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Uran

Uran ist ein Schwermetall, das in der Öffentlichkeit zu großen Ängsten führt, nicht zuletzt dadurch, dass sein Nuklid bzw. Isotop Uran 235 die Grundlage für A-Bomben und Kernkraftwerke bildet. Der folgende Text soll durch Sachinformationen das Wissen um dieses Element und seine Verwendung vertiefen.

 Uran

 Nuklide des Urans - zum Vergrößern anklicken - (Asthalter/Dr.Ramm)

Inhaltsverzeichnis

  1. Nuklidkarte
  2. Physikalische und chemische Eigenschaften
  3. Vorkommen
  4. Radioaktivität
  5. Uran in Kernkraftwerken
  6. Uran in Kernwaffen
  7. Urangeschosse, Uranmunition
  8. Grenzwerte, Trinkwasserverordnung
  9. Uran im Trinkwasser

Nuklidkarte

In der obigen Abbildung ist ein nachgezeichneter  Ausschnitt des Urans aus einer Nuklidkarte dargestellt. Beim Anklicken der Abbildung erscheint diese vergrößert.
In einer Nuklidkarte werden alle Nuklide bzw. Isotope eines Elements mit ihrer Ordnungszahl, ihrer Massenzahl sowie der Art des Zerfalls einschließlich der Halbwertszeit dargestellt. Die Begriffe Ordnungszahl und Massenzahl finden Sie bei Goruma hier >>> erläutert. Beim Uran (U) erkennt man, dass es eine Ordnungszahl von 92 besitzt und Nuklide mit den Massenzahlen von U 226 bis U 240 umfasst.
Die gelb bezeichneten Nuklide sind Alpha-, die roten Betaplus- und die blauen Betaminusstrahler. Der Betapluszerfall kann auch in vergleichbarer Form durch die so genannte "Innere Konversion" erfolgen. Dabei fängt der Kern ein Elektron der Hülle ein und verwandelt damit ein Proton in ein Neutron. In der obigen Abbildung haben wir diesen Prozess durch ein "ε" symbolisiert. Die grün bezeichneten Nuklide spalten sich "spontan" (sf), also ohne die Einwirkung einer Strahlung von außen - wie z.B. durch Neutronen. In einer Nuklidkarte (hier nicht dargestellt)findet man auf einer Diagonalen von links oben nach rechts unten Nuklide mit derselben Massenzahl, die als Isobare bezeichnet werden. Nuklide mit derselben Anzahl an Neutronen heißen Isotone, die in einer Nuklidkarte untereinander stehen.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Transparent auf einer Demonstration © goruma (Dr.Ramm)

Uran ist ein Schwermetall mit einer Dichte von 19 g pro cm³ = 19 Tonnen pro m³ und wurde nach dem Planeten Uranus benannt. Es besitzt im Periodensystem der Elemente eine Kernladungszahl (Ordnungszahl) von Z = 92, was bedeutet, dass sich im Kern des Uranatoms 92 Protonen befinden. Bei neutralem Uran ist die Elektronenanzahl dann gleich der Protonenzahl. Gibt das Uran Elektronen aus seiner Hülle ab, kann es vier verschiedene Hauptoxidationszahlen 3+, 4+, 5+, und 6+ erhalten, daher bildet Uran die Oxide UO2, U3O8, UO3 u.a.
Die Anzahl der Neutronen in den Urankernen bzw. -Atomen ist verschieden, wobei die Summe aus Protonen und Neutronen die Massenzahl M angibt. Die Uranatome mit verschiedenen Massezahlen werden als Isotope bezeichnet. Atome mit einer Ordnungszahl über 92 werden als Transurane bezeichnet, dazu gehören z.B. das Neptunium mit der Ordnungszahl Z = 93 und Plutonium mit Z = 94
Der Schmelzpunkt von Uran liegt bei ca. 1.130 °C, sein Siedepunkt bei ca. 3.930 °C.
Uran gehört zu den Actinoiden, also zu den Elementen mit Ordnungszahlen zwischen 89 (Actinium) und 102 (Nobelium), wobei nur Elemente bis zur Ordnungszahl 92 (Uran) in der Natur in einer erwähnenswerten Menge vorkommen. Die wichtigsten bzw. bekanntesten Vertreter der Actinoide sind Thorium-232, Uran-235, Uran-238 sowie Plutonium-239.

