Fakten Über Uran

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Uran ist von natur aus ein radioaktives element. Sie treibt atomreaktoren und atombomben an.

Am 6. August 1945 fiel eine zehn Meter lange Bombe über der japanischen Stadt Hiroshima vom Himmel. Weniger als eine Minute später war alles innerhalb einer Meile von der Detonation der Bombe verschwunden. Ein massiver Feuersturm zerstörte viele Kilometer und tötete Zehntausende Menschen.

Dies war der allererste Einsatz einer Atombombe in der Kriegsführung, und sie benutzte ein berühmtes Element, um ihre Verwüstung zu zerstören: 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 des Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern.)

Um Uran zu verstehen, ist es wichtig, Radioaktivität zu verstehen. Uran ist von Natur aus radioaktiv: Sein Kern ist instabil, das Element befindet sich also in einem konstanten Zerfall und sucht nach einer stabileren Anordnung. Tatsächlich war Uran das Element, das die Entdeckung der Radioaktivität ermöglichte. 1897 hinterließ der französische Physiker Henri Becquerel einige Uransalze auf einer fotografischen Platte, um zu untersuchen, wie das Licht diese Salze beeinflusste. Zu seiner Überraschung beschlug die Platte, was auf eine Art Emissionen der Uransalze hindeutete. Becquerel teilte sich 1903 mit Marie und Pierre Curie den Nobelpreis für die Entdeckung.

Nur die Fakten

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

Uran

Uran

Bildnachweis: Andrei Marincas Shutterstock

  • Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 92
  • Atomisches Symbol (im Periodensystem der Elemente): U
  • Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 238.02891
  • Dichte: 18,95 Gramm pro Kubikzentimeter
  • Phase bei Raumtemperatur: fest
  • Schmelzpunkt: 1.175 Grad Celsius (2.075 Grad Fahrenheit)
  • Siedepunkt: 4168° C (4131° C)
  • Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen): 16, 3 natürlich vorkommend
  • Häufigste Isotope: U-234 (0,0054% natürliche Abundanz), U-235 (0,7204% natürliche Abundanz), U-238 (99,2742% natürliche Abundanz)

Geschichte des Urans

Martin Heinrich Klaproth, ein deutscher Chemiker, entdeckte Uran 1789, obwohl es mindestens seit dem Jahr 79 n. Chr. Bekannt war, als Uranoxid als Farbmittel für Keramikglasuren und in Glas verwendet wurde, so Chemicool. Klaproth entdeckte das Element in der Mineralpechblende, die damals als Zink- und Eisenerz angesehen wurde. Das Mineral wurde in Salpetersäure gelöst und der verbleibende gelbe Niederschlag wurde dann mit Kali (Kaliumsalze) versetzt. Klaproth schloss, dass er ein neues Element entdeckt hatte, als die Reaktion zwischen Kali und Niederschlag keiner Reaktion bekannter Elemente folgte. Seine Entdeckung erwies sich als Uranoxid und nicht als reines Uran, wie er ursprünglich angenommen hatte.

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

Uran wurde 1896 von Antoine H. Becquerel, einem französischen Physiker, als radioaktiv befunden. Becquerel hatte eine Uranprobe auf einer unbelichteten fotografischen Platte gelassen, die wolkig wurde. Er kam zu dem Schluss, dass es unsichtbare Strahlen ausstrahlte, so die Royal Society of Chemistry. Dies war der erste Fall, in dem die Radioaktivität untersucht und ein neues Wissenschaftsfeld erschlossen wurde. Marie Curie, eine polnische Wissenschaftlerin, prägte kurz nach Becquerels Entdeckung den Begriff Radioaktivität und setzte mit dem französischen Wissenschaftler Pierre Curie die Forschung fort, um weitere radioaktive Elemente wie Polonium und Radium und ihre Eigenschaften zu entdecken.

Macht und Krieg

Das Uran des Universums bildete sich laut World Nuclear Association vor 6,6 Milliarden Jahren in Supernovae. Es ist überall auf dem Planeten und macht ungefähr 2 bis 4 Teile pro Million der meisten Felsen aus. Laut US-Energieministerium ist es unter den am häufigsten vorkommenden Elementen im natürlichen Krustengestein zu finden, und ist 40-mal häufiger als Silber.

Obwohl Uran stark mit Radioaktivität assoziiert ist, ist seine Zerfallsrate so niedrig, dass dieses Element eigentlich nicht zu den radioaktiveren zählt. Uran-238 hat eine Halbwertszeit von unglaublichen 4,5 Milliarden Jahren. Uran-235 hat eine Halbwertszeit von knapp über 700 Millionen Jahren. Uran-234 hat mit 245.500 Jahren die kürzeste Halbwertzeit von ihnen, tritt jedoch nur indirekt vom Zerfall von U-238 auf.

