What is Uran?
Uran (symbol U) is element 92 on the periodic table, a actinoid in period 7. The heaviest primordial element, and the one that split the twentieth century in two. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Schalen – eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo uran bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Mit ~ gekennzeichnete Werte sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 163 pm — that is 0.163 nm, so about 3067 million of them side by side would span a millimetre.
Temperaturbereich
Uran is liquid over a 2999 K window, from 1405 K to 4404 K.
Die Geschichte
Uran ist der Schwergewichts-Champion unter den natürlichen Elementen und enthält genug Energie, um Städte zu erleuchten oder dem Erdboden gleichzumachen. Dieses radioaktive Metall trieb das Atomzeitalter an – von der ersten kontrollierten Kernreaktion im Jahr 1942 bis zu modernen Kraftwerken, die 10 % des weltweiten Stroms erzeugen. Ein Uranbrennstoffpellet von der Größe Ihrer Fingerspitze enthält so viel Energie wie eine Tonne Kohle. Dieses Element wurde nach dem Planeten Uranus benannt und verwandelt sich über Milliarden von Jahren langsam in Blei. Dabei wirkt es als natürliche Uhr, die Wissenschaftlern half, das Alter der Erde auf 4,5 Milliarden Jahre zu bestimmen. Der Atomkern des Urans ist so dicht mit Protonen gepackt, dass er kaum stabil ist und ständig Teilchen und Energie aussendet. Diese Instabilität treibt sowohl Kernreaktoren als auch Atomwaffen an und macht Uran zu einem der am stärksten regulierten Stoffe der Erde. Sein radioaktiver Zerfall erwärmt außerdem den Erdkern.
Uran wurde 1789 vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth entdeckt, als dieser Pechblendeerz aus den Joachimsthaler Bergwerken in Böhmen (heute Tschechische Republik) untersuchte. Klaproth, einer der Begründer der analytischen Chemie, isolierte einen Stoff, den er für ein neues Metall hielt, und nannte ihn nach dem kurz zuvor entdeckten Planeten Uranus „Uranium“.
Klaproths ursprüngliche Probe war tatsächlich Urandioxid und nicht reines metallisches Uran. Seine chemische Analyse identifizierte jedoch korrekt, dass sie ein zuvor unbekanntes Element enthielt. Er beschrieb den neuen Stoff als Substanz mit einzigartigen chemischen Eigenschaften, die ihn von bekannten Metallen unterschieden, konnte das reine Metall mit den Techniken des 18. Jahrhunderts jedoch nicht herstellen.
Reines metallisches Uran wurde erst 1841 vom französischen Chemiker Eugène-Melchior Péligot isoliert, der Uranetrachlorid mit Kalium reduzierte. Péligots Arbeit bestimmte die tatsächliche Atommasse des Urans und bestätigte es als eigenständiges Element, wobei einige Missverständnisse aus Klaproths ursprünglicher Analyse korrigiert wurden.
Die bedeutendste Eigenschaft des Urans wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt. Er stellte fest, dass Uranverbindungen spontan Strahlung aussendeten, die Fotoplatten belichten konnte. Diese Entdeckung der natürlichen Radioaktivität begründete die Gebiete der Kernphysik und Kernchemie und führte zur Entdeckung von Radium, Polonium und der Kernspaltung.
Die Entdeckung der Kernspaltung in Uran-235 durch Otto Hahn und Fritz Strassmann im Jahr 1938, interpretiert von Lise Meitner und Otto Frisch, revolutionierte Wissenschaft und Technik. Dieser Durchbruch führte sowohl zu Kernwaffen als auch zur Kernenergie und machte Uran zu einem der strategisch bedeutendsten Elemente der modernen Geschichte.
Die Entdeckung des Urans und die anschließende Forschung veränderten unser Verständnis von Atomstruktur, Energie und dem Universum grundlegend. Von Klaproths erster Identifizierung bis zum Atomzeitalter hat die Uranforschung zahlreiche Nobelpreise hervorgebracht und treibt weiterhin Fortschritte in der Kernwissenschaft, Energieerzeugung und Weltraumforschung voran.
