Zurück zur Elementliste
 |
Uran(VI)-Oxide oder „gelber Kuchen“ ist ein Zwischenschritt bei der Verarbeitung von Uranerzen. |
Uran
| Atomzahl: | 92 | Atomradius: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atomsymbol: | U | Schmelzpunkt: | 1133 °C |
| Atommasse: | 238 | Siedepunkt: | 4131 °C |
| Elektronenkonfiguration: | 7s25f36d1 | Oxidationszustände: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Geschichte
Die Verwendung von Uran in seiner natürlichen Oxidform geht auf das Jahr 79 n. Chr. zurück, als es als gelber Farbstoff in Keramikglasuren verwendet wurde. Gelbes Glas mit 1 % Uranoxid wurde in einer antiken römischen Villa in der Nähe von Neapel, Italien, gefunden. Im späten Mittelalter wurde Pechblende aus den Silberminen gewonnen und in der Glasindustrie als Farbstoff verwendet. Die Identifizierung von Uran als Element wird im Allgemeinen Martin H. Klaproth zugeschrieben. Bei seinen Experimenten mit Pechblende im Jahr 1789 kam er zu dem Schluss, dass diese ein neues Element enthielt, das er nach dem neu entdeckten Planeten Uranus (benannt nach dem griechischen Gott des Himmels) benannte. Klaproth entdeckte jedoch nicht das reine Element, sondern Uranoxid. Das reine Metall wurde erstmals 1841 von Eugène-Melchior Péligot isoliert, der wasserfreies Uran-Tetrachlorid mit Kaliummetall reduzierte.
1896 entdeckte Antoine H. Becquerel, dass Uran unsichtbares Licht oder Strahlen aussendet; es handelte sich um Radioaktivität. 1934 führten die Forschungen von Enrico Fermi und anderen schließlich zur Nutzung der Uranspaltung in der ersten Kernwaffe, die im Krieg eingesetzt wurde, und später zur friedlichen Nutzung von Uran als Brennstoff für die Kernenergieerzeugung. Das darauf folgende Wettrüsten während des Kalten Krieges zwischen den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion brachte Zehntausende von Kernwaffen hervor, die Uranmetall und aus Uran gewonnenes Plutonium-239 verwendeten. Die Sicherheit dieser Waffen und ihres spaltbaren Materials ist nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion im Jahr 1991 ein ständiges Anliegen.
1972 entdeckte der französische Physiker Francis Perrin in der Oklo-Mine in Gabun, Westafrika, in Uranerzlagerstätten alte und nicht mehr aktive prähistorische natürliche Kernspaltungsreaktoren, die unter dem Namen Oklo Fossil Reactors bekannt sind. Die Erzlagerstätte ist 1,7 Milliarden Jahre alt; zu dieser Zeit machte Uran-235 etwa 3 % des gesamten Urans auf der Erde aus (heute 0,72 %). Dies ist hoch genug, um eine anhaltende Kernspaltungs-Kettenreaktion zu ermöglichen, sofern andere unterstützende geologische Bedingungen vorhanden sind.
Isotope
Uran ist schwach radioaktiv, da alle natürlich vorkommenden (oder ursprünglichen) Isotope des Urans (238U, 235U und 234U) instabil sind und ihre Halbwertszeiten zwischen 159.200 Jahren und 4,5 Milliarden Jahren schwanken. Es gibt 27 bekannte Uranisotope mit den Atomgewichten 217-219, 222-240 und 242, deren Halbwertszeiten zwischen Milliarden von Jahren und wenigen Nanosekunden liegen. Natürlich vorkommendes Uran besteht aus drei Hauptisotopen: 238U (99,28 % Häufigkeit), 235U (0,71 %) und 234U (0,0054 %). (Das US-DOE hat den Wert von 0,711 als offiziellen Prozentsatz von 235U in natürlichem Uran angenommen). Alle drei Isotope sind radioaktiv und haben eine geringe Wahrscheinlichkeit, spontan zu spalten, zerfallen aber vorzugsweise durch Alpha-Emission. Die Halbwertszeit von Uran-238 beträgt etwa 4,47 Milliarden Jahre und die von Uran-235 704 Millionen Jahre, was sie für die Datierung des Erdalters nützlich macht. Dies deutet auch darauf hin, dass die Hälfte des Urans, das bei der Entstehung der Erde vorhanden war, in andere radioaktive Elemente und schließlich in stabile Elemente zerfallen ist. Man geht davon aus, dass ein Großteil der inneren Wärme der Erde auf den Zerfall von Uran- und Thorium-Radioisotopen zurückzuführen ist.