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

Trotzdem hat Uran dank seiner Fähigkeit, eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, ein explosives Potenzial. U-235 ist "spaltbar", was bedeutet, dass sein Kern von thermischen Neutronen gespalten werden kann - Neutronen mit der gleichen Energie wie ihre Umgebung. So funktioniert es laut der World Nuclear Association: Der Kern eines U-235-Atoms hat 143 Neutronen. Wenn ein freies Neutron in das Atom eindringt, spaltet es den Kern auf und wirft zusätzliche Neuronen ab, die dann in die Kerne benachbarter U-235-Atome springen können, wodurch eine autarke Kernspaltung entsteht. Die Spaltereignisse erzeugen jeweils Wärme.In einem Kernreaktor wird diese Wärme zum Kochen von Wasser verwendet, wobei Dampf erzeugt wird, der eine Turbine zur Stromerzeugung dreht, und die Reaktion wird durch Materialien wie Cadmium oder Bor gesteuert, die zusätzliche Neutronen absorbieren können, um sie aus der Reaktionskette zu entfernen.

In einer Spaltbombe wie der, die Hiroshima zerstört hat, ist die Reaktion überkritisch. Dies bedeutet, dass die Spaltung immer schneller erfolgt. Diese überkritischen Reaktionen setzen enorme Mengen an Energie frei: Die Explosion, die Hiroshima zerstörte, hatte die Macht von geschätzten 15 Kilotonnen TNT, die alle mit weniger als einem Kilogramm (2,2 Pfund) Uran erzeugt wurden, das einer Spaltung unterzogen wurde.

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

Am anderen Ende der Skala befindet sich abgereichertes Uran, das für Panzerpanzer und zur Herstellung von Kugeln verwendet wird. Erschöpftes Uran ist das, was übrig bleibt, nachdem angereichertes Uran in einem Kraftwerk verbraucht wird. Laut dem US-amerikanischen Department of Veterans Affairs ist es ungefähr 40 Prozent weniger radioaktiv als Natururan. Dieses abgereicherte Uran ist nur dann gefährlich, wenn es eingeatmet wird, verschluckt wird oder bei einem Schuss oder einer Explosion in den Körper gelangt.

Wer wusste?

  • Nur 1,38 Prozent des Urans in der "Little Boy" -Bombe, die Hiroshima zerstörte, wurde nach Angaben der Atomic Heritage Foundation zersplittert. Die Bombe enthielt insgesamt etwa 64 kg Uran.
  • Die "Little Boy" -Bombe detonierte 509 Meter über Hiroshima und ließ nur den Rahmen einiger Stahlbetongebäude, die im Umkreis von 1 km um Ground Zero stehen, laut einem Bericht der US-Verteidigungsbehörde von 1980. Feuerstürme zerstörten alles in einem Umkreis von 7 km 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 zusammenarbeitete, um noch mehr radioaktive Elemente (Polonium und Radium) zu entdecken, erlag wahrscheinlich der Strahlenbelastung, die mit ihrer Arbeit verbunden war. Sie starb 1934 an einer aplastischen Anämie, einem Mangel an roten Blutkörperchen, der wahrscheinlich durch Strahlenschäden im Knochenmark verursacht wurde.
  • Reines Uran ist ein silbriges Metall, das in Luft schnell oxidiert.
  • Uran wird manchmal verwendet, um Glas zu färben, das unter Schwarzlicht grünlichgelb leuchtet - aber nicht wegen der Radioaktivität (das Glas ist nur das kleinste bisschen radioaktiv). Laut Collectors Weekly ist die Fluoreszenz auf das UV-Licht zurückzuführen, das die Uranylverbindung im Glas anregt und dazu führt, dass Photonen abgegeben werden, 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 gefördert, wobei mehr als die Hälfte aus Kanada, Kasachstan, Australien, Niger, Russland und Namibia stammt, so die World Nuclear Association.
  • Laut Lenntech sind alle Menschen und Tiere in der Natur winzigen Mengen an Uran aus Lebensmitteln, Wasser, Boden und Luft ausgesetzt. In der Regel kann die Bevölkerung die aufgenommenen Mengen sicher ignorieren, es sei denn, sie leben in der Nähe von gefährlichen Abfällen, Minen oder wenn Pflanzen in kontaminiertem Boden wachsen oder mit kontaminiertem Wasser bewässert werden.

Aktuelle Forschung

Aufgrund ihrer Bedeutung für nukleare Brennstoffe interessieren sich die Forscher besonders für die Funktion von Uran - insbesondere während einer Kernschmelze. Ein Abschmelzen tritt auf, wenn die Kühlsysteme um einen Reaktor ausfallen und die durch die Spaltreaktionen im Reaktorkern erzeugte Wärme den Brennstoff schmilzt. Dies geschah während der Atomkatastrophe im Kernkraftwerk Tschernobyl, was zu einem radioaktiven Klumpen führte, der als "Fuß des Elefanten" bezeichnet wurde.