Vorkommen

In der Natur kommen nur die Isotope U 238, U 234 und U 235 vor - und zwar U 238 mit 99,257%, U 235 mit 0,72 und U 234 mit 0,0054%. Dabei gibt es die beiden sehr langlebigen Isotope U 235 und 238 solange es die Erde gibt. Das U 234 dagegen entsteht über den Zerfall des U 238 innerhalb der so genannten natürlichen Zerfallsreihen.
In Deutschland wurde Uran in der Sächsischen Schweiz und im Erzgebirge (Schlema, Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Pöhla) sowie in Ostthüringen (Ronneburg) zumeist im Untertagebau durch die SDAG Wismut abgebaut. Geringe Mengen wurden auch im Schwarzwald und im Fichtelgebirge gefördert. Die frühere DDR war seinerzeit der drittgrößte Uranproduzent weltweit . Die meisten Abbaugebiete wurden nach 1990 geschlossen, da sie unwirtschaftlich waren und auch der Bedarf an Uran rückläufig war. Infolge des Uranabbaus erkrankten einige Zigtausende Menschen an Krebs - meist Lungenkrebs. Viele von ihnen sind mittlerweile verstarben. 
Im Jahr 2010 betrug die Weltproduktion an Uran rund 39.600 Tonnen. Die größten Förderländer sind Australien, Kanada (rund Zweidrittel), Russland, Niger, Namibia, Kasachstan, Usbekistan, Südafrika sowie die die USA. Uran kommt in der Natur nicht als reines Uran, sondern in verschiedenen Verbindungen vor.

Radioaktivität

Die Tatsache, dass Uran radioaktiv ist, also unter Aussendung von Strahlung in andere Isotope zerfällt, wurde im Jahr 1896 zuerst von Antoine Henri Becquerel entdeckt. Wie man in der Tabelle sieht, besitzen nur die beiden Isotope U 235 und U 238 so lange Halbwertszeiten, dass sie seit der Entstehung der Erde vor ca. 4,3 Mrd. Jahren noch existieren. Alle anderen Isotope sind längst zerfallen, während einige durch den Zerfall der langlebigen Isotope nachgebildet werden. Als gutes Beispiel dafür sei die bereits erwähnte Bildung von U 234 aus U 238 dargestellt. 
Wie man in der Grafik sieht, zerfällt U 238 mit der Kernladungszahl Z = 92 über einen Alphazerfall in das Th 234 (Thorium) mit der Kernladungszahl Z = 90, um weiter über einen Betaminuszerfall in das Pa 234 (Proactinium) mit Z = 91 zu zerfallen. Das zerfällt dann über einen weiteren Betaminuszerfall in das U 234 mit Z = 92. Der weitere Zerfall ist bei Goruma unter Zerfallsreihen nachzulesen.

 

Hinweis
Es sei darauf hingewiesen, dass die Zahlenwerte für die Halbwertszeiten und die Energien je nach Quelle und Autor geringfügig schwanken können. Insofern sind Abweichungen keine Fehler sondern das Ergebinis der Veröffentlichung bestimmter Organisationen oder Wissenschaftler.

Uranisotop Zerfallsart Zerfallsprodukt Halbwertszeit
U 226 Alphazerfall Th 222 (Thorium) 0,5 Sekunden
U 227 Alphazerfall Th 223 (Thorium) 1,1 Minuten
U 228  Alphazerfall  Th 224 (Thorium)  9,2 Minuten
U 229 Alphazerfall   Th 225 (Thorium) 58 Minuten 
U 230  Alphazerfall   Th 226 (Thorium)  20,8 Tage 
U 231  Alphazerfall
Gammazerfall 
Th 227 (Thorium)   4,2 Tage
U 232 Alphazerfall   Th 228 (Thorium) 71,7 Jahre 
U 233  Alphazerfall  Th 229 (Thorium)  1,59·105 Jahre 
U 234  Alphazerfall   Th 230 (Thorium)  2,45·105 Jahre
U 235  Alphazerfall    Th 226 (Thorium)  7,04·108 Jahre
U 236  Alphazerfall    Th 232 (Thorium)    2,34·107 Jahre
U 237  Betaminuszerfall
Gammazerfall 
Np 237 (Neptunium)  6,75 Tage
U 238  Alphazerfall    Th 234 (Thorium)  4,47·109 Jahre
U 239 Betaminuszerfall
Gammazerfall
Np 239 (Neptunium)   23,5 Minuten
U 240 Betaminuszerfall
Gammazerfall
Np 240 (Neptunium) 14,1  Stunden

Zerfallsreihen
U 238
ist das Ausgangsisotop der so genannten Uran-Radium-Zerfallsreihe, von der ein Teil oben dargestellt ist. Das stabile Endprodukt dieser Zerfallsreihe ist das Pb 206 (Blei).
Das ebenfalls extrem langlebige U 235 ist das Ausgangsnuklid der Uran-Actinium-Zerfallsreihe mit dem stabilen Endprodukt Pb 207 (Bei).