Anwendungen
Uran ist der wichtigste Brennstoff für Kernkraftwerke weltweit und liefert etwa 10 % der weltweiten Stromerzeugung. Natürliches Uran enthält 0,7 % Uran-235, das spaltbare Isotop, das einer Kernspaltung unterliegt. Für die meisten Kernreaktoren muss Uran durch komplexe Verfahren unter Einsatz von Uranhexafluoridgas und Zentrifugenkaskaden auf eine Konzentration von 3–5 % U-235 angereichert werden.
Druckwasserreaktoren (DWR) und Siedewasserreaktoren (SWR) verwenden angereicherte Uranoxidpellets, die in Brennstäben aus einer Zirkoniumlegierung gestapelt sind. Fortschrittliche Reaktorkonzepte wie Canada-Deuterium-Uranium-Reaktoren (CANDU) können dank ihres Schwerwasser-Moderators natürliches Uran verwenden, während schnelle Brutreaktoren Uran-238 in Plutonium-239 umwandeln und damit die Uranbrennstoffvorräte effektiv um das 60-Fache verlängern können.
Abgebrannter Kernbrennstoff enthält erhebliche Mengen ungenutzten Uran-235 und neu gebildeten Plutonium-239. Durch die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoff können diese Materialien zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden, obwohl diese Praxis aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Weiterverbreitung von Kernwaffen je nach Land unterschiedlich gehandhabt wird. Frankreich, Japan und das Vereinigte Königreich betreiben große Wiederaufarbeitungsanlagen, während die USA abgebrannten Brennstoff derzeit für eine mögliche zukünftige Wiederaufarbeitung lagern.
Hochangereichertes Uran (>90 % U-235) wird in Kernwaffen und als Brennstoff für Schiffsreaktoren verwendet. Atom-U-Boote und Flugzeugträger verwenden waffenfähigen Uranbrennstoff, der ihnen jahrzehntelangen Betrieb ohne Nachtanken ermöglicht. Die besonderen Anforderungen militärischer Anwendungen führen zu getrennten Urananreicherungsprogrammen mit verstärkten Sicherheitsmaßnahmen.
Uran treibt Radioisotopen-Thermoelektrische-Generatoren (RTGs) für Weltraummissionen in großer Entfernung an, bei denen Solarenergie nicht ausreicht. Die Voyager-Sonden der NASA, Marsrover und Missionen zu den äußeren Planeten nutzen den radioaktiven Zerfall von Uran-238 zur langfristigen Energieerzeugung. Forschungsreaktoren weltweit verwenden Uranbrennstoff zur Herstellung medizinischer Isotope, für Materialforschung und zur Ausbildung von Kernwissenschaftlern.
Kernreaktoren mit Uranbrennstoff erzeugen wichtige medizinische Radioisotope, darunter Technetium-99m (das bei 80 % der nuklearmedizinischen Untersuchungen verwendet wird), Iod-131 zur Behandlung der Schilddrüse und Cobalt-60 für die Strahlentherapie von Krebs. Zu den industriellen Anwendungen gehören uranbetriebene Neutronenquellen für die Untersuchung von Erdölbohrungen, Frachtinspektionssysteme und Materialprüfungen.
Abgereichertes Uran (überwiegend U-238) wird für Strahlenschutz, Gegengewichte in Flugzeugen und spezielle Legierungen verwendet. Seine hohe Dichte (19,1 g/cm³) macht es für Anwendungen wertvoll, bei denen maximale Masse auf minimalem Raum erforderlich ist. Zu den militärischen Anwendungen gehören panzerbrechende Munition und Panzerungen, obwohl diese Verwendungen wegen gesundheitlicher Bedenken umstritten sind.
Zu den in Entwicklung befindlichen fortschrittlichen Nukleartechnologien gehören kleine modulare Reaktoren (SMRs), Thorium-Uran-Brennstoffkreisläufe und hybride Fusions-Fissions-Systeme. Diese Technologien sollen die Sicherheit verbessern, Abfälle reduzieren und die Rolle der Kernenergie bei der Bekämpfung des Klimawandels erweitern, während Uran seine zentrale Bedeutung für die Kernenergie behält.
