Uran: Abbau, Vorkommen & Lieferanten

Was ist Uran?

Uran ist ein chemisches Element, das nach dem Planeten Uranus benannt wurde. Sein Elementsymbol ist das U, die Ordnungszahl im Periodensystem ist die 92. Damit befindet sich das Metall in der Gruppe der Actinoide. Bis 1971 galt Uran als das Element mit der höchsten Ordnungszahl bis Plutonium Uran auf der Position ablöste. Entstanden ist Uran in sterbenden Sternen entstanden aus Supernovae und kollidierenden Neutronensternen.

Natürliches Uran besteht aus drei Isotopen, die alle radioaktiv sind:

• Uran-238 (99,3 Prozent)
• Uran-235 (0,7 Prozent)
• Uran-234 (0,006 Prozent)

Besonders Isotope mit ungerader Neutronenzahl sind durch thermische Neutronen gut spaltbar. Damit ist das 235er-Isotop der Bestandteil, der sich für eine nukleare Nutzung in Atomkraftwerken und Kernwaffen eignet. Es gibt zudem die Möglichkeit, Uran aufzubereiten, zu erbrüten, dieses künstliche Uran-233 heißt Thorium und wird aufgrund seiner ungeraden Neutronenzahl ebenfalls in Hochtemperaturreaktoren genutzt.

Entdeckt wurde Uran im Jahr 1781 von Friedrich Wilhelm Herschel, isoliert hat es Martin Heinrich Klaproth acht Jahre später aus dem Mineral Pechblende als Oxid. Reines Uranmetall gewann aber erst der Franzose Eugène Peligot im Jahr 1841. Auch die Radioaktivität wurde 1896 von einem Franzosen, Henri Antoine Becquerel, festgestellt. Nach ihm wurde die Einheit benannt, nach der Radioaktivität gemessen wird. Zum ersten Mal gespalten wurden Uranatome von Otto Hahn und Fritz Straßmann im Jahr 1938.

Die Halbwertszeit von Uran liegt zwischen 4,468 Milliarden Jahren (Uran-238) und 245.500 Jahren (Uran-234).

Im März 2023 haben Wissenschaftler um Toshitaka Niwase, einem Forscher am Wako Nuclear Science Center (WNSC) der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Japan,  ein völlig neues Isotop von Uran entdeckt und synthetisiert. Es soll bereits nach 40 Minuten in andere Elemente zerfallen.

Dieses Uran-241, hat 92 Protonen (wie alle Uranisotope) und 149 Neutronen. Damit ist es das erste neue neutronenreiche Isotop des Urans, das seit 1979 entdeckt wurde. Während die Atome eines bestimmten Elements immer die gleiche Anzahl von Protonen haben, können verschiedene Isotope oder Versionen dieser Elemente eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen in ihren Kernen enthalten. Um als neutronenreich zu gelten, muss ein Isotop mehr Neutronen enthalten, als für dieses Element üblich ist.

Uran gehört zur Klasse der Elemente im Periodensystem, die als "Aktiniden" bezeichnet werden und eine Protonenzahl zwischen 89 und 103 aufweisen. Alle Aktinide sind radioaktiv, aber Uran ist neben Radium, Polonium und Thorium eines der vier am stärksten radioaktiven Elemente.

Wie sieht Uran aus?

Uran ist ein Schwermetall, das etwas weicher als Stahl ist. Es glänzt silbrig und ist mit einer Dichte von 19 g/cm3 sehr schwer. An der Luft oxidiert das Element und wird gelbbraun. Säuren lösen Uran meist auf. In Pulverform entzündet sich Uran von selbst (pyrophor). Durch ihre Radioaktivität sind alle Uran-Isotope instabil.

In der Natur kommen viele Uranminerale vor. Die meisten davon sind bei Tageslicht leuchtend gelb, orange oder grün. Unter UV-Licht fluoreszieren einige grün-gelb.

Wie gefährlich ist Uran?

Uran ist radioaktiv, das heißt, es zerfällt. Dabei entstehen sogenannte Alphastrahlen, die etwa um den Faktor 20 stärker sind als Röntgenstrahlen.

