Uran (benannt nach dem Planeten Uranus) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol U und der Ordnungszahl 92. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Uran ist ein Metall, dessen sämtliche Isotope radioaktiv sind. Natürlich in Mineralen auftretendes Uran besteht zu etwa 99,3 % aus dem Isotop 238U und zu 0,7 % aus 235U.
Eine besondere Bedeutung erhielt Uran nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahre 1938. Das Uranisotop 235U ist durch thermische Neutronen spaltbar und damit – neben dem äußerst seltenen, aber aus Uran erzeugbaren Plutonium-Isotop 239Pu – das einzige natürlich vorkommende Nuklid, mit dem eine selbsterhaltende Kernspaltungs-Kettenreaktion möglich ist. Daher findet es Verwendung als Primärenergieträger in Kernkraftwerken und Kernwaffen.
Geschichte mini|links|Fundort der Erzstufe von 1789 aus Pechblende bei Johanngeorgenstadt
Uran wurde 1789 von dem deutschen, damals in Berlin lebenden, Chemieprofessor und Apotheker Martin Heinrich Klaproth aus dem Mineral Pechblende isoliert. Klaproth selbst benannte es nach dem Planeten Uranus (und somit nach dem griechischen Himmelsgott Uranos), der acht Jahre zuvor (1781) von Friedrich Wilhelm Herschel entdeckt worden war. Am 24. September 1789 gab Klaproth die Entdeckung in einer Ansprache vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften bekannt. Zuerst wurde seine Entdeckung Uranit genannt, 1790 dann in Uranium umbenannt. Klaproth hatte seine Entdeckung bei der Analyse des Erzes aus dem Bergwerk „Georg Wagsfort“ in Wittigsthal bei Johanngeorgenstadt in Sachsen gemacht. Er behandelte das Erz mit Säure und erwärmte es stark. Das Ergebnis bestand in einem schwarzen Pulver, welches er Uran nannte.
Klaproth hatte tatsächlich ein neues Element identifiziert, aber was er gewonnen hatte, war nicht das Element Uran selbst, sondern ein Oxid. Erst fünfzig Jahre später im Jahre 1841 gelang es dem Franzosen Eugène Peligot, reines Uranmetall zu gewinnen. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde Uran zusammen mit anderen Mineralien in St. Joachimsthal sowie in einigen Minen in Cornwall (England) gewonnen.
mini|links|Tortenplatte mit Fuß, teilweise aus gelbgrünem Uranglas.
Uranverbindungen wurden im ganzen 19. Jahrhundert zum Färben von Glas und Keramik verwendet, um Vasen und Dekorationsstücken, aber auch alltäglichen Gebrauchsgegenständen wie Schüsseln, Gläsern eine gelbgrüne Farbe („annagrün“) zu geben. Glashersteller in Joachimsthal (Böhmen) benutzten diese Technik bereits 1826. Noch bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts wurde Uran zur Glasfärbung genutzt, erst dann wurde es durch andere, weniger bedenkliche farbgebende Mineralien ersetzt. Uranhaltige keramische Glasuren von Orange bis leuchtend Rot wurden für Geschirr bis hin zu architektonischem Beiwerk verwendet. Diese in den USA aufgrund des Namens eines Herstellers „Fiestaware“ genannte Keramik gehört wohl (neben Americium-Rauchmeldern) zu den radioaktivsten Gegenständen, welche noch immer in vielen amerikanischen Haushalten zu finden sind.
In der Photographie diente bis weit ins 20. Jahrhundert Uranylnitrat zur Braun- und Rottonung von Diapositivplatten, Platinbildern und Bromsilberbildern.Fritz Schmidt: Kompendium der praktischen Photographie. 10., wesentlich verbesserte Auflage. Leipzig 1906. Urannitrat S. 191, Urantonung S. 268, 291, 339.
Dass Uran radioaktiv ist, wurde 1896 zuerst von Antoine Henri Becquerel festgestellt.
Uran galt lange als das Element mit der höchsten Ordnungszahl, das natürlich vorkommt. Im Jahr 1971 wurden jedoch winzigste Spuren des Plutoniumisotops 244Pu nachgewiesen, weshalb Plutonium (Z = 94) Uran als natürliches Element mit der höchsten Ordnungszahl ablöste.D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature. Band 234, 1971, S. 132–134 (doi:10.1038/234132a0).
