Uran

Uran ist ein wichtiger Rohstoff in unserem Leben. Meist unter Nutzung der Kernspaltung wird Uran angewendet in der Medizin, Industrie und Forschung. Hauptanwendung aber ist die Stromerzeugung. Wegen seiner globalen Verfügbarkeit und der guten Lagerfähigkeit ist die weltweite Uranversorgung für eine lange Zeit gesichert.

 
 

Medizin

Uran Medizin

Diagnose und Heilung von Tumoren

Im Forschungsreaktor FRM II des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ) in Garching bei München wird mit Hilfe von Neutronenstrahlung das in der Medizin oft eingesetzte Technetium hergestellt. Eine stoffliche Rolle kommt Uran in der Erzeugungskette des Isotops Technetium-99m (Tc-99m) zu, das durch den Zerfall von Molybdän-99 entsteht. Dieses Isotop wird in der Nuklearmedizin am häufigsten für die Diagnostik und zur Krebsbehandlung verwendet. Denn es hat eine sehr geringe Halbwertzeit von sechs Stunden und die geringe Strahlenintensität minimiert die Strahlenbelastung für Patienten. Durch diese kurze Halbwertszeit kann das in der Medizin meist genutzte Radioisotop nicht gelagert werden. Die gesamte Produktionskette muss deshalb zügig und gut aufeinander abgestimmt ablaufen, um die Krankenhäuser rechtzeitig mit der notwendigen Menge an Tc-99m zu beliefern. Etwa 30 Millionen Untersuchungen gibt es weltweit im Jahr.1 Allein in Deutschland 60.000 pro Woche2, das entspricht etwa einem Zehntel des weltweiten Bedarfs. Angewendet wird es zur Untersuchung der Schilddrüse oder zur Diagnose von Erkrankungen an Lunge, Herz, Leber, Galle und dem Skelett. In einem Neubau am Forschungsreaktor FRM II soll künftig die Hälfte des europäischen Bedarfs an Technetium-99m in Garching produziert werden.

Lebensmittel

Lebensmittel

3.000 neue Pflanzen-Sorten

Mit Hilfe von Gammastrahlung werden heute neue Pflanzenarten gezüchtet, um dem Bevölkerungswachstum zu begegnen, zum Beispiel neue Reissorten.3 Bangladesch etwa konnte in den letzten Jahrzehnten seine Reisproduktion um das dreifache erhöhen. Binadhan-7 ist eine von verschiedenen Reis-Variationen – entwickelt von den Wissenschaftlern des Bangladesh Institute for Nuclear Agriculture (BINA), mit Unterstützung der International Atomic Energy Agency (IAEA) und der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen. Wie viele andere neue Reissorten wurde Binadhan-7 entwickelt durch das Verfahren „Plant Mutation Breeding“. Dabei dient radioaktive Strahlung als Katalysator eines natürlichen Mutationsprozesses von Pflanzensamen. Weltweit wurden schon über 3.000 Pflanzen-Sorten durch Plant Mutation Breeding gezüchtet.

Gegen Bakterien und Schimmelpilze

Strahlung, die mittelbar durch die Verwendung von Uran erzeugt wird, wird in modernen Industriegesellschaften auch für die Sterilisation genutzt. Denn diese energiereiche Teilchenstrahlung beseitigt gesundheitsschädliche Mikroorganismen, ohne das dabei Radioaktivität entsteht. Die Bestrahlung erhöht zudem die Haltbarkeit. In Deutschland beispielsweise werden so getrocknete Gewürze behandelt. Denn Gewürze und in freier Natur gewachsene Kräuter können Bakterien und Schimmelpilze enthalten. Bei Sterilisation mit Heißdampf leiden Vitamingehalt, Farben und Aromastoffe. Bei der Sterilisierung durch Bestrahlung bleiben Vitamine und Aromen erhalten. Auch Verpackungen werden sterilisiert, damit später in die Lebensmittel keine Krankheitskeime gelangen. Leere Joghurtbecher etwa kommen in eine Sterilisationsanlage. Nicht jeder Becher einzeln: Ionisierende Strahlung wirkt durch viele Materialschichten hindurch. So können ganze Paletten mit Joghurtbechern gleichzeitig sterilisiert werden.