Die Reichweite dieser Alphastrahlung beträgt in der Luft wenige Zentimeter und in Körpergewebe je nach Dichte wenige Millimeter bis Bruchteile von Millimetern. Sie wird laut Bundesamt für Strahlenschutz bereits durch Kleidung effektiv abgeschirmt und stellt bei intakter Haut keine Gefahr bei einer Strahlenbelastung von Außen dar. Die radioaktiven Zerfallsprodukte des Uran setzen auch Beta- und Gammastrahlen frei.

Als Schwermetall wirkt Uran darüber hinaus ähnlich toxisch wie Blei oder Quecksilber. Uran wird dann gesundheitsgefährdend, wenn es in den menschlichen Organismus gelangt, etwa durch Einatmen, offene Wunden oder über die Nahrung.

Uran-Vorkommen weltweit: Wo findet man Uran?

Der durchschnittliche Gehalt von Uran in der Erdkruste beträgt 2,7 ppm. Das heißt von einer Millionen Teilen sind 2,7 Uranteile vorhanden. Uran ist Teil von Mineralien, wie Zirkon, oder Gesteinen, wie Granit. Auch bildet Uran eigene Minerale, etwa Uranitit oder Pechblende.

Die Förderung von Uran hat in den vergangenen Jahren seit ihrem Höhepunkt abgenommen. Wurden 2016 noch 63.207 Tonnen des Rohstoffs gefördert, waren es im Coronajahr 2020 nur noch 47.731 Tonnen. 2021 stieg die Menge mit 48.332 Tonnen nur marginal an. Seit der Jahrtausendwende wurde 2003 mit 35.574 Tonnen am wenigsten Uran abgebaut.

Das Land mit der größten Uranförderung ist Kasachstan. Im Jahr 2021 holten Unternehmen dort 21.819 Tonnen aus dem Boden. Dahinter liegen Namibia und Kanada mit 5.753 bzw. 4.693 Tonnen.

Wo liegen die meisten Uran-Reserven?

Nicht weiter überraschend ist, dass im größten Förderland Kasachstan auch die meisten Uran-Reserven schlummern. Die BGR Energiestudie 2021 listet das vorderasiatische Land mit 344.000 Tonnen Uran-Reserven, das macht etwa 27 Prozent aller weltweiten Reserven aus. In Kanada liegen schätzungsweise 259.000 Tonnen (20,8 Prozent) und Südafrika schlägt mit 166.000 Tonnen (13,4 Prozent) zu Buche. Ähnlich hoch sind die Reserven in Brasilien mit 156.000 Tonnen und einem Anteil von 12,5 Prozent.

Uran-Produzenten weltweit: Welche Unternehmen fördern Uran?

Laut der World Nuclear Association wurden 2021 rund 48.332 Tonnen Uran gefördert. Etwas mehr als 11.000 Tonnen davon kommen aus Kasachstan vom kasachischen Staatsunternehmen Kazatomprom. Das Unternehmen hat seine Minen vor allem in Kasachstan. Dort hat es Beteiligungen an Inkai 1 bis 3 (mit Cameco), Budenovskoye 2 (mit Uranium One) sowie Kharasan1 (mit Uranium One). Die Mine Central Mynkuduk betreibt Kazatomprom in kompletter Eigenregie.

Mit großem Abstand folgt Orano aus Frankreich mit 4.541 Tonnen Uran. Dessen größte Mine liegt in Kanada, in Cigar Lake. Orano baut dort Uran gemeinsam mit Cameco ab. Eine weitere große Orano-Mine liegt in Niger.

Die russischstämmige Uranium One kommt unter den größten Uranförderern auf den dritten Platz mit 4.514 Tonnen, also nur knapp hinter den Franzosen. Auf dem vierten Platz landet Cameco aus Kanada.

Wie wird Uran abgebaut?

Uran wird selten primär abgebaut, häufiger als Nebenprodukt, etwa bei der Gold- oder Kupferförderung. Die Minen gibt es sowohl im Untertagebau also auch in Tagebau. Die Abbautechniken unterscheiden sich nicht von denen anderer Rohstoffe. Zunächst wird das Erz abgebaut und zerkleinert. Die erste Verarbeitungsstufe ist die Herstellung von Yellow Cake. Dabei werden die im Erz enthaltenen Uranoxide mittels Säuren herausgelöst. Aus zwei Tonnen Uranerz werden etwa ein Kilogramm Yellow Cake. Bei der Gewinnung von Yellow Cake entstehen radioaktive Abfälle, sogenannte Tailings, die Radium und Thorium enthalten. Sie müssen endgelagert werden.