U 236
Das Uranisotop U 236 entsteht auf natürliche Weise infolge der seltenen Neutroneneinfänge aus dem U 235. Die dafür verantwortlichen Neutronen entstammen der natürlichen Spaltung von U 238 oder von U 235.

Spezifische Aktivität
Unter der spezifischen Aktivität versteht man die Aktivität gemessen in Bq (Becquerel) pro Gramm oder Kilogramm der jeweiligen strahlenden Substanz. 
Die spezifische Aktivität von U 238 beträgt wegen der sehr langen Halbwertszeit 12,45·103 Bq pro Gramm und die von U 235 rund 80,11·103 Bq pro Gramm. Die spezifische Aktivität des sehr seltenen U 234 beträgt 2,331·109 Bq pro Gramm.

Da ein Gramm Natururan 2,5297·1021 Atome besitzt, zerfallen demnach 2,528·103 Uranatome pro Gramm und pro Sekunde.

 

Uran in Kernkraftwerken

Sofern ein U 235 Atom von einem energiearmen Neutron getroffen wird, so kann dieses Neutron den Urankern spalten. Bei der Spaltung entstehen dann zwischen 2 bis 3 neue Neutronen, die ihrerseits wieder andere Urankerne spalten können. Sofern alle entstandenen Neutronen zu einer Spaltung führen, entsteht eine Kettenreaktion. In einem Kernreaktor wird der "Vermehrungsfaktor" der Neutronen mittels bestimmter Absorber etwas größer als eins gehalten. Auf diese Weise werden die Urankerne allmählich gespalten und damit deren Energie allmählich - und nicht explosionsartig wie in einer A-Bombe - abgeben. Die dabei freigegebene Energie dient dann der Erhitzung von Wasser zu Wasserdampf, mit der dann konventionelle Turbinen undGeneratoren zur Stromerzeugung betrieben werden. Der Anteil des U 235 in dem Reaktorkern beträgt etwa 3-5%, der Rest ist U 238. Das auf 3-5% angereicherte U 235 wird über recht komplexe Prozesse aus dem Natururan gewonnen. 
Ein übliches Kernkraftwerk hat eine Leistung um 1.000 Megawatt (MW). Zum Vergleich hat ein moderner Windgenerator eine Leistung von 7,5 MW. Die Spaltung von U 235 mittels eines Neutrons kann wie folgt aussehen. Ein energiearmes Neutron (n) spaltet den U 235-Kern. Der zerfällt dadurch in zwei Atome - z.B. in das Ba 89 (Barium) mit der Kernladungszahl Z =  36 und das Kr 144 (Krypton) mit der Kernladungszahl Z = 56  sowie 3 weitere Neutronen. Aber mit anderen Wahrscheinlichkeiten kann sich ein anderer U 235-Kern auch in andere Teile aufspalten. Daher entstehen in einem Kernreaktor auch so viele verschiedene Nuklide, die dann ihrerseits über einen Alpha-, Beta- oder Gammerzerfall in andere Nuklide zerfallen.

 

Uran in Kernwaffen

Allgemeines
Wenn Uran oder Plutonium durch Neutronen gespaltet wird, so entstehen, wie bereits oben dargestellt, als Spaltprodukte neue Elemente und zudem Neutronen und Energie.
Sofern man Natururan - das zur Hautsache zu 99,3% aus U-238 und zu 0,7% aus U-235 besteht, auf etwa 80% bis 90% U 235 anreichert, so kann es für Kernwaffen verwendet werden. Dafür muss aber die so genannte kritische Masse vorhanden sein, sodass bei dem Spaltprozess mehr Neutronen für neue Spaltprozesse zur Verfügung stehen, als nach außen verloren gehen. Die kritische Masse beträgt für das Uran je nach Anreicherung 15 bis 20 kg.
Eine Möglichkeit, um eine explosionsfähige kritische Masse für eine kurze Zeit zu bekommen, besteht darin, einen Ring von einer nicht kritischen Masse Uran zu bilden, der dann mit darum gelagerten konventionellen Sprengstoff auf ein kleines Volumen komprimiert wird und damit kritisch wird und explodiert. 
Es sei erwähnt, dass bei Plutonium 239 (Pu-239) bereits zwischen 2,5 bis 3,5 kg für eine A-Bombe ausreichen.
Das Prinzip einer Wssersoffbombe dagegen beruht auf der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium, wobei große Mengen Energie frei werden. In den Sonnen - und natürlich auch bei unserer - dient diese Wasserstofffusion als Brennstoff und damit als Energielieferant

