Am 6. August 1945 fiel eine 3 Meter lange Bombe vom Himmel über der japanischen Stadt Hiroshima. Weniger als eine Minute später war alles im Umkreis von einem Kilometer um die Detonation der Bombe ausgelöscht. Ein gewaltiger Feuersturm zerstörte in kürzester Zeit weitere Kilometer und tötete Zehntausende von Menschen.

Es war der allererste Einsatz einer Atombombe in der Kriegsführung, und sie verwendete ein berühmtes Element, um Verwüstung anzurichten: Uran. Dieses radioaktive Metall ist insofern einzigartig, als eines seiner Isotope, Uran-235, das einzige natürlich vorkommende Isotop ist, das eine Kernspaltungsreaktion aufrechterhalten kann. (Ein Isotop ist eine Version eines Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen in seinem Kern.)

Um Uran zu verstehen, ist es wichtig, die Radioaktivität zu verstehen. Uran ist von Natur aus radioaktiv: Sein Kern ist instabil, so dass sich das Element in einem ständigen Zustand des Zerfalls befindet und eine stabilere Anordnung sucht. Tatsächlich war Uran das Element, das die Entdeckung der Radioaktivität ermöglichte. Im Jahr 1897 ließ der französische Physiker Henri Becquerel einige Uransalze auf einer Fotoplatte liegen, um zu untersuchen, wie das Licht diese Salze beeinflusst. Zu seiner Überraschung beschlug die Platte, was auf eine Art Emission der Uransalze hinwies. Für diese Entdeckung erhielt Becquerel 1903 gemeinsam mit Marie und Pierre Curie den Nobelpreis.

Nur die Fakten

Nach Angaben des Jefferson National Linear Accelerator Laboratory sind die Eigenschaften von Uran:

Uran

Uran (Bildnachweis: Andrei Marincas )
  • Atomzahl (Anzahl der Protonen im Atomkern): 92
  • Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): U
  • Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 238,02891
  • Dichte: 18,95 Gramm pro Kubikzentimeter
  • Phase bei Raumtemperatur: Fest
  • Schmelzpunkt: 1.135 Grad Celsius (2.075 Grad Fahrenheit)
  • Siedepunkt: 4.131 Grad Celsius (7.468 Grad Fahrenheit)
  • Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen): 16, davon 3 natürlich vorkommend
  • Häufigste Isotope: U-234 (0,0054 Prozent natürliches Vorkommen), U-235 (0,7204 Prozent natürliches Vorkommen), U-238 (99,2742 Prozent natürliches Vorkommen)

Geschichte des Urans

Martin Heinrich Klaproth, ein deutscher Chemiker, entdeckte das Uran 1789, obwohl es schon seit mindestens A.D. 79 bekannt war, als Uranoxid als Farbstoff für keramische Glasuren und in Glas verwendet wurde, wie Chemicool berichtet. Klaproth entdeckte das Element in dem Mineral Pechblende, das damals für ein Zink- und Eisenerz gehalten wurde. Er löste das Mineral in Salpetersäure auf und fügte dem verbliebenen gelben Niederschlag Pottasche (Kaliumsalze) hinzu. Klaproth kam zu dem Schluss, dass er ein neues Element entdeckt hatte, als die Reaktion zwischen Pottasche und Niederschlag nicht den Reaktionen bekannter Elemente folgte. Seine Entdeckung entpuppte sich als Uranoxid und nicht als reines Uran, wie er ursprünglich geglaubt hatte.

Nach Angaben des Los Alamos National Laboratory benannte Klaproth das neue Element nach dem kürzlich entdeckten Planeten Uranus, der nach dem griechischen Gott des Himmels benannt wurde. Eugène-Melchior Péligot, ein französischer Chemiker, isolierte 1841 reines Uran durch Erhitzen von Uran-Tetrachlorid mit Kalium.