Yellow Cake ist der Ausgangsstoff für die Produktion von Brennelementen. Je nach Reaktortyp ist noch eine Anreicherung erforderlich. Dann wird der Yellow Cake in einem chemischen Prozess in Uranhexafluorid umgewandelt. Ohne Anreicherung wird der Gelbkuchen zu Urandioxid oder Uranmetall weiterverarbeitet.

Eine immer größere Bedeutung gewinnt die Uranförderung mittels In-situ Lösung. Dabei wird der Erzkörper angebohrt. Anschließend wird verdünnte Schwefelsäure hineingepumpt, die das Uran auflöst. Diese uranhaltige Lösung wird wieder herausgepumpt und das Uran herausgelöst. Diese Methode gilt für den Abbau des radioaktiven Stoffs als umweltfreundlicher und wirtschaftlicher, da radioaktiver Abraum verringert wird.

Wofür wird Uran verwendet?

Die bekannteste Verwendung für Uran ist die Energiegewinnung mittels Kernspaltung und Kettenreaktion. In Kernkraftwerken wird auf diese Weise Strom erzeugt. Zunächst entsteht jedoch Wärme, die über einen klassischen Dampfkraftprozess mittels Turbine und Generator Strom erzeugt.

Allerdings macht der Brennstoff Uran im Durchschnitt nur zwischen zehn und 15 Prozent der Kosten der Stromerzeugung aus Kernenergie aus, was relativ niedrig ist. Im Dezember 2016 waren weltweit 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.

Ein Kilo Natururan (mit etwa 0,7 Prozent Anteil an spaltbarem Uran-235) hat denselben Energiegehalt wie 12.600 Liter Erdöl bzw. 18.900 Kilogramm Steinkohle. Natururan enthält damit jedoch eine zu geringe Konzentration an spaltbarem Material, daher wird der Rohstoff angereichert, sodass Uran mit einem höheren Anteil von U-235 entsteht. Aus einem Kilo angereicherten Urans lässen sich rund 24 Millionen Kilowattstunden Wärme gewinnen, das entspricht 3.000 Tonnen Steinkohle.

Das Schweizer AKW Gösgen benötigt nach Angaben des Betreibers pro Jahr 20 Tonnen angereichertes Uran, das ist etwa ein Kubikmeter. Im Jahr 2004 verbrauchten alle 440 weltweit betriebenen Kernkraftwerke laut der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) 68.357 Tonnen Uran.

Auch für Atomwaffen kann Uran verwendet werden. Dafür wird Uran 238 in sogenannten Brutreaktoren in Plutonium 239 umgewandelt.

Auch als Antrieb kann Kernenergie dienen: Vor allem in Kriegsschiffen und U-Booten ersetzen Kernreaktoren einen Dampfkessel. Zu den ersten Schiffen mit Kernenergieantrieb gehörten das US-U-Boot Nautilus (1954) und der Eisbrecher Lenin (1958). Heute noch in Betrieb ist der atombetriebene US-Flugzeugträger USS Enterprise, der eine Spitzengeschwindigkeit von 33 Knoten erreicht.

In der Medizin spielt Uran ebenfalls eine Rolle, allerdings als Technetium. Dieses entsteht bei der Spaltung von U-235. Technetium wird in der Nuklearmedizin zur Diagnostik von Krankheiten zum Beispiel in Schilddrüse, Lunge oder dem Skelett sowie in der Krebsbehandlung eingesetzt. Der Vorteil ist seine geringe Halbwertszeit von sechs Stunden

In der Lebensmittelindustrie wird Gammastrahlung ebenfalls eingesetzt. Zum einen dient sie als Katalysator für natürliche Mutationsprozesse von Pflanzensamen. Rund 3.000 Pflanzensorten wurden bereits durch das sogenannte Plant Mutation Breeding gezüchtet - beispielsweise die Reissorte Binadhan-7.

Auch für die Sterilisation von Lebensmitteln dient die durch Uran erzeugte Strahlung. Sie beseitigt Mikroorganismen wie Bakterien und Schimmelpilze, ohne das dabei Radioaktivität entsteht. Hierzulande werden typischerweise getrocknete Gewürze auf diese Weise behandelt. Der Vorteil: Vitamine und Aromen bleiben auf diese Weise erhalten.