Uran-238 ist ein α-Teilchen-Emitter (gelegentlich kommt es zu einer spontanen Spaltung), der durch die „Uran-Reihe“ des nuklearen Zerfalls zerfällt, die aus 18 Mitgliedern besteht, die schließlich alle über eine Vielzahl verschiedener Zerfallswege in Blei-206 zerfallen. Die Zerfallsreihe von 235U, die so genannte Actinium-Reihe, besteht aus 15 Gliedern, die schließlich alle in Blei-207 zerfallen. Die konstanten Zerfallsraten in diesen Zerfallsreihen machen den Vergleich der Verhältnisse von Mutter- und Tochterelementen bei der radiometrischen Datierung nützlich. Uran-234 ist ein Mitglied der „Uranreihe“ und zerfällt über eine Reihe relativ kurzlebiger Isotope zu Blei-206. Uran-233 wird aus Thorium-232 durch Neutronenbeschuss hergestellt, in der Regel in einem Kernreaktor, und 233U ist ebenfalls spaltbar. Seine Zerfallsreihe endet mit Thallium-205.
Quellen
Uran ist das schwerste natürlich vorkommende Element, das in großen Mengen vorhanden ist. Die schwereren „transuranischen“ Elemente sind entweder künstlich hergestellt oder sie kommen nur in Spurenmengen in Uranerzlagerstätten als Aktivierungsprodukte vor. Uran kommt in der Natur in geringen Konzentrationen von wenigen Teilen pro Million in Boden, Gestein und Wasser vor und wird kommerziell aus uranhaltigen Mineralien gewonnen. Uran ist nicht so selten, wie man früher annahm, sondern gilt heute als häufiger als Quecksilber, Antimon, Silber oder Kadmium und kommt etwa so häufig vor wie Molybdän oder Arsen. Es kommt in zahlreichen natürlichen Mineralien wie Pechblende, Uraninit, Carnotit, Autunit, Uranophan und Tobernit vor. Es ist auch in Phosphatgestein, Braunkohle und Monazitsand enthalten und wird aus diesen Quellen kommerziell gewonnen. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten kauft Uran in Form von akzeptablen U3O8-Konzentraten. Durch dieses Förderprogramm haben sich die bekannten Uranreserven stark erhöht.
Eigenschaften
Reines Uran ist ein silbrig-weißes, schwach radioaktives Metall, das härter als die meisten Elemente ist. Es ist verformbar, dehnbar, leicht paramagnetisch, stark elektropositiv und ein schlechter elektrischer Leiter. Uranmetall hat eine sehr hohe Dichte, etwa 70 % dichter als Blei, aber etwas weniger dicht als Gold. Uranmetall weist drei kristallographische Modifikationen auf: alpha –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. Uran ist in feinem Zustand pyrophor. Es ist etwas weicher als Stahl und wird in fein verteiltem Zustand von kaltem Wasser angegriffen; an der Luft wird Uranmetall mit einer Oxidschicht überzogen. Säuren lösen das Metall auf und bilden die Oxidationsstufe +3, die durch Wasser und Luft schnell zu höheren Oxidationsstufen oxidiert. Uranmetall wird von Alkalien nicht angegriffen. Uranmetall kann durch Reduktion von Uranhalogeniden mit Alkali- oder Erdalkalimetallen oder durch Reduktion von Uranoxiden mit Calcium, Aluminium oder Kohlenstoff bei hohen Temperaturen hergestellt werden. Das Metall kann auch durch Elektrolyse von KUF5 oder UF4 hergestellt werden, das in einem geschmolzenen Salzgemisch aus CaCl2 und NaCl gelöst ist. Hochreines Uran kann durch die thermische Zersetzung von Uranhalogeniden an einem heißen Faden hergestellt werden.