Uran wurde 1896 von Antoine H. Becquerel, einem französischen Physiker, als radioaktiv entdeckt. Becquerel hatte eine Uranprobe auf eine unbelichtete Fotoplatte gelegt, die sich daraufhin trübte. Er kam zu dem Schluss, dass es unsichtbare Strahlen abgab, so die Royal Society of Chemistry. Dies war das erste Mal, dass Radioaktivität untersucht wurde und eröffnete ein neues Wissenschaftsgebiet. Marie Curie, eine polnische Wissenschaftlerin, prägte kurz nach Becquerels Entdeckung den Begriff Radioaktivität und setzte zusammen mit Pierre Curie, einem französischen Wissenschaftler, die Forschung fort, um andere radioaktive Elemente wie Polonium und Radium und ihre Eigenschaften zu entdecken.

Macht und Krieg

Das Uran im Universum entstand laut der World Nuclear Association vor 6,6 Milliarden Jahren in Supernovae. Es ist überall auf der Erde zu finden und macht in den meisten Gesteinen etwa 2 bis 4 Teile pro Million aus. Nach Angaben des US-Energieministeriums steht es an 48. Stelle der am häufigsten in natürlichem Krustengestein vorkommenden Elemente und ist 40-mal häufiger als Silber.

Obwohl Uran in hohem Maße mit Radioaktivität in Verbindung gebracht wird, ist seine Zerfallsrate so gering, dass dieses Element eigentlich nicht zu den radioaktiven Elementen gehört. Uran-238 hat eine Halbwertszeit von unglaublichen 4,5 Milliarden Jahren. Uran-235 hat eine Halbwertszeit von etwas mehr als 700 Millionen Jahren. Uran-234 hat mit 245.500 Jahren die kürzeste Halbwertszeit von allen, entsteht aber nur indirekt aus dem Zerfall von U-238.

Im Vergleich dazu ist Polonium das radioaktivste Element. Es hat eine Halbwertszeit von nur 138 Tagen.

Doch Uran hat dank seiner Fähigkeit, eine nukleare Kettenreaktion in Gang zu setzen, ein explosives Potenzial. U-235 ist „spaltbar“, d.h. sein Kern kann durch thermische Neutronen gespalten werden, d.h. Neutronen mit der gleichen Energie wie die Umgebung. Nach Angaben der World Nuclear Association funktioniert dies folgendermaßen: Der Kern eines U-235-Atoms hat 143 Neutronen. Wenn ein freies Neutron auf das Atom stößt, spaltet es den Kern und wirft zusätzliche Neutronen ab, die dann in die Kerne der benachbarten U-235-Atome eindringen können, wodurch eine sich selbst erhaltende Kaskade von Kernspaltungen entsteht. Die Spaltungsvorgänge erzeugen jeweils Wärme. In einem Kernreaktor wird diese Wärme genutzt, um Wasser zu kochen und Dampf zu erzeugen, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt. Die Reaktion wird durch Materialien wie Cadmium oder Bor gesteuert, die zusätzliche Neutronen absorbieren können, um sie aus der Reaktionskette herauszunehmen.

Bei einer Kernspaltungsbombe wie der, die Hiroshima zerstörte, wird die Reaktion überkritisch. Das bedeutet, dass die Spaltung mit immer höherer Geschwindigkeit abläuft. Diese überkritischen Reaktionen setzen enorme Energiemengen frei: Die Explosion, die Hiroshima zerstörte, hatte die Kraft von schätzungsweise 15 Kilotonnen TNT, und das mit weniger als einem Kilogramm Uran, das gespalten wurde.

Um die Uranspaltung effizienter zu machen, reichern Nukleartechniker das Uran an. Natürliches Uran enthält nur etwa 0,7 Prozent U-235, das spaltbare Isotop. Der Rest ist U-238. Um den Anteil an U-235 zu erhöhen, vergasen die Ingenieure das Uran entweder, um die Isotope abzutrennen, oder sie verwenden Zentrifugen. Nach Angaben der World Nuclear Association besteht das meiste angereicherte Uran für Kernkraftwerke aus 3 bis 5 Prozent U-235.

Am anderen Ende der Skala steht abgereichertes Uran, das für Panzerungen und zur Herstellung von Kugeln verwendet wird. Abgereichertes Uran ist das, was übrig bleibt, wenn angereichertes Uran in einem Kraftwerk verbraucht wird. Nach Angaben des US-Ministeriums für Veteranenangelegenheiten ist es etwa 40 Prozent weniger radioaktiv als Natururan. Dieses abgereicherte Uran ist nur dann gefährlich, wenn es eingeatmet oder verschluckt wird oder durch einen Schuss oder eine Explosion in den Körper gelangt.