Wie viel kostet Uran?

Der Uranpreis wird pro Pfund angegeben – in der Regel in US-Dollar. Er ist in den vergangenen drei Jahren wieder teurer und preislich volatiler geworden. In den 1990er-Jahren war Uran extrem günstig. Ein Pfund kostete zwischen elf und 12 US-Dollar. 2004 begann ein Preisaufschwung auf bis zu 135 US-Dollar im Juni 2007. Es folgte eine erneute Talfahrt, doch die niedrigen Preise aus dem vergangenen Jahrtausend wurden nie wieder erreicht.

2010 setzte der Uranpreis sogar wieder zu einer kleinen Hausse an, die im März 2011 mit dem Atomunglück von Fukushima jedoch abrupt endete. Der Uranpreis kannte daraufhin nur noch einen Weg: nach unten, da einige Länder den GAU dazu nutzen, um aus der Atomenergie auszusteigen. Sogar die Atommacht Frankreich liebäugelte 2011 – zumindest versprachen Sozialisten und Grüne im Falle eines Wahlsiegt 2012, ein Drittel der Kernkraftwerke abzuschalten. Aber auch der damals gewählte Präsident Hollande wollte den Anteil der Kernkraft von 75 auf 50 Prozent verringern. Nach dem Einmarsch Russlands in die Ukraine revidierte Präsident Emmanuel Macron dieses Vorhaben und kündigte den Bau neuer Meiler an – ähnlich wie andere europäische Staaten wie Polen. Als Folge kletterte der Uranpreis seit Februar 2022 auf seinen höchsten Stand seit 2011

Lässt sich Uran recyceln?

Grundsätzlich lässt sich Uran zumindest teilweise wiederverwerten. Das geschieht durch die Wiederaufbereitung des Atommülls in sogenanten Wiederaufbereitungsanlagen.

Allerdings findet kein echtes Recycling des Rohstoffs statt - im Sinne, dass der Sekundärrohstoff komplett oder großteils erneut so verwendet werden kann wie der Primärrohstoff. Bei der Wiederaufbereitung der abgebrannten Brennelemente geht es vornehmlich darum, die verschiedenen Stoffe, die durch die Kernspaltung entstanden sind, voneinander zu trennen. Das sind vor allem das Uran-238, das noch unverbrauchte Uran-235 soganennate Transurane und Spaltstoffe. Transurane sind alle Stoffe, die schwerer sind als Uran und durch die Anreicherung mit Neutronen entstanden sind. Darunter fällt beispielsweise Plutonium.

Mit einem kleinen Teil des Plutoniums werden sogenannte MOX-Brennelemente hergestellt (Mischoxid). Sie können in einem Atomkraftwerk als Brennstoff eingesetzt werden. Das Plutonium könnte zu Atomwaffen "recycelt" werden.

Das wiederaufbereitete Uran ist im Vergleich zu frisch produziertem Uran unrein, da es Isotope zum Beispiel von Uran-232 enthält. Daher stellt es höhere Anforderungen an den Strahlenschutz. Nur etwa zehn Prozent des Urans können durch erneute Anreicherung wiederverwendet werden. Diese Anreicherung ist in der Regel aber nicht Bestandteil der Wiederaufbereitung.

Zudem entstehen bei der Wiederaufbereitung Spaltprodukte. Das sind zum Beispiel Cäsium, Technetium, Krypton, Strontium, Iod sowie Ruthenium, Rhodium und Palladium. Letztere gehören zur Gruppe der Platingruppenmetalle und gehören zu den häufigsten Elementen unter den Spaltprodukten. Ihre Wiederverwertung und Gewinnung wäre zwar möglich, wird aber nicht praktiziert. Die Spaltprodukte werden daher nur gelagert, gekühlt und nach mehreren Jahren Abklingzeit mit Glas verschmolzen.

Aktive Wiederaufbereitungsanlagen gibt es in Frankreich (La Hague), Großbritannien (Sellafield) sowie Japan (Rokkasho) und Majak (Russland). Die zweite britische Anlage in Dounreay wurde mittlerweile stillgelegt. In Deutschland ging 1971 die Wiederaufbereitungsanlage im bayerischen Wackersdorf als Pilotprojekt an den Start, wurde aber 1989 wieder eingestellt.