Neutronenforschung

Neutronenforschung

Neutronen: In Flugzeugwände hineinschauen

Anders als in einem Kernkraftwerk sind in der Neutronenforschung die überschüssigen Neutronen der Kernspaltung aus Uran das erstrebte Produkt, die Wärme ein unerwünschtes Nebenprodukt. Neutronen sind kleine, elektrisch neutrale Teilchen. Sie dringen tief in Materialen ein. Forscher können dadurch sowohl Materialen untersuchen, als auch deren Molekularstruktur ändern. In der Materialforschung untersuchen Forscher zum Beispiel Turbinen, Automotoren oder Flugzeugwände. Hier geht es unter anderem um den Einfluss von extremer Belastung, wie Temperatur, Druck oder Spannung. Ziel ist es, Beschädigungen zu entdecken und Materialien zu entwickeln, die strapazierfähiger, leichter und kostengünstiger sind.

Uran als Katalysator

In Erforschung befindet sich derzeit ein Verfahren, in dem abgereichertes Uran als chemischer Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Strom genutzt wird. Urankatalysatoren könnten auch die Nutzung von Kohlendioxid und Stickstoff als Rohstoffe verbessern. Ein Beispiel ist die Umwandlung von Kohlendioxid in die Energieträger Ethanol oder Methanol. Kohlendioxid ist ein Treibhausgas und fällt bei der Energiegewinnung, als Abgas im Verkehr oder in der Stahl- und Zementindustrie an. Die chemische Umwandlung von Kohlendioxid ist ein sehr energieaufwendiges Verfahren. Die Umwandlung mit Uran verringert diesen Energiebedarf. Auch die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff wäre mit Hilfe von Urankatalysatoren möglich. Denn etwa 1,4 Prozent des globalen Energieaufwands wird zurzeit allein für die Herstellung von Ammoniak verbraucht. Ammoniak ist eine Grundchemikalie und wird zum Beispiel in Dünger verwendet.

 

Energiegewinnung

Wärme aus Uran

Die weltweit bedeutendste Anwendung von Uran ist der Einsatz in Kernkraftwerken zur Stromerzeugung. Durch Kernspaltung und Kettenreaktion wird Energie erzeugt. In einem Kernkraftwerk ist dabei die Wärme das erwünschte Hauptprodukt. Ein klassischer Dampfkraftprozess über Dampfturbine und Generator erzeugt dann den Strom. Uran ist kein fossiler Brennstoff, deshalb fällt bei seinem Einsatz praktisch kein CO2 an. In diesem Punkt gleicht Uran der Wasserkraft. Der Anteil des Brennstoffs Uran an den Kosten der Stromerzeugung aus Kernenergie ist verhältnismäßig niedrig und liegt im internationalen Durchschnitt zwischen 10 und 15 Prozent. Im Dezember 2016 waren in 31 Ländern 450 Kernkraftwerke in Betrieb und in 15 Ländern 58 Kernkraftwerke in Bau. Ende 2016 waren in der Europäischen Union (EU-28) 129 Kernkraftwerke in Betrieb.

Kernreaktoren in der Natur

Interessant ist, dass die Kernspaltung und Kettenreaktion nicht nur von Menschen initiiert werden kann. Es gab auch Naturreaktoren: Uranlagerstätten, in denen Kernspaltung und Kettenreaktion aufgrund einer natürlichen Urankonzentration entstanden. In Oklo, Gabun (Zentralafrika), waren vor 1,5 bis 2 Milliarden Jahren 14 Naturreaktoren aktiv – und das für ca. 500.000 Jahre. Hier wurde in etwa so viel Wärmeenergie erzeugt, wie ein durchschnittliches Kernkraftwerk in vier Jahren produziert.

Vorkommen

Uraninit
Uraninit

Uran für Jahrtausende

Uran kommt in der Natur nicht in einer Reinform vor. Uran gibt es nur in Mineralien. Es sind etwa 230 dieser sogenannten Uranmineralien bekannt. In Spuren ist Uran nicht nur überall im Boden zu finden, sondern auch in den Weltmeeren. Der durchschnittliche Gehalt liegt in der kontinentalen Erdkruste bei etwa drei Gramm pro Tonne. Damit ist Uran etwa so häufig wie Zinn. Durch geologische Prozesse haben sich auf allen Kontinenten und in vielen Ländern Erze mit erhöhten Konzentrationen von Uran gebildet, sodass sich eine wirtschaftliche Nutzung lohnt. Heute werden Erze wirtschaftlich genutzt, die einen Urangehalt von mindestens 0,1 bis 0,5 Prozent haben. Den höchsten Gehalt an Uran weist das Mineral Uraninit auf, auch bekannt als „Pechblende“. Es hat einen Urananteil von bis zu 20 Prozent. Da Uran an vielen Stellen auf der Welt zu finden ist, ist die Versorgungssicherheit bei Uran höher als bei anderen strategisch wichtigen Rohstoffen. Der weltweite Uranbedarf betrug 2015 rund 56.600 Tonnen. Die weltweiten Uranressourcen sind für viele Jahrzehnte ausreichend, um die Versorgung der Kernkraftwerke zu sichern – auch falls die Zahl der Kernkraftwerke weltweit deutlich wächst.

