Das Element Uran

Philosophen im antiken Griechenland nahmen an, dass die Materie aus kleinsten, unteilbaren Teilchen besteht. Diese sogenannten Atome (von atomos = altgriechisch für unteilbar) wurden erst im 19. Jahrhundert zu einer, wenn auch noch umstrittenen wissenschaftlichen Hypothese. Erst 1938 realisierten Wissenschaftler, dass sich manche Atome sehr wohl spalten lassen. Und noch etwas entdeckten sie: Bei der Spaltung grosser Atome wird sehr viel Energie frei. Beim Uranatom kann der Spaltungsprozess so gesteuert werden, dass die auseinanderbrechenden Uranatome in einer Kettenreaktion immer weitere Uranatome spalten. Dieses Naturphänomen ist die physikalische Grundlage für die Wärme- und damit Stromproduktion in Kernkraftwerken.

Die Entdeckung von Uran

Element nach dem kurz zuvor entdeckten Planeten Uranus. Bereits im 19. Jahrhundert wurde Uran in Minen abgebaut und für das Färben von Glaswaren und Geschirr verwendet. 1896 entdeckte dann der französische Physiker Henri Becquerel, dass Uran radioaktiv ist – wie viele andere Stoffe auch –  und beim natürlichen Zerfall Strahlung abgibt. Die Einheit für die Aktivität eines radioaktiven Stoffs wurde deshalb Becquerel benannt. Mehr zum Thema Radioaktivität finden Sie hier.

Noch bis ins 20. Jahrhundert verwendete man Uran für Geschirrglasuren und das Färben von Glas. Die charakteristische Grünfärbung trägt den poetischen Namen «Annagrün».
Noch bis ins 20. Jahrhundert verwendete man Uran für Geschirrglasuren und das Färben von Glas. Die charakteristische Grünfärbung trägt den poetischen Namen «Annagrün».

Im Jahr 1938 erkannten die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann mithilfe der österreichisch-deutschen Physikerin Lise Meitner und deren Neffen Otto Frisch, dass Uran gezielt spaltbar ist. Es kann ohne grossen Energieaufwand in zwei oder mehr kleine Bruchstücke gespalten werden, wobei sehr viel Energie freigesetzt wird. Dieses neue Phänomen nannten Meitner und Frisch «Kernspaltung».

Entdecker der Kernspaltung: Lise Meitner und Otto Hahn in ihrem Labor im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin im Jahr 1913. (Bild: Archiv zur Geschichte der Max-Planck-Gesellschaft)
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Silbern glänzendes Schwermetall

Uran in reiner Form ist ein silbern glänzendes, weiches Schwermetall. Es ist das schwerste natürliche Element, das auf der Erde in grösseren Mengen vorkommt: Mit 18,97 Gramm pro Milliliter ist es rund 19 Mal schwerer respektive dichter als Wasser bei null Grad und fast doppelt so schwer wie Blei (11,3 g/ml). Innerhalb des Periodensystems der Elemente steht es an der Stelle 92. Sein Atomkern enthält demnach 92 positiv geladene Kernteilchen (Protonen). Umgeben ist der Kern von einer Hülle aus 92 negativ geladenen Elektronen.

Wie andere Schwermetalle – beispielsweise Blei – ist Uran giftig, wenn es vom Körper in grösseren Mengen aufgenommen wird. Doch auch hier gilt: Auf die Dosis kommt es an. Geringe Mengen sind für die Gesundheit von Mensch und Umwelt unbedenklich. Seit Urzeiten nehmen Menschen und Tiere radioaktive Substanzen wie Uran oder Kalium-40 über Nahrung und Trinkwasser auf. Deswegen sind wir alle leicht radioaktiv.

Ungefährliche Mengen: Auch Trinkwasser enthält öfters Spuren von natürlichem Uran, v.a. in alpinen Quellen, und ist sehr gut verträglich.
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Leicht und schwer spaltbares Uran

Der Atomkern des Urans enthält neben den 92 Protonen eine variable Zahl von elektrisch neutralen Teilchen, die Neutronen. Je nach der Anzahl von Neutronen im Kern entstehen unterschiedliche Arten von Uran, die man Isotope nennt. Einige sind eher stabil, andere leichter spaltbar und eignen sich so besser für die Spaltung und die kontrollierte Kettenreaktion im Kernreaktor.

Die Atomkerne der wichtigen in der Natur vorkommenden Uranisotope mit ihrer unterschiedlichen Zahl von Neutronen:

Uran-234 (92 Protonen + 142 Neutronen = 234 Kernteilchen)
Uran-235 (92 Protonen + 143 Neutronen = 235 Kernteilchen)
Uran-238 (92 Protonen + 146 Neutronen = 238 Kernteilchen)

Rund 99,3 Prozent des Natururans bestehen aus Uran-238, das schwer spaltbar ist. Uran-235 hat nur einen Anteil von rund 0,7 Prozent, ist aber leicht spaltbar und wird deshalb – in einer höheren Konzentration resp. Anreicherung – für den Betrieb der heutigen Kernkraftwerke genutzt. Von Uran-234 gibt es in der Natur nur geringe Spuren.