Vorkommen mini|links|Uranerz (Pechblende)
Uran kommt nicht gediegen in der Natur vor, sondern stets in sauerstoffhaltigen Mineralen. Bedeutende Uranminerale sind unter anderem Brannerit und Uraninit (Oxide), Torbernit, Heinrichit und Carnotit (Phosphate, Arsenate und Vanadate) sowie Coffinit und Uranophan (Silikate). Es gibt insgesamt rund 230 Uranminerale, die lokal ebenfalls von wirtschaftlicher Bedeutung sein können. In sedimentären Lagerstätten können sich auch Pseudomorphosen von Uranmineralen (meist Uraninit in Form von Pechblende) nach fossilem Holz oder Bakterien bilden.Helmut Tonndorf: Metallogenie des Urans im ostdeutschen Zechstein – Ein Beitrag zum Nachweis und zur Charakteristik stofflicher Umverteilungs- und Anreicherungsprozesse. (= Abhandlungen der sächsischen Akademie der Wissenschaften zu Leipzig, Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse. Band 58, Heft 3). Akademie Verlag, Berlin 1994, ISBN 3-05-501621-1.
Die beiden entscheidenden Faktoren für die Verteilung des radioaktiven Elements Uran auf der Erde sind zum einen der lithophile Charakter des Elements sowie seine unterschiedliche Mobilität in wässrigen Lösungen unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen. Der lithophile Charakter sorgt dafür, dass Uran sich in silikatreichen Schmelzen anreichert. Daher enthalten in der Regel felsische Magmatite wie Granit als Plutonit oder Rhyolith als Vulkanit die höchsten Konzentrationen dieses Elements. Die kontinentale Kruste ist der Bereich der Erde mit den höchsten Urangehalten von durchschnittlich 2,5 ppm, während die ozeanische Kruste und der Erdmantel um Größenordnungen geringere Urangehalte aufweisen. In magmatischen Gesteinen wird Uran meist in akzessorische Minerale wie Zirkon oder Monazit eingebaut, mit welchen man daher sehr gut das Alter der Gesteine datieren kann.
Die unterschiedliche Löslichkeit von Uran unter oxidierenden oder reduzierenden Bedingungen in Lösungen ist der zweite entscheidende Faktor für die Verteilung des Elements und spielt für die Bildung von Uranlagerstätten eine große Rolle. Unter oxidierenden Bedingungen (UO22+) ist Uran in wässrigen Lösungen relativ mobil, während es unter reduzierenden Bedingungen (U4+) schwer löslich ist. Daher sind Redoxgrenzen oftmals lagerstättenkontrollierende Faktoren für das Element.
Ausgehend von oben genannten Faktoren und einigen weiteren gibt es eine große Spannbreite von Uranlagerstätten von magmatischen hydrothermalen bis zu sedimentären Typen. Wichtige Einzeltypen werden von der IAEO unterschieden.
Die höchsten Urangehalte werden in diskordanzgebundenen Lagerstätten mit durchschnittlichen Urangehalten von 0,3 bis 20 % erreicht. Diese stellen derzeit auch die beiden größten Uranproduzenten. Die größte Einzeluranressource der Erde ist Olympic Dam mit einem nachgewiesenen Uraninhalt von über 2 Millionen Tonnen bei durchschnittlichen Urangehalten von etwa 0,03 %.K. Ehrig, BHP Billiton. Präsentation auf der South Australia Explorers Conference, Adelaide 2008. Das erste Uranbergwerk der Welt im industriellen Maßstab in Jáchymov (Tschechische Republik) produzierte aus hydrothermalen Gängen.Verschiedene Autoren: Uranbergbau im Erzgebirge und Kalter Krieg. Ausgewählte Beiträge des RADIZ-Workshops vom 10. und 11. Oktober 1997 in Schlema, RADIZ-Information 16/1998, RADIZ e. V., Schlema.
Eine Besonderheit stellen die Naturreaktoren von Oklo in Gabun sowie eine benachbarte Uranlagerstätte dar: Von ihnen ist bekannt, dass dort vor etwa 1,5 bis 2 Milliarden Jahren über Jahrtausende Kettenreaktionen in natürlichem Umfeld auftraten, im Zuge derer auch Plutonium-Isotope entstanden. Dies sind weltweit die einzigen Lagerstätten, in welchen das Isotopenverhältnis von Uran-235 zu Uran-238 von den oben angegebenen Daten abweicht, da der Reaktor die Differenz „verbraucht“ hat. Dies wurde entdeckt, als bei der Urananreicherung in Frankreich – trotz der verhältnismäßig kleinen Abweichung – Material für mehrere Atombomben „fehlte“ und deshalb – nicht zuletzt aus Angst vor Proliferation – ermittelt werden musste, wie es dazu kommen konnte. Der Nachweis ungewöhnlicher Isotopenverhältnisse typischer stabiler Spaltprodukte, der nicht anders als durch deren Produktion durch Kernspaltung zu erklären war, lieferte dann den endgültigen Beweis.