Das Verständnis für das Verhalten von Kernbrennstoffen beim Abschmelzen ist für Nuklearingenieure von entscheidender Bedeutung, sagte John Parise, 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 Institutionen in der Zeitschrift Science einen Artikel, in dem erstmals die Funktionsweise von geschmolzenem Urandioxid, einem Hauptbestandteil von Kernbrennstoffen, aufgezeigt wurde. Urandioxid schmilzt erst bei Temperaturen oberhalb von 3.000° C. Daher ist es schwer zu messen, was passiert, wenn das Material flüssig wird, sagte Parise gegenüber WordsSideKick.com - es gibt einfach keinen Behälter, der hart genug ist.

"Die Lösung dafür ist, dass wir eine Kugel aus Urandioxid mit einem Kohlendioxidlaser von oben erwärmen, und diese Kugel wird auf einem Gasstrom schweben", sagte Parise. "Sie haben diesen Materialball auf dem Gasstrom schweben lassen, also brauchen Sie keinen Behälter."

Die Forscher strahlen dann Röntgenstrahlen durch die Urandioxidblase und messen die Streuung dieser Röntgenstrahlen mit einem Detektor. Der Streuwinkel zeigt die Struktur der Atome im Urandioxid.

Die Forscher fanden heraus, dass in festem Urandioxid die Atome wie eine Reihe von Würfeln angeordnet sind, die sich mit einem leeren Raum in einem gitterartigen Muster abwechseln, wobei jedes Uranatom von acht Sauerstoffatomen umgeben ist. Wenn sich das Material seinem Schmelzpunkt nähert, werden die Sauerstoffatome "verrückt", sagte Lawrie Skinner, Forscherin des Argonne National Laboratory, in einem Video über die Ergebnisse. Die Sauerstoffatome beginnen sich zu bewegen, füllen den leeren Raum aus und springen von einem Uranatom zum anderen.

Wenn das Material schmilzt, ähnelt die Struktur schließlich einem Gemälde von Salvador Dali, während sich die Würfel in ungeordnete Polyeder verwandeln. An diesem Punkt, so Parise, sinkt die Anzahl der Sauerstoffatome um jedes Uranatom - bekannt als Koordinationszahl - von acht auf etwa sieben (einige Uranatome haben sechs Sauerstoffatome und einige sieben, was einen Durchschnitt von 6,7 ergibt.) Sauerstoff pro Uran).

Wenn man diese Zahl kennt, kann man modellieren, wie sich Urandioxid bei diesen hohen Temperaturen verhält, so Parise. Der nächste Schritt ist, mehr Komplexität hinzuzufügen. Kernkerne seien nicht nur Urandioxid, sagte er. Dazu gehören auch Materialien wie Zirkonium und was auch immer zur Abschirmung des Reaktorinneren verwendet wird. Das Forschungsteam plant nun, diese Materialien hinzuzufügen, um zu sehen, wie sich die Reaktion des Materials ändert.

"Sie müssen wissen, wie sich die reine Urandioxid-Flüssigkeit verhält, so dass Sie, wenn Sie die Auswirkungen von kleinen Zusatzstoffen untersuchen, erkennen können, was die Unterschiede sind?" Sagte Parise.

Die überwiegende Mehrheit des Urans wird für die Energieerzeugung verwendet, üblicherweise bei kontrollierten Kernreaktionen. Der übriggebliebene Abfall, abgereichertes Uran, kann recycelt werden, um andere Arten von Energie wie die Kraft der Sonne zu nutzen. Ein Patent von 2017 von Igor Usov und Milan Sykora, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory, diskutiert die Verwendung des abgereicherten Urans aus Kernreaktionen zur Herstellung von Solarzellen. Die Autoren schrieben, dass abgereichertes Uranoxid als Überbleibsel des Kernbrennstoffanreicherungsprozesses reichlich vorhanden und billig war und durch die Kontrolle der Dicke, des Uran / Sauerstoff-Verhältnisses, der Kristallinität und der Dotierung für die Verwendung als Solarzellen optimiert werden konnte.

Urandioxid ist laut einem Artikel von Thomas Meek aus dem Oak Ridge National Laboratory aus dem Jahr 2000 ein hervorragender Halbleiter und könnte für bestimmte Verwendungszwecke möglicherweise eine Verbesserung gegenüber den traditionellen Anwendungen von Silizium, Germanium oder Galliumarsenid darstellen. Bei Raumtemperatur würde Uranoxid den höchstmöglichen Wirkungsgrad von Solarzellen im Vergleich zu den herkömmlichen Elementen und Verbindungen für die gleiche Verwendung bieten.

Zusätzliche Berichterstattung von Rachel Ross, WordsSideKick.com Contributor

Zusätzliche Ressourcen

  • US-Energieministerium: Uran-Fakten
  • World Nuclear Association: Was ist Uran? Wie funktioniert es?
  • Bilder der Elemente: 92 U Uran


Videoergänzungsan: Uran, das gefährlichste Metall der Erde!.




Forschung


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