Produktion und Lagerstätten von Uran 
Produktion und Lagerstätten von Uran

Ressourcen

Im „Red Book“, das von der Nuclear Energy Agency (NEA) der OECD und der IAEA gemeinsam herausgegeben wird, sind die gesamten Uranressourcen mit rund 15 Millionen Tonnen Uran (tU) angegeben. Die heute bekannten und mit aktueller Technik zu maximal 130 $ pro Kilogramm Uran (kg U) förderbaren Ressourcen sind rund 5,7 Millionen tU. Bei Berücksichtigung der In-situ-Fördermethode erweitern sich die Ressourcen auf 7,4 Millionen tU. Durch kontinuierliche Uransuche werden neue Lagerstätten gefunden. Zudem bestehen weitere Ressourcen, zum Beispiel geschätzt rund neun Millionen tU in Phosphatvorkommen oder mehrere Millionen tU in Schwarzschiefer. Etwa vier Milliarden Tonnen Uran sind im Meerwasser gelöst. Allein die gesamten konventionellen Ressourcen würden den globalen Uranbedarf für mehr als 200 Jahre decken.

Förderung

Tagebau 
Tagebau

Grubenbewetterung, Abraumhalden, Absetzbecken

Beim Uranbergbau kommen dieselben Techniken zum Einsatz wie beim Abbau anderer Mineralien: Tagebau oder untertägiger Abbau. In vielen Bergwerken wird Uran nicht als Haupt-, sondern als Nebenprodukt gewonnen – im australischen Kupferbergwerk Olympic Dam neben Gold und Silber. Da Uran radioaktiv ist, gelten beim Uranbergbau für die Bergleute dieselben Grenzwerte wie für das Personal von Kernkraftwerken. Von der Abluft der Grubenbewetterung, den Abraumhalden und den Absetzbecken für die Schlämme aus der Erzaufbereitung dürfen keine unzulässigen Mengen radioaktiver Stoffe in Luft und Gewässer gelangen. Grubenabwässer werden auf Radioaktivität und den Gehalt giftiger Schwermetalle kontrolliert und gereinigt.

Den Erzkörper anbohren

Ein Verfahren zur Uranförderung verbreitet sich mehr und mehr: die In-situ-Lösung (englisch: in situ leaching). Dabei wird das Erz nicht abgebaut, ondern in den Erzkörper werden Bohrungen eingebracht und ein Lösungsmittel – meist verdünnte Schwefelsäure – hineingepumpt. Es löst das Uran im Erzkörper auf und die sich so bildende uranhaltige Lösung wird durch andere  Bohrungen wieder aus der Lagerstätte herausgepumpt. Inzwischen wird rund die Hälfte der weltweiten Uranproduktion nach dem in-situ-Lösungsverfahren gewonnen. Dieses Verfahren ist umweltfreundlicher und wirtschaftlicher als die konventionelle Förderung und ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Vorkommen. Eingriffe in die Natur werden minimiert, der Abraum erheblich verringert und nicht gewollte, mitunter giftige und in der Tiefe zu findende Stoffe werden nicht gefördert.

EXKURS: URAN FÜR DIE UDSSR

Verarbeitung

Yellow Cake 
Yellow Cake

Yellow Cake

Bergmännisch gewonnenes Uran wird zuerst in einer Aufbereitungsanlage gebrochen und gemahlen. Säuren oder Laugen lösen das Uran aus dem Erz. Das Endprodukt der Aufbereitung ist bei allen Abbauverfahren ein Uranerzkonzentrat, das zu 70 bis 90 Prozent aus einem gelben Pulver besteht. Es wird als „yellow cake“ bezeichnet.