Uranmetall reagiert mit fast allen nichtmetallischen Elementen und ihren Verbindungen, wobei die Reaktivität mit der Temperatur zunimmt. Salz- und Salpetersäure lösen Uran auf, aber andere nicht oxidierende Säuren als Salzsäure greifen das Element nur sehr langsam an. Wenn es fein verteilt ist, kann es mit kaltem Wasser reagieren. An der Luft oxidiert Uranmetall und überzieht sich mit einer dunklen Schicht aus Uranoxid. Uran bildet eine Vielzahl von Legierungen und Verbindungen, wobei die wichtigsten Oxidationsstufen Uran(IV) und Uran(VI) sind. Die beiden entsprechenden Oxide sind Uranoxid (UO2) und Urantrioxid (UO3). Neben den Oxiden gibt es weitere wichtige Uranverbindungen wie Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide, Carbonate, Hydride, Carbide, Nitride, Phosphate usw. Bei Raumtemperatur hat Uranhexafluorid, UF6, einen hohen Dampfdruck, was es für das Gasdiffusionsverfahren zur Trennung des seltenen U-235 vom gewöhnlichen U-238-Isotop nützlich macht. Uranhydride, -nitride und -carbide sind relativ inerte halbmetallische Verbindungen, die in Säuren kaum löslich sind und als stabile Brennstoffpellets in der Kernkraftreaktortechnik verwendet wurden.
Uran kommt in wässrigen Lösungen in den Oxidationsstufen +3, +4, +5 und +6 vor. Die Oxidationsstufe +6 als UO22+-Ion (gelbe Farbe) ist der stabilste Zustand in Lösung. Uran in der Oxidationsstufe +5 als UO2+-Ion ist farblos, recht instabil und disproportioniert (reagiert mit sich selbst) und bildet die Oxidationsstufen +6 und +4. Der +4-Zustand (grün) ist in Lösung relativ stabil, aber der +3-Zustand (dunkelgrün oder dunkelrot, je nach Beleuchtungsquelle – Tageslicht oder Fluoreszenzlicht) ist instabil und oxidiert leicht zu +4. Der +4-Zustand wird in Lösungen mit nahezu neutralem pH-Wert leicht hydrolysiert und bildet schwarze Oxid-Hydroxid-Präzipitate.
Verwendungen
Uran wurde im alten Rom und im Mittelalter als Farbstoff in Keramikglasuren und Glas verwendet, wobei es orange-rote bis zitronengelbe Farbtöne erzeugte. In jüngerer Zeit wurde es als orangefarbene Glasur in zeitgenössischem Fiestaware©-Geschirr verwendet, später aber aus gesundheitlichen Gründen eingestellt. Viele moderne Verwendungen von Uran nutzen seine einzigartigen nuklearen Eigenschaften. Uran-235 ist das einzige natürlich vorkommende spaltbare Isotop. Das bedeutet, dass es durch thermische Neutronen in zwei oder drei Fragmente (Spaltprodukte) gespalten werden kann. Uran-238 ist durch schnelle Neutronen spaltbar und fruchtbar, das heißt, es kann in einem Kernreaktor in spaltbares Plutonium-239 umgewandelt werden. Ein weiteres spaltbares Isotop, Uran-233, kann aus natürlichem Thorium hergestellt werden und ist ebenfalls wichtig für die Kerntechnik. Während Uran-238 eine geringe Wahrscheinlichkeit für eine spontane oder sogar induzierte Spaltung mit schnellen Neutronen aufweist, haben Uran-235 und in geringerem Maße auch Uran-233 einen viel höheren Spaltungsquerschnitt für langsame Neutronen. In ausreichender Konzentration halten diese Isotope eine anhaltende nukleare Kettenreaktion aufrecht. Dadurch wird die Wärme in Kernkraftreaktoren erzeugt und das spaltbare Material für Kernwaffen hergestellt. Diese Kernumwandlung kann in Brutreaktoren erfolgen, in denen es möglich ist, mehr neues spaltbares Material zu produzieren als das spaltbare Material, das zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion verwendet wird. Abgereichertes Uran (238U) (abgereichertes Uran-235) wird zur Durchdringung von ballistischen Panzern und als Panzerungsmaterial verwendet.