Uran-238 kann sich durch Neutroneneinfang in Uran-239 verwandeln, das rasch via Neptunium-239 in Plutonium-239 zerfällt. Deshalb enthält ausgedienter Brennstoff aus Kernkraftwerken einen geringen Anteil Plutonium. Auch Plutonium-239 lässt sich leicht spalten. Für die Energieerzeugung aus Uran-238 in grossem Massstab sind jedoch spezielle, sogenannte Brüterreaktoren nötig.

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Die Kernkraftwerke der Natur

Vor rund zwei Milliarden Jahren war die Zusammensetzung des Urans auf der Erde noch anders: Der Anteil des leicht spaltbaren Urans-235 war höher als heute. Das ermöglichte, dass sich stellenweise in reichem Uranerz selbsterhaltende Kettenreaktionen bilden konnten. So entstanden in der Region von Oklo in Gabun in Zentralafrika mehr als ein Dutzend natürlicher Kernreaktoren, die während Jahrtausenden Energie abgaben. Diese Naturreaktoren funktionierten nach dem gleichen Prinzip wie die heutigen Reaktoren.

Überreste eines natürlichen Kernreaktors in Oklo, Gabun (Bild US DOE)

Natürliches Uranerz aus Oklo ist viel stärker radioaktiv als reines Uran. Denn es ist voller Zerfalls- und Spaltprodukte von Uran (z.B. Plutonium, Radium, Radon, Strontium, Zirkonium, Barium oder Cäsium). Interessant ist die Feststellung, dass die als Überbleibsel der natürlichen Reaktoren in Oklo vor Jahrmillionen entstandenen, besonders langlebigen radioaktiven Stoffe (quasi die Abfälle des Naturreaktors) fest eingeschlossen blieben und nie in die Biosphäre gelangt sind. Dies, obwohl diese Abfälle weder in Behälter verpackt noch in ein aufwändig erstelltes Tiefenlager verbracht wurden. Die natürlich vorhandene Geologie bot genügenden Schutz für die Umwelt.

Auch das Erdinnere ist eine Art immenses Kernkraftwerk. Zahllose radioaktive Zerfälle setzen Energie frei und wirken quasi als Bodenheizung für den Planeten. Der grössere Teil der Erdwärme geht von radioaktivem Zerfall aus. Geothermie ist also auch eine Form von Kernenergie.

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Kontrollierte Kettenreaktion

Der Reaktor eines Kernkraftwerks ist so gebaut, dass die Kernspaltung nur unter genau festgelegten Bedingungen ablaufen kann:

Ein Atomkern von Uran-235 fängt ein Neutron ein. Durch das zusätzliche Neutron wird der Kern instabil und bricht auseinander. Dabei entstehen zwei, manchmal auch drei kleinere Atomkerne – die sogenannten Spaltprodukte. Gleichzeitig werden Energie und zwei bis drei Neutronen freigesetzt. Diese können ihrerseits von weiteren Uran-235-Atomen eingefangen werden, die sich dann ebenfalls spalten. Voraussetzung ist allerdings, dass die mit hoher Geschwindigkeit aus dem Urankern geschleuderten Neutronen vorher stark abgebremst werden. Denn praktisch können nur langsame, sogenannt moderierte Neutronen eine Spaltung auslösen.

In einem Kernkraftwerk wird diese Kettenreaktion kontrolliert gesteuert: Wenn der Reaktor mit konstanter Leistung läuft, löst nach jeder Spaltung genau ein Neutron wieder eine neue Spaltung aus. Die überzähligen Neutronen werden von anderen Atomen eingefangen oder verlassen den Kernbrennstoff.

Die Kernspaltung

In den Leichtwasserreaktoren, wie sie die Schweiz einsetzt, bremst das Wasser im Reaktor die Neutronen und dient so der Aufrechterhaltung der Kettenreaktion. Das Wasser ist also Moderator und Kühlmittel zugleich. Fehlt das Wasser oder wird es zu heiss, sodass zu viele Dampfblasen entstehen, bleiben die Neutronen zu schnell und können keine weiteren Kernspaltungen auslösen. Die Kettenreaktion wird unterbrochen, die Energieabgabe des Reaktors geht zurück. Dies ist ein ganz wichtiges Sicherheitsmerkmal von Leichtwasserreaktoren.

Ganz abgeschaltet wird der Reaktor durch das Einfahren der Steuerstäbe, die freie Neutronen absorbieren. Allerdings muss die Nachzerfallswärme, die durch spontanen Zerfall der Spaltprodukte weiter entsteht, noch über Jahre abgeführt werden. Dies bedeutet, dass die Kühlung des Kernbrennstoffs jederzeit sichergestellt werden muss, um zu verhindern, dass der Reaktorkern nach dem Abschalten Schaden nimmt.