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4.2. PHYSIKALISCHE, CHEMISCHE UND RADIOLOGISCHE EIGENSCHAFTEN

Die physikalischen Eigenschaften von Uran und Uranverbindungen, die für den Kernbrennstoffkreislauf und die Verteidigungsprogramme wichtig sind, sind in Tabelle 4-2 aufgeführt. Das prozentuale Vorkommen und die radioaktiven Eigenschaften der natürlich vorkommenden Uranisotope sind in Tabelle 4-3 aufgeführt. Die beiden Zerfallsreihen für die natürlich vorkommenden Uranisotope sind in Tabelle 4-4 aufgeführt.

Metallurgisch gesehen kann Uranmetall in drei allotropen Formen vorliegen: orthorhombisch, tetragonal oder kubisch-raumzentriert (Lide 2008), und es kann mit anderen Metallen legiert werden, um seine strukturellen und physikalischen Eigenschaften entsprechend der Anwendung zu verändern. Wie Aluminiummetallpulver ist auch Uranmetallpulver autopyrophor und kann bei Raumtemperatur in Gegenwart von Luft, Sauerstoff und Wasser spontan verbrennen. Auf die gleiche Weise oxidiert die Oberfläche des massiven Metalls, wenn es zum ersten Mal der Atmosphäre ausgesetzt wird, schnell und bildet eine dünne Oberflächenschicht aus UO2, die dem Eindringen von Sauerstoff widersteht und das innere Metall vor Oxidation schützt. Bei Temperaturen von 200-400°C kann sich Uranpulver in einer Atmosphäre aus CO2 und N2 selbst entzünden. Um eine Selbstentzündung zu verhindern, können Uranbearbeitungsspäne in offenen Behältern und unter Maschinenöl oder Wasser gelagert werden, um die Bildung von Wasserstoffgas zu verhindern. Brennendes Uran kann bis zum Erlöschen unter Wasser gelagert werden, was durch die Hydrolyse des Wassers verzögert werden kann, das etwas Sauerstoff und Wasserstoff für die weitere Verbrennung liefert. Wasserspray, CO2 und Halon sind unwirksam, und die Abgabe von Halon kann explosiv sein und giftige Gase erzeugen (DOE 2001).

Uran kann in fünf Oxidationsstufen vorliegen: +2, +3, +4, +5 und +6 (Lide 2008); allerdings sind nur die Zustände +4 und +6 stabil genug, um von praktischer Bedeutung zu sein. Vierwertiges Uran ist einigermaßen stabil und bildet Hydroxide, hydratisierte Fluoride und Phosphate mit geringer Löslichkeit. Sechswertiges Uran ist der stabilste Zustand, und der am häufigsten vorkommende Zustand ist U3O8, obwohl es in den Vereinigten Staaten einige lokalisierte Lagerstätten für anthropogenes Uranhexafluorid (UF6) gibt (DOE 2011a). Zu den wichtigsten Uranverbindungen gehören Oxide, Fluoride, Carbide, Nitrate, Chloride, Acetate und andere. Eine der Eigenschaften von UO2+2-Ionen ist ihre Fähigkeit, unter ultraviolettem Licht zu fluoreszieren.

Obwohl das Element Uran 1789 von Klaproth entdeckt wurde, der es nach dem neu entdeckten Planeten Uranus „Uran“ nannte, entdeckte Becquerel erst 1896, dass Uran radioaktiv ist. Es gibt 22 bekannte Uranisotope, von denen nur 3 natürlich vorkommen (NNDC 2011). Diese drei Isotope, 234U, 235U und 238U, haben relative Massenhäufigkeiten im ungestörten Krustengestein der Erde von 0,005, 0,72 bzw. 99,275 %. Ein Gramm Natururan mit dieser relativen Isotopenhäufigkeit hat eine Aktivität von 0,69 µCi. Von diesen 0,69 µCi entfallen 49,0 % der Aktivität auf 234U, 2,27 % der Aktivität auf 235U und 48,7 % der Aktivität auf 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Dieses Verhältnis gilt nur für ungestörtes Krustengestein. Obwohl die relative Massenhäufigkeit von 234U nur 0,005 % beträgt, ist sie für etwa die Hälfte der Gesamtaktivität verantwortlich. Die oben angegebenen relativen Isotopenhäufigkeiten können bis zu einem gewissen Grad durch natürliche Prozesse verändert werden, die nicht vollständig verstanden sind, die aber zu unterschiedlichen Verhältnissen in Luft, Wasser und Boden führen können, wie in EPA-Berichten nachgewiesen wurde (EPA 1994a, 2007).