Standorte der Uranverarbeitung in Europ 
Standorte der Uranverarbeitung in Europ

Stahlfässer und Stahlzylinder

Für die meisten Anwendungen muss „yellow cake“ weiter verarbeitet werden. Der Prozess zur Umwandlung von Uranerzkonzentrat (U3O8) in Uranhexafluorid (UF6) wird als Konversion bezeichnet. Weltweit gibt es fünf große Konversionsanlagen, je eine in Kanada, den USA, Frankreich, Russland und China – und eine kleine Anlage in Brasilien. Zusammen verfügen sie über eine Jahreskapazität von 60.100 t Uran und können damit den weltweiten Bedarf decken. Urankonzentrat „yellow cake“ wird in normalen Stahlfässern  angeliefert. Uranhexafluorid dagegen ist hoch korrosiv und bildet in feuchter Luft giftige, ätzende Verbindungen. Es wird daher in genormten, speziell hierfür konzipierten dickwandigen Stahlzylindern transportiert und gelagert.

Von Tabletten zum Brennstab 
Von Tabletten zum Brennstab
Schema der Urananreicherung 
Schema der Urananreicherung

Was heißt „Uran anreichern“?

Uran wird in einer Anreicherungsanlage „angereichert“. Anreicherung bedeutet, dass im Uran der Anteil des spaltbaren Isotops Uran-235 auf drei bis fünf Prozent angehoben wird. Denn Natururan besteht aus verschiedenen Uran-Isotopen und der Anteil von  Uran-235 beträgt nur etwa 0,7 Prozent. Eine Erhöhung ist erforderlich, um in Leichtwasserreaktoren eine Kettenreaktion zu erreichen  und den Kernbrennstoff mehrere Jahre lang zu nutzen. Basisvorgang des Anreicherungsprozesses ist folgender: Ein  Gasstrom aus Natururan wird in eine Zentrifuge geleitet und durch die Zentrifugalkraft in zwei Teilströme geteilt. Dem einen Strom  wird das spaltbare Uran-235 weitgehend entzogen (Abreicherung). Der andere Teilstrom wird mit diesen Teilchen angereichert. Das  abgereicherte Uran ist kein Abfall sondern ein Wertstoff und kann unter anderem in spezifischen Reaktoren verwendet werden oder als Ballastmaterial zum Beispiel in Schiffskielen.

Uran-Tabletten

Das angereicherte Uran (UF6) wird zu Urandioxid (UO2) umgewandelt und das UO2-Pulver zu zylindrischen Tabletten gepresst. Diese werden in Brennstäbe aus der Metalllegierung Zirkaloy gefüllt. Die Brennstäbe werden zugeschweißt und zu Brennstabbündeln (Brennelementen) zusammengefügt. Brennelemente sind keine Produkte „von der Stange“. Sie sind „maßgeschneidert“ für den Reaktor, in dem sie eingesetzt werden sollen. Entsprechend der geplanten Betriebsweise des Reaktors gibt der Betreiber den Anreicherungsgrad des Kernbrennstoffs vor. Natururan wie auch angereichertes Uran sind in allen Verarbeitungsstufen und Formen in der Versorgungskette nur schwach radioaktiv. Daher besteht bei Transport und Lagerung kein besonderes Gefahrenpotenzial hinsichtlich einer Strahlenbelastung.

Recycling und Entsorgung

Erkundung 
Erkundung

Die zwei Wege des Urans

Wie die meisten Rohstoffe muss Uran nach seiner Anwendung entsorgt werden. Grundsätzlich gibt es zwei Wege:

• Wiederaufarbeitung des Kernbrennstoffs mit Rückgewinnung und Rezyklierung von Uran und des entstandenen Plutoniums

• Endlagerung der abgebrannten Brennelemente ohne Wiederaufarbeitung

Auf die Wiederaufarbeitung haben sich etwa Frankreich, Großbritannien und Japan festgelegt. Viele Länder haben sich für die direkte Endlagerung entschieden. In Deutschland war bis 1994 die Wiederaufarbeitung vorgeschrieben, seit 2005 ist nur die direkte Endlagerung zulässig.

Die Tiefenlager

Es ist internationaler Konsens, dass die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle und abgebrannter Brennelemente am besten in einem Tiefenlager in einer geeigneten geologischen Formation erfolgt. Dafür kommen zum Beispiel Granit, Ton oder Steinsalz in Frage. Die  Tiefenlagerung soll auf Dauer wirksam gegen unbeabsichtigte Freisetzung radioaktiver Stoffe schützen und vor unbefugtem Zugriff.  In Deutschland ist im Jahr 2017 gesetzlich ein Neubeginn der Suche nach einem geeigneten Endlagerstandort beschlossen worden.