Uran-238 ist nicht spaltbar, aber ein fruchtbares Isotop, da es nach Neutronenaktivierung Plutonium-239, ein weiteres spaltbares Isotop, erzeugen kann. Der238U-Kern kann nämlich ein Neutron absorbieren, um das radioaktive Isotop Uran-239 zu erzeugen. 239U zerfällt durch Betastrahlung in Neptunium-239, ebenfalls ein Betastrahler, der seinerseits innerhalb weniger Tage in Plutonium-239 zerfällt. 239Pu wurde als spaltbares Material in der ersten Atombombe verwendet, die beim „Trinity-Test“ am 15. Juli 1945 in New Mexico gezündet wurde.
Uran-235 ist von noch größerer Bedeutung, weil es der Schlüssel zur Nutzung von Uran ist. 235U kommt zwar in natürlichem Uran nur zu 0,71 % vor, ist aber mit langsamen Neutronen so spaltbar, dass in einem Reaktor, der nur aus natürlichem Uran und einem geeigneten Moderator, wie schwerem Wasser oder Graphit, gebaut wird, eine sich selbst erhaltende Spaltungskettenreaktion erzeugt werden kann.
Uran-235 kann auf Wunsch durch Gasdiffusion und andere physikalische Verfahren konzentriert und anstelle von Natururan direkt als Kernbrennstoff oder als Sprengstoff verwendet werden.
Natururan, das zu einem geringen Prozentsatz mit 235U angereichert ist, wird als Brennstoff für Kernkraftreaktoren zur Stromerzeugung verwendet. Natürliches Thorium kann mit Neutronen bestrahlt werden, um das wichtige Isotop 233U wie folgt zu erzeugen: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Während Thorium selbst nicht spaltbar ist, ist 233U spaltbar und kann auf diese Weise als Kernbrennstoff verwendet werden. Ein Pfund vollständig gespaltenes Uran hat den Brennstoffwert von über 1500 Tonnen Kohle.
Die Verwendung von Kernbrennstoffen zur Stromerzeugung, zur Herstellung von Isotopen für friedliche Zwecke und zur Herstellung von Sprengstoffen ist allgemein bekannt. Das Uran wird in den USA von der U.S. Nuclear Regulatory Commission kontrolliert. Für abgereichertes Uran, d. h. Uran mit einem auf etwa 0,2 % reduzierten Anteil an 235U, werden neue Verwendungsmöglichkeiten gefunden. Uran wird in Trägheitsleitgeräten, in Kreiselkompassen, als Gegengewicht für Flugzeugsteuerflächen, als Ballast für Raketenabschussrampen und als Abschirmungsmaterial verwendet. Uranmetall wird für Röntgentargets zur Erzeugung von hochenergetischen Röntgenstrahlen verwendet; das Nitrat wurde früher als fotografischer Toner und das Acetat in der analytischen Chemie eingesetzt. Kristalle von Uraniumnitrat sind tribolumineszent. Uransalze wurden auch zur Herstellung von gelbem „Vaseline“-Glas und Glasuren verwendet.
Gefahren
Uran und seine Verbindungen sind hochgiftig, sowohl in chemischer als auch in radiologischer Hinsicht. Fein verteiltes Uranmetall ist pyrophor und stellt eine Brandgefahr dar. In der Natur bildet U(VI) bei alkalischem pH-Wert gut lösliche Carbonatkomplexe. Dies führt zu einer erhöhten Mobilität und Verfügbarkeit von Uran im Grundwasser und im Boden von Endlagern für nukleare Abfälle, was zu Gesundheitsgefahren führt. Die Arbeit mit Uran erfordert die Kenntnis der maximal zulässigen Konzentrationen, die eingeatmet oder eingenommen werden können. In jüngster Zeit ist das natürliche Vorkommen von Uran in vielen Böden für Hausbesitzer besorgniserregend geworden, weil radioaktives Radongas und seine Töchter entstehen, insbesondere in geschlossenen Räumen mit geringer Zirkulation wie Kellern.
Aktualisiert von Dr. David Hobart, 23. Juli 2013