Wer hätte das gedacht?

  • Nur 1,38 Prozent des Urans in der „Little Boy“-Bombe, die Hiroshima zerstörte, wurde gespalten, so die Atomic Heritage Foundation. Die Bombe enthielt insgesamt etwa 64 kg Uran.
  • Die „Little Boy“-Bombe detonierte 509 m über Hiroshima und hinterließ laut einem Bericht der Defense Nuclear Agency aus dem Jahr 1980 im Umkreis von einer Meile um Ground Zero nur die Rahmen einiger Stahlbetongebäude. Feuerstürme zerstörten alles im Umkreis von 7 Kilometern (4,4 Meilen) um die Explosion.
  • Die Halbwertszeit von Uran-238 beträgt 4,5 Milliarden Jahre. Es zerfällt in Radium-226, das wiederum in Radon-222 zerfällt. Radon-222 wird zu Polonium-210, das schließlich in ein stabiles Nuklid, Blei, zerfällt.
  • Marie Curie, die mit Uran arbeitete, um mehrere noch radioaktivere Elemente (Polonium und Radium) zu entdecken, erlag wahrscheinlich der Strahlenbelastung, die mit ihrer Arbeit verbunden war. Sie starb 1934 an aplastischer Anämie, einem Mangel an roten Blutkörperchen, der wahrscheinlich durch eine Strahlenschädigung ihres Knochenmarks verursacht wurde.
  • Reines Uran ist ein silbriges Metall, das an der Luft schnell oxidiert.
  • Uran wird manchmal zum Einfärben von Glas verwendet, das unter Schwarzlicht grünlich-gelb leuchtet – allerdings nicht aufgrund von Radioaktivität (das Glas ist nur ein klein wenig radioaktiv). Laut Collectors Weekly ist die Fluoreszenz darauf zurückzuführen, dass das UV-Licht die Uranylverbindung im Glas anregt, so dass sie Photonen abgibt, wenn sie sich wieder absetzt.
  • Yellowcake ist festes Uranoxid. Dies ist die Form, in der Uran üblicherweise verkauft wird, bevor es angereichert wird.
  • Uran wird in 20 Ländern abgebaut, wobei mehr als die Hälfte aus Kanada, Kasachstan, Australien, Niger, Russland und Namibia stammt, so die World Nuclear Association.
  • Nach Angaben von Lenntech sind alle Menschen und Tiere auf natürliche Weise winzigen Mengen von Uran über Nahrung, Wasser, Boden und Luft ausgesetzt. In den meisten Fällen kann die Bevölkerung die aufgenommenen Mengen gefahrlos ignorieren, es sei denn, sie lebt in der Nähe von Sondermülldeponien oder Minen oder baut Pflanzen in kontaminierter Erde an oder bewässert sie mit kontaminiertem Wasser.

Aktuelle Forschung

Aufgrund seiner Bedeutung für Kernbrennstoffe sind die Forscher sehr daran interessiert, wie Uran funktioniert – insbesondere bei einer Kernschmelze. Zu einer Kernschmelze kommt es, wenn die Kühlsysteme um einen Reaktor herum versagen und die durch die Spaltreaktionen im Reaktorkern erzeugte Hitze den Brennstoff zum Schmelzen bringt. Dies geschah während der Nuklearkatastrophe im Kernkraftwerk Tschernobyl, was zu einem radioaktiven Fleck führte, der als „Elefantenfuß“ bezeichnet wurde.

Das Verständnis, wie sich Kernbrennstoffe verhalten, wenn sie schmelzen, ist für Nukleartechniker, die Sicherheitsbehälter bauen, von entscheidender Bedeutung, sagte John Parise, ein Chemiker und Mineraloge an der Stony Brook University und dem Brookhaven National Laboratory.