EXKURS: TRANSMUTATION

Ein eher exotisches Verfahren ist die Erzeugung des Isotops Plutonium-238 in Kernreaktoren in mehreren Schritten aus Uran-235 für die Raumfahrt. Das Plutonium-238 dient dabei als Wärmequelle für eine Radionuklidbatterie. Solche Batterien sichern die Energieversorgung von Raumsonden, so für die Voyager-Sonden, Cassini und Galileo. In den Raumsonden der Voyagers sind die Batterien seit etwa 40 Jahren in Betrieb und noch zu über 50 Prozent leistungsfähig.


EXKURS: KUNSTSTOFFFÄDEN INS MEER HÄNGEN

Die Uranvorkommen im Meer könnten den globalen Bedarf für mehrere Jahrtausende decken. Die geringe Konzentration von nur 3,3 Milligramm Uran pro Kubikmeter Meerwasser erschwert die Gewinnung. 1990 entwickelten japanische Forscher Absorber auf Kunststoffbasis, die ins Meer gehängt werden. 1999 konnten zwei Gramm pro Kilogramm Kunststoffschnur gewonnen werden, indem diese für 60 Tage in eine Meeresströmung verbracht wurden. 2016 konnten US-Forscher diesen Wert auf sechs Gramm Uran pro Kilogramm Absorber bei nur 56 Tagen im Meer steigern. Mit unter Strom gesetzten, leitenden Kunststofffasern fand die Absorption noch dreimal schneller statt.

ENTDECKUNG

Das Element Uran wurde 1789 vom deutschen Chemieprofessor und Apotheker Martin Heinrich Klaproth bei der Analyse von Erz aus einem sächsischen Bergwerk entdeckt und ist bis heute ein wichtiger Rohstoff. Durch Experimente mit Uran entdeckte der Franzose Antoine-Henri Becquerel im Jahr 1896 die Radioaktivität. Anfangs noch neben anderen Schwermetallen als Färbemittel von Glas und Keramik eingesetzt, öffneten Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner durch die Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 die Tür zur Nutzung von Uran als Energiequelle.

EXKURS: URAN FÜR DIE UDSSR

In der Sowjetischen Besatzungszone in Deutschland seit 1946 beziehungsweise später in der DDR fand im Dienst des sowjetischen Atomprogramms intensiver Uranbergbau statt. Die DDR war bis zur Wiedervereinigung weltweit der viertgrößte Uranproduzent – nach UdSSR, USA und Kanada. Die gesamte DDR-Produktion wurde an die UdSSR geliefert. Die Arbeitskräfte wurden anfangs zwangsrekrutiert und der Gesundheitsschutz wenig beachtet. Erst später warb man Arbeitskräfte mit guter Bezahlung und privilegierter Versorgung an. Wegen des relativ niedrigen Urangehalts im Erz von 0,1 Prozent konnte das Bergbauunternehmen Wismut zu keinem Zeitpunkt zu Weltmarktpreisen produzieren. Schon vor der Wende wurden einige ältere Standorte der Wismut in Sachsen und Thüringen stillgelegt, die Schächte gesichert und die Halden neu konturiert und aufgeforstet. Ein umfassendes Sanierungs- und Rekultivierungskonzept wurde erst ab 1991 nach Beendigung des Uranbergbaus erarbeitet. Seitdem sind diese Aufgaben zu etwa 90 Prozent abgeschlossen.

EXKURS: TRANSMUTATION

Für die Langzeit-Radioaktivität in einem Endlager für hochradioaktive Abfälle sind entscheidend die Elemente Neptunium, Plutonium, Americium und Curium. Es gibt internationale Forschungsarbeiten, um diese langlebigen Nuklide in stabile oder kurzlebige Nuklide umzuwandeln, eine sogenannte Transmutation. Dies würde die Anforderungen an die Endlagerung reduzieren: Zum einen wäre dann weniger hochradioaktiver Abfall endzulagern. Zum anderen würde die Radioaktivität schon nach wenigen hundert Jahren auf den Wert einer natürlichen Uranlagerstätte sinken. Der Sicherheitsnachweis für ein solches Endlager müsste dann nicht für einen Zeitraum von einer Million Jahren geführt werden.

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