Atom- und Wasserstoffbomben

  • Die erste A-Bombenexplosion fand am 16. Juli 1945 im Rahmen des Manhattan-Projekts als Test im Bundesstaat Neu Mexiko (New Mexiko) statt. Der Codename der Plutoniumbombe war "The Gadget".
  • Der  erste Einsatz als Waffe fand am 6. August 1945 in Hiroshima und der zweite am 10. August in Nagasaki statt. Die Bombe in Hiroshima (Little Boy) war eine Uran-Bombe mit einer Sprengkraft von 13 Kilotonnen TNT. Die Bombe beinhaltete 64 kg Uran bei einem Gewicht von 4.040 kg.
  • Die in Nagasaki am 9. August 1945 gezündete Bombe namens "Fat Man" war eine Plutoniumbombe mit einer Sprengkraft von 21 Kilotonnen TNT - dazu wurden 6,2 kg Plutonium benötigt.
    Danach kam es bis heute zu keinem weiteren Kernwaffeneinsatz.
  • Die Bombe mit der größten je gezündeten Sprengkraft war die Wasserstoffbombe (H-Bombe) mit dem Namen Zar-Bombe (AN602), die eine Sprengkraft von zwischen 50 und 58 Megatonnen TNT besaß. Sie wurde am 30. Oktober 1961 über der Insel Nowaja Semlja im Nordpolarmeer zur Explosion gebracht.
  • Die größte H-Bombe der Amerikaner mit dem Namen "Castle Brava" wurde 1954 über dem Bikini-Atoll gezündet. Ihre Sprengkraft betrug etwa Megatonnen TNT

Urangeschosse, Uranmunition

Uran-Geschosse enthalten keinen Sprengstoff. Ihre Wirkung beim Durchschlagen von starken Panzerungen beruht allein auf ihrer kinetische Energie. Die kinetische nergie hängt von der Masse und dem Quadrat der Geschwindigkeit des Geschosses ab. Die Wirkung eines derartigen Geschosses ist dann besonders wirkungsvoll, wenn der auf der Aufschlagsstelle erzeugte Druck, also die Kraft pro Fläche, möglichst groß ist. Uran wird besonders wegen seines hohen spezifischen Gewichts von 19 g pro cm³ (= 19 Tonnen pro m³)  als Teil von panzerbrechenden Waffen verwendet. Die Radioaktivität spielt dabei keine Rolle, im Gegenteil man reichert das dafür verwendete Uran sogar ab, verringert also den Anteil von U 234 und U 235, sodass nahezu reines U 238 (etwa 99,8%) zum Einsatz kommt. Da das Uran beim Aufprall auf ein Ziel zum Teil verdampft, kann dieser Urandampf in Form von Uranpartikeln oder Uranoxiden als Schwebteilchen (Aerosole) eingeatmet werden und zu schweren Vergiftungen im Organismus führen.
Die Munition des US-Kampfflugzeugs "A 10" (Warzenschwein) hat ein Kaliber von 30 mm - bei einer Gesamtlänge des Geschosses einschließlich des Treibsatzes von ca. 29 cm Die gesamte Masse sind  ca. 0,69 kg. Der im vorderen Bereich befindliche  Uran-Kern hat eine Länge von ca. 14,5 cm - bei einer Masse von ca. 0,27 kg. Die Geschwindigkeit des Geschosses beträgt ca. 1.010 m/s (= 3.636km/h).