235U ist ein Isotop von besonderem Interesse, weil es spaltbar ist (fähig zur Spaltung) und folglich eine nukleare Kettenreaktion in Gegenwart von Neutronen mit angemessener Energie aufrechterhalten kann. Das in der Natur vorherrschende Uranisotop 238U ist nicht leicht spaltbar, aber ein kleiner Teil seiner Umwandlungen führt zu spontaner Spaltung und nicht zum typischen Alphazerfall; diese Neutronen können ausreichen, um unter geeigneten Konzentrations-, Massen- und Neutronenthermisierungsbedingungen eine Kettenreaktion auszulösen. Damit Uran als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet werden kann, muss das Verhältnis von 235U zu 238U durch einen als Anreicherung bezeichneten Prozess von 0,72 auf 2-4% erhöht werden. Das in den Vereinigten Staaten am häufigsten eingesetzte Anreicherungsverfahren ist die Gasdiffusion, aber es gibt auch andere Anreicherungsverfahren, die thermische, Zentrifugen- und Lasermethoden umfassen, und andere Länder sind aktiv an der Herstellung von angereichertem Uran beteiligt. Uranerz wird zu Uranoxid (U3O8) verarbeitet und dann zu UF6 fluoriert; anschließend wird ein UF6-Gasstrom, der alle drei Isotopenverbindungen enthält, durch eine lange Reihe von Diffusionsstufen geleitet, die 234U und 235U schneller durchlaufen als 238U. Das vordere Ende des Stroms weist somit eine erhöhte 235U-Konzentration auf und wird als angereichertes Uranhexafluorid bezeichnet, während das hintere Ende des Stroms eine geringere 235U-Konzentration aufweist und als abgereichertes Uranhexafluorid bezeichnet wird. Die prozentuale Anreicherung ist ein Maß für den Massenanteil von 235U im Endprodukt, und der Grad der Anreicherung wird durch die Verwendung bestimmt. Angereichertes UF6 wird in der Regel zu Uranmetall oder -oxid für Leistungsreaktorbrennstoff oder zu Metall für Waffenanwendungen umgewandelt. Abgereichertes UF6 wird entweder in Uranmetall für eine Vielzahl von zivilen und militärischen Anwendungen umgewandelt oder für eine spätere Verwendung gelagert. Schwach angereichertes Uran (2-4% angereichert) wird in zivilen Leistungsreaktoren verwendet (DOE 2000), während hoch angereichertes Uran (>90% angereichert) in speziellen Forschungsreaktoren (von denen die meisten aus dem Betrieb genommen wurden), in Reaktorkernen von Atom-U-Booten und in Atomwaffen verwendet wird. Abgereichertes Uranmetall wird als Strahlenschutz, als Raketengeschosse, als Zielelemente in Plutoniumproduktionsreaktoren, als Kreiselkomponente und als Gegengewichte oder Stabilisatoren in Flugzeugen verwendet.

Uran unterliegt einer kontinuierlichen Umwandlung durch den Zerfallsprozess, bei dem es Energie freisetzt, um schließlich zu einem stabilen oder nichtradioaktiven Element zu werden. Bei den Uranisotopen ist dies ein komplexer Prozess, bei dem eine Kette von Zerfallsprodukten, die so genannten Progeny, erzeugt wird, bis schließlich ein stabiles Element entsteht. Die Zerfallsprodukte der Uranisotope, die ebenfalls radioaktiv sind, sind in Tabelle 4-4 aufgeführt. 238U ist das Ausgangsisotop der Uranreihe (234U ist ein Zerfallsprodukt von 238U), während 235U das Ausgangsisotop der Actinium-Zerfallsreihe ist. Alle natürlichen Uranisotope und einige ihrer Nachkommen zerfallen durch die Emission von Alphateilchen; die anderen Mitglieder beider Serien zerfallen durch die Emission von Betateilchen und Gammastrahlen (NNDC 2011). Sowohl die Uran- als auch die Actinium-Zerfallsreihen haben drei Merkmale gemeinsam. Jede Serie beginnt mit einem langlebigen Elternteil, 235U oder 238U, jede Serie enthält ein Isotop des Edelgases Radon, und jede Serie endet mit einem stabilen Isotop von Blei, 207Pb oder 206Pb.

Die Zeit, die für die Umwandlung einer Hälfte der Atome eines Radionuklids benötigt wird, wird als seine radioaktive Halbwertszeit bezeichnet. Die Zerfallsrate und damit die Halbwertszeit ist für jedes Radionuklid einzigartig. Die Halbwertszeit von 238U ist mit 4,5×109 Jahren sehr lang; die Halbwertszeiten von 235U und 234U sind mit 7,0×108 bzw. 2,5×105 Jahren um Größenordnungen geringer. Da die Aktivität einer bestimmten Uranmasse von der Masse und der Halbwertszeit der einzelnen vorhandenen Isotope abhängt, ist die Aktivität umso höher, je größer die relative Häufigkeit der schneller zerfallenden Isotope 234U und 235U ist. So ist abgereichertes Uran weniger radioaktiv als natürliches Uran und angereichertes Uran ist radioaktiver.

Uran ist unter den Elementen ungewöhnlich, weil es sowohl ein chemischer als auch ein radioaktiver Stoff ist. Die mit Uran verbundenen Gefahren hängen von der chemischen und physikalischen Form des Urans, dem Aufnahmeweg und dem Anreicherungsgrad ab. Die chemische Form des Urans bestimmt seine Löslichkeit und damit seine Transportfähigkeit in Körperflüssigkeiten sowie seine Verweildauer im Körper und in den verschiedenen Organen. Die chemische Toxizität von Uran ist das Hauptproblem für die Gesundheit, da lösliche Uranverbindungen Schwermetallschäden im Nierengewebe verursachen. Die radiologischen Gefahren von Uran können ein Hauptproblem darstellen, wenn eingeatmete, angereicherte (DOE 2001) und unlösliche Uranverbindungen langfristig in der Lunge und den zugehörigen Lymphgefäßen verbleiben.