Die wichtigste Verwendung von Uran ist sein Einsatz als Brennstoff für Kernreaktoren zur Stromerzeugung. Weltweit verbrauchen mehr als 440 Kernreaktoren jährlich etwa 65.000 Tonnen Uran und erzeugen dabei CO₂-freien Strom, der der Verbrennung von 2,5 Milliarden Tonnen Kohle entspricht. Länder wie Frankreich erzeugen 70 % ihres Stroms aus Kernenergie.
Atomgetriebene Schiffe verwenden hoch angereicherten Uranbrennstoff, der jahrzehntelangen Betrieb ohne Nachtanken ermöglicht. Die US Navy betreibt mehr als 80 Atom-U-Boote und 11 Flugzeugträger, während auch Russland, China, Frankreich und das Vereinigte Königreich nukleare Seestreitkräfte mit Uranreaktoren unterhalten.
Forschungsreaktoren mit Uranbrennstoff erzeugen medizinische Isotope für Krebsbehandlungen und diagnostische Bildgebung. Diese Reaktoren unterstützen außerdem die Materialforschung, die Neutronenaktivierungsanalyse und Untersuchungen der Kernphysik. Universitäten und nationale Laboratorien weltweit betreiben uranbetriebene Forschungsreaktoren für Ausbildung und wissenschaftliche Forschung.
Missionen in den tiefen Weltraum verwenden Radioisotopen-Energiequellen auf Uran-238-Basis, wenn Solarenergie nicht ausreicht. Diese Systeme haben Missionen zu Jupiter, Saturn, Pluto und darüber hinaus mit Energie versorgt und liefern in der rauen Umgebung des äußeren Weltraums jahrzehntelang zuverlässigen Strom.
Abgereichertes Uran dient als Gegengewicht in Flugzeugen, als Strahlenschutz in medizinischen Einrichtungen und für spezielle industrielle Anwendungen, die eine maximale Dichte erfordern. Seine einzigartigen Eigenschaften machen es trotz der Herausforderungen beim Umgang damit für bestimmte technische Anwendungen wertvoll.
Woher es stammt
2.7 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 60% of elements
Uran kommt in der Erdkruste natürlich in einer durchschnittlichen Konzentration von 2,7 Teilen pro Million vor und ist damit häufiger als Silber, Quecksilber oder Cadmium. Die größten Uranvorkommen befinden sich in Australien (28 % der weltweiten Reserven), Kasachstan (15 %), Kanada (9 %), Russland (8 %) und Niger (7 %). Diese fünf Länder kontrollieren mehr als zwei Drittel der weltweiten Uranressourcen.
Zu den wichtigsten Uranmineralen gehören Uraninit (Urandioxid, das wichtigste Erz vieler Lagerstätten), Pechblende (eine Varietät von Uraninit), Carnotit (ein Uran-Vanadium-Mineral) und Autunit (ein Uran-Phosphat-Mineral). Diese Minerale bilden sich in verschiedenen geologischen Umgebungen, von magmatischen Gesteinen bis zu Sedimentlagerstätten.
Beim Uranabbau kommen je nach den Eigenschaften der Lagerstätte mehrere Methoden zum Einsatz. Tagebau wird für oberflächennahe, hochgradige Lagerstätten wie jene im Norden Kanadas verwendet. Untertagebau erschließt tiefere Lagerstätten, während In-situ-Laugung (ISL) Uran aus durchlässigen Erzkörpern gewinnt, indem unterirdisch Laugungslösungen zirkulieren. Auf diese Methode entfallen mehr als 50 % der weltweiten Uranproduktion.