Grenzwerte, Trinkwasserverordnung

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfahl im Jahr 2003 - infolge der beschriebenen Verwendung von abgereichertem Uran in Uranmunition - einen Grenzwert für die tägliche Aufnahme von 0,5 μg pro kg Körpergewicht von löslichen Uranverbindungen, von 5 μg pro kg für unlösliche Verbindungen und von maximal 1 μg pro m³ Luft in der Umgebungsluft bei Aufnahme über den Atemtrakt. Daraus ergaben sich die folgenden Empfehlungen bzw. Grenzwerte

Grenzwerte
Bisher waren in der ansonsten sehr strengen "Trinkwasserverordnung" aus dem Jahr 2001 keine Grenzwerte für Uran festgelegt. Lediglich die WHO empfahl, dass nicht mehr als 15 μg Uran in einem Liter Trinkwasser enthalten sein soll. (1 μg = 1 Millionstel Gramm). Andererseit legt die Verordnung u.a. für Aluminium, Ammonium, Antimon, Arsen, Bor, Blei, Cadmium, Crom, Kupfer, Mangan, Nickel, Quecksilber, Selen Grenzwerte fest.
Aber am 26. November 2010 wurde mit Zustimmung des deutschen Bundesrats ein verbindlicher Grenzwert von 10 μg Uran pro 1 Liter Trinkwasser festgelegt. Es sei am Rande erwähnt, dass der Grenzwert für Blei ebenfalls 10 μg pro Liter beträgt.

Trinkwasserverordnung
Die Ursprünge einer Trinkwasserverordnung gehen bis ins Jahr 1975 zurück. Die Trinkwasserverordnung (Abk. TrinkwV 2001) wurde in Deutschland am 21. Mai 2001 und in Österreich am 21. August 2001 novelliert. Die beiden novellierten - also neu gefassten - Trinkwasserverordnungen stellen die Umsetzung der EG-Richtlinie 83/98 "Über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch“  in nationales deutsches bzw. österreichisches Recht dar. In § 1 der deutschen Verordnung heißt es:

 

Zweck der Verordnung ist es, die menschliche Gesundheit vor den nachteiligen Einflüssen, die sich aus der Verunreinigung von Wasser ergeben, das für den menschlichen Gebrauch bestimmt ist, durch Gewährleistung seiner Genusstauglichkeit und Reinheit nach Maßgabe der folgenden Vorschriften zu schützen.

Uran im Trinkwasser

Wie erwähnt, kommt Uran in zahlreichen Gesteinen in der Erde vor. Ein geringer Teil löst sich im umgebenden Wasser, sodass dies dadurch mit Uran belastet wird. Rekordwerte wurden z.B. im Quellwasser gemessen, das aus der Abraumhalde einer alten Uranmine der DDR - in Schneckenstein  in Sachsen in der Nähe zur Grenze zu Tschechien - austritt. Wissenschaftler fanden hier Konzentrationen bis zu 1.200 μg pro Liter Wasser - bei dem von der WHO empfohlenen Grenzwert von 15 μg pro Liter. 
Mütter und Väter von Kleinkindern seien ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Babys und Kleinkinder besonders stark durch das Schwermetall Uran gefährdet sind. Ein "Extrembeispiel" in der anderen Richtung sind Berlin oder Hamburg, wo sich weniger als 2 μg Uran in einem Liter Trinkwasser befinden. Besonders uranhaltig sind Mineralwässer, die oft aus größeren Tiefen stammen und dort oft sehr lange in Kontakt mit dem uranhaltigen Gestein waren. 
Mit Ausnahme einiger Ortschaften in Sachsen Anhalt beträgt die Uranbelastung im Norden Deutschlands zwischen 2 bis 10 μg pro Liter, während im Süden häufiger mit mehr als 10 μg zu rechnen ist. 
Die Aufnahme von 10 μg Uran beispielsweise hat eine Strahlenbelastung im Organismus von 0,025 Bq zur Folge, was extrem gering ist und verdeutlicht, dass die schädigende Wirkung durch die chemische und nicht durch die radiologische Toxizität zustande kommt.

Gesundheitsgefährdung
Die Gefahr durch das schwach radioaktive Uran geht weniger von seiner Strahlung aus als vielmehr durch seine Giftigkeit als Schwermetall. Besonders gefährdet sind die Nieren.

Schneeberger Krankheit

Als Schneeberger Krakheit wird eine im Bergbau durch die Folgeprodukte es Urans  hervorgerufene Lungenkrebserkrankung bezeichnet. Ihren Namen erhielt sie nach der Stadt Schneeberg im Erzgebirge.
Eine ausführliche Darstellung der Ursachen für die Erkrankung finden Sie hier >>>  

Zum Seitenanfang >>>

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