Im normalen Boden kommt Uran als Spurenelement vor. Die US-amerikanische Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) schätzt, dass sich in den obersten 33 cm Erdboden einer Fläche von einer Quadratmeile Land im Mittel ca. 4 Tonnen Uran befinden, also etwa 1,5 Tonnen pro Quadratkilometer.
In Komplexen gebundenes Uran ist auch ein ubiquitäres Element in der Hydrosphäre. Die Urankonzentration in Meerwasser beträgt ca. 3,3 μg/l gegenüber den zum Teil deutlich geringeren Konzentrationen in den Flüssen (0,03 μg/l im Amazonas bis 3,9 μg/l im Ganges). Dies zeigt, dass Uran – wie alle wasserlöslichen Substanzen – im Meerwasser angereichert wird. Im Meerwasser befindet sich Uran im Gleichgewicht mit der Konzentration in der ozeanischen Kruste, weshalb dessen Entnahme dazu führen würde, dass entsprechende Mengen im Meerwasser gelöst werden, bis sich wieder ein Gleichgewicht bildet. Ähnlich wie bei Vorschlägen Gold aus Meerwasser zu gewinnen, ist jedoch – trotz der weitaus größeren Mengen Uran im Meerwasser im Vergleich zu jener in bekannten Lagerstätten – aufgrund der sehr geringen Konzentration derzeit eine Gewinnung nicht wirtschaftlich. Deutsche Flüsse weisen in der Regel Urankonzentrationen zwischen ca. 1 und 3 μg/l auf. Die Quelle für das Uran liegt in dem geogenen Aufbau der durch die Flüsse entwässerten Gebiete, z. B. können Oberflächenwässer aus Mooren höhere Urankonzentrationen enthalten, und ist somit natürlichen Ursprungs. Lediglich in Ausnahmefällen sind die Urangehalte in Flüssen auf menschlichen Einfluss bspw. die Nutzung uranhaltiger Phosphatdünger und den Uranbergbau (Zwickauer Mulde: ca. 10 μg/l) zurückzuführen. Uran findet sich in Deutschland im unbeeinflussten Grundwasser in Konzentrationen von unter 1 bis über 100 μg/l. Die regelmäßige Einnahme von Trinkwasser mit erhöhten Urangehalten kann – aufgrund der chemischen Giftigkeit des Schwermetalls Uran – zum Auftreten von Nierenkrebs führen. Aus diesem Grund empfiehlt die Weltgesundheitsbehörde (WHO) für Trinkwasser einen Grenzwert von 30 μg/l.Broder Merkel, Britta Planer-Friedrich, Christian Wolkersdorfer (Hrsg.): Uranium in the Aquatic Environment. Springer-Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-43927-7.
Die größten Uranerzreserven liegen nach Angaben der Nuclear Energy Agency (NEA) in den USA, Niger, Australien, Kasachstan, Namibia, Südafrika, Kanada, Brasilien, Russland, Ukraine und Usbekistan. Ehemals bedeutende Lagerstätten im Erzgebirge waren schon zu Zeiten der SDAG Wismut nicht zu Weltmarktpreisen zu gewinnen und sind heute wirtschaftlich nicht mehr interessant.
Uran ist in Spuren auch in Stein- und Braunkohle enthalten. Die weltweit jährlich für die Stromerzeugung verwendete Kohle enthält unter anderem etwa 10.000 t Uran und 25.000 t Thorium, die entweder in die Umwelt gelangen oder sich in Kraftwerksasche und Filterstäuben anreichern. Vereinzelt gibt es daher schon Bestrebungen, Uran aus Kraftwerksasche zu gewinnen. Da trotz Filtern eine gewisse Menge dieser Asche in die Umwelt gelangt, ist die messbare Erhöhung der Radioaktivität im Umfeld von Kohlekraftwerken im Normalbetrieb sogar höher als jene im Umfeld von Kernkraftwerken (wobei hierbei natürlich Störfälle und über das übliche Maß hinausgehende Leckagen nicht berücksichtigt sind).