Uran kommt im Meerwasser mit 3,3 Teilen pro Milliarde vor. Das entspricht etwa 4,5 Milliarden Tonnen Uran – mehr als dem 1.000-Fachen der derzeit bekannten landgestützten Reserven. Japan und andere Länder entwickeln Technologien, um Uran mithilfe spezieller Adsorptionsmaterialien aus dem Meerwasser zu gewinnen, was möglicherweise eine nahezu unbegrenzte Uranversorgung ermöglichen könnte.
Natürliches Uran kommt weltweit in Boden, Gestein und Wasser in Hintergrundkonzentrationen vor. Kohle enthält 1–4 Teile Uran pro Million, und bei der Kohleverbrennung wird während des Normalbetriebs mehr Uran in die Umwelt freigesetzt als durch Kernkraftwerke. Für Düngemittel verwendete Phosphatgesteine können erhebliche Urankonzentrationen enthalten.
Die bekannten Uranressourcen belaufen sich bei den derzeitigen Marktpreisen auf etwa 8,1 Millionen Tonnen und reichen bei den aktuellen Verbrauchsraten für mehr als 130 Jahre. Wenn die Preise steigen, werden zusätzliche Ressourcen wirtschaftlich nutzbar, darunter ärmere Erze und unkonventionelle Quellen, wodurch sich die Vorräte möglicherweise um Jahrhunderte verlängern.
Handhabung
Uran ist radioaktiv. It has no stable isotope — every nucleus decays. Die Handhabung erfordert geeignete Abschirmung und eine Genehmigung.
GEFAHR: Uran ist sowohl radioaktiv als auch chemisch giftig. Alle Uranisotope sind radioaktiv; Uran-238 hat eine Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren. Alphastrahlung aus dem Uranzerfall kann Krebs und genetische Schäden verursachen, während die chemische Giftigkeit von Uran hauptsächlich die Nierenfunktion beeinträchtigt.
Uranstaub oder -partikel stellen eine erhebliche Gesundheitsgefahr dar, wenn sie eingeatmet oder verschluckt werden. Das Einatmen kann Lungenkrebs und Atemprobleme verursachen, während das Verschlucken zu Nierenschäden und möglicherweise zu Knochenkrebs führt, da sich Uran in den Knochen anreichert. Selbst kleine Mengen können langfristige gesundheitliche Folgen haben.
Der Umgang mit Uran erfordert strenge Sicherheitsprotokolle, darunter persönliche Schutzausrüstung, Strahlenüberwachung, Bereiche mit kontrolliertem Zugang und spezielle Belüftungssysteme. Beschäftigte müssen umfassend in Strahlenschutz geschult werden und sich regelmäßigen Gesundheitskontrollen einschließlich Urinanalysen und Ganzkörpermessungen unterziehen.
Uranabbau und -verarbeitung können eine Umweltkontamination verursachen, die langfristige Sanierungsmaßnahmen erfordert. Rückstände aus Uranmühlen bleiben Tausende von Jahren radioaktiv und müssen ordnungsgemäß eingeschlossen werden. Der Transport von Uran erfordert aufgrund radiologischer Bedenken und der Gefahr der Weiterverbreitung besondere Genehmigungen und Sicherheitsmaßnahmen.
Vorfälle mit Uranverunreinigung erfordern eine sofortige spezialisierte Reaktion durch geschulte radiologische Notfallteams. Dekontaminationsverfahren sind komplex und können medizinische Maßnahmen erfordern. Eine langfristige Gesundheitsüberwachung ist für alle Personen mit möglicher Uranexposition unerlässlich.
Schnelle Antworten
Uran (symbol U) is element 92 on the periodic table, a actinoid in period 7. The heaviest primordial element, and the one that split the twentieth century in two. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 5f³ 6d¹ 7s², giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 electrons respectively.Uran melts at 1405.3 K (1132.2 °C) and boils at 4404 K (4130.9 °C).
The standard atomic weight of Uran is 238.029 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Uran has a density of 19.1 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of uran is about 19.1× heavier.
Uran has a Pauling electronegativity of 1.38. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Uran was discovered in 1789 by Martin Heinrich Klaproth. It is named after the planet Uranus.
Uran makes up about 2.7 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.
Yes. Uran has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.