-Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-43927-7.
18. ↑ ^{a b} OECD, IAEO: Uranium 2007 – Resources, Production and Demand, OECD Publishing, 2008.
19. ↑ FAZ: Uran ist ein begehrter Rohstoff geworden; Zugriff: 6. Januar 2006.
20. ↑ F. Levy, I. Sheikin, B. Grenier, A. D. Huxley: "Magnetic Field-Induced Superconductivity in the Ferromagnet URhGe", in: Science 2005, 309, 1343–1346; doi:10.1126/science.1115498.
21. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1956.
22. ↑ D. R. Lovley: "Bioremediation of Organic and Metal Contaminants with Dissimilatory Metal Reduction", in: J. Ind. Microbiol. 1995, 14 (2), 85–93; PMID 7766214.
23. ↑ D. R. Lovley, P. K. Widman, J. C. Woodward, E. J. Phillips: "Reduction of Uranium by Cytochrome c3 of Desulfovibrio vulgaris", in: Appl. Environ. Microbiol. 1993, 59 (11), 3572–3576; PMID 8285665; Artikel.
24. ↑ D. R. Lovley, E. J. Phillips: "Reduction of Uranium by Desulfovibrio desulfuricans", in: Appl. Environ. Microbiol. 1992, 58 (3), 850–856; PMID 1575486; Artikel.
25. ↑ D. R. Lovley, E. J. P. Phillips, Y. A. Gorby, E. R. Landa: "Microbial Reduction of Uranium", in: Nature 1991, 350, 413–416; doi:10.1038/350413a0.
26. ↑ O. H. Tuovinen, T. M. Bhatti: "Microbiological Leaching of Uranium Ores", in: Minerals and Metallurgical Processing 1999, 16, 51–60.
27. ↑ P. Steier, R. Golser, W. Kutschera, V. Liechtenstein, A. Priller, A. Valenta, C. Vockenhuber: "Heavy ion AMS with a “small” accelerator", Nuclear Instruments and Methods, in: Physics Research B 2002, 188 (1–4), 283–287; doi:10.1016/S0168-583X(01)01114-4.
28. ↑ M. A. C. Hotchkis, D. Child, D. Fink, G. E. Jacobsen, P. J. Lee, N. Mino, A. M. Smith, C. Tuniz: "Measurement of ²³⁶U in environmental media", Nuclear Instruments and Methods, in: Physics Research B 2000, 172 (1–4), 659–665; doi:10.1016/S0168-583X(00)00146-4.
29. ↑ D. L. Donohue: "Strengthening IAEA safeguards through environmental sampling and analysis", in: Journal of Alloys and Compounds 1998, 271–273, 12–18; doi:10.1016/S0925-8388(98)00015-2.
30. ↑ Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport", S. 16; PDF.
31. ↑ http://www.zw-jena.de/energie/kernenergie.html.
32. ↑ U.S. Nuclear Regulatory Commission, Systematic Radilogical Assessment of Exemption for Source and Byproduct Materials, Abschnitt 3.17, S. 531–533.
33. ↑ Uni Oldenburg: Informationen über Uran-Munition.
34. ↑ Elena Craft et al.: "Depleted and natural Uranium: Chemistry and toxicological effects". in: Journal of Toxicology and Environmental Health Part B: Critical Reviews 2004, 7 (4), 297–317.
35. ↑ „Eine Nase für strahlende Pülverchen“, Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung Nr. 12 vom 22. März 2009, S. 57, Beilage „Wissenschaft“
36. ↑ F. Knolle: Ein Beitrag zu Vorkommen und Herkunft von Uran in deutschen Mineral- und Leitungswässern, TU Braunschweig 2009 PDF
37. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1969.
38. ↑ A. Streitwieser, U. Müller-Westerhoff: "Bis(cyclooctatetraenyl)uranium (Uranocene). A New Class of Sandwich Complexes That Utilize Atomic f Orbitals", in: J. Am. Chem. Soc. 1968, 90 (26), 7364–7364; doi:10.1021/ja01028a044.
39. ↑ Christoph Elschenbroich: Organometallchemie, 6. Auflage, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0167-8, S. 587–591.
40. ↑ D. Seyferth: "Uranocene. The First Member of a New Class of Organometallic Derivatives of the f Elements", in: Organometallics 2004, 23 (15), 3562–3583; doi:10.1021/om0400705.

Weblinks

• Uran im „Periodensystem für den Schulgebrauch“, mehrere Abbildungen
• Los Alamos National Laboratory – Uranium (engl.)
• Uranium: Human Health Fact Sheet (engl.)
• C&EN: It's Elemental: The Periodic Table – Uranium (engl.)
• Nuclear Wallet Card – Z(92) (engl.)
• Prof. Ewald Schnug: Uran: Boden – Pflanze – Nahrungskette, FAL 2005

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