Im November 2014 veröffentlichten Parise und Kollegen vom Argonne National Lab und anderen Einrichtungen in der Fachzeitschrift Science eine Arbeit, in der sie erstmals das Innenleben von geschmolzenem Urandioxid, einem Hauptbestandteil von Kernbrennstoff, erläuterten. Uraniumdioxid schmilzt erst bei Temperaturen über 3.000 Grad Celsius, so dass es schwierig ist, zu messen, was passiert, wenn das Material flüssig wird, sagte Parise gegenüber Live Science – es gibt einfach keinen Behälter, der stabil genug ist.

„Die Lösung dafür ist, dass wir eine Kugel aus Uraniumdioxid von oben mit einem Kohlendioxidlaser erhitzen und diese Kugel auf einem Gasstrom schweben lassen“, sagte Parise. „

Die Forscher strahlen dann Röntgenstrahlen durch die Urandioxidblase und messen die Streuung dieser Röntgenstrahlen mit einem Detektor. Der Streuwinkel gibt Aufschluss über die Struktur der Atome im Innern des Urandioxids.

Die Forscher fanden heraus, dass die Atome in festem Urandioxid wie eine Reihe von Würfeln angeordnet sind, die sich mit leerem Raum in einem gitterartigen Muster abwechseln, wobei acht Sauerstoffatome jedes Uranatom umgeben. Wenn sich das Material seinem Schmelzpunkt nähert, spielen die Sauerstoffatome „verrückt“, so Lawrie Skinner, Forscher am Argonne National Laboratory, in einem Video über die Ergebnisse. Die Sauerstoffatome beginnen sich zu bewegen, füllen leeren Raum und hüpfen von einem Uranatom zum anderen.

Schließlich, wenn das Material schmilzt, ähnelt die Struktur einem Gemälde von Salvador Dali, wenn die Würfel zu ungeordneten Polyedern werden. An diesem Punkt, so Parise, sinkt die Anzahl der Sauerstoffatome um jedes Uranatom – die so genannte Koordinationszahl – von acht auf etwa sieben (einige Uranatome haben sechs Sauerstoffatome um sich herum, andere sieben, was einen Durchschnitt von 6,7 Sauerstoffatomen pro Uran ergibt).

Die Kenntnis dieser Zahl ermöglicht es, zu modellieren, wie sich Urandioxid bei diesen hohen Temperaturen verhält, so Parise. Der nächste Schritt besteht darin, mehr Komplexität hinzuzufügen. Atomkerne bestehen nicht nur aus Urandioxid, sagte er. Sie enthalten auch Materialien wie Zirkonium und alles, was zur Abschirmung des Reaktorinneren verwendet wird. Das Forschungsteam plant nun, diese Materialien hinzuzufügen, um zu sehen, wie sich die Reaktion des Materials verändert.

„Man muss wissen, wie sich die reine Urandioxid-Flüssigkeit verhält, damit man, wenn man die Auswirkungen kleiner Zusätze untersucht, sehen kann, wo die Unterschiede liegen.“ sagte Parise.

Der größte Teil des Urans wird zur Energiegewinnung verwendet, in der Regel in kontrollierten Kernreaktionen. Der verbleibende Abfall, abgereichertes Uran, kann recycelt werden, um andere Arten von Energie zu nutzen, etwa die Kraft der Sonne. In einem Patent von Igor Usov und Milan Sykora, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory, aus dem Jahr 2017 wird die Verwendung von abgereichertem Uran aus Kernreaktionen zur Herstellung von Solarzellen erörtert. Die Autoren schreiben, dass abgereichertes Uranoxid als Überbleibsel des Kernbrennstoffanreicherungsprozesses reichlich vorhanden und billig ist und für die Verwendung als Solarzellen optimiert werden könnte, indem die Dicke, das Uran/Sauerstoff-Verhältnis, die Kristallinität und die Dotierung kontrolliert werden.

Uraniumdioxid ist ein hervorragender Halbleiter, wie Thomas Meek vom Oak Ridge National Laboratory in einem Papier aus dem Jahr 2000 feststellte, und könnte für bestimmte Verwendungszwecke eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Verwendung von Silizium, Germanium oder Galliumarsenid darstellen. Bei Raumtemperatur würde Uranoxid im Vergleich zu den herkömmlichen Elementen und Verbindungen für denselben Zweck den höchstmöglichen Wirkungsgrad für Solarzellen bieten.

Zusätzliche Berichte von Rachel Ross, Live Science Contributor