Hermann Uranbergbau in Mitteldeutschland

Schauplätze, Technik und Geschichte der Wismut-Ära
1. Auflage 2016
ISBN: 978-3-940860-25-5
Verlag: Verlag Robin Hermann
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Deutsch, 224 Seiten

1947-1990 betrieb die SAG/ SDAG Wismut in Sachsen und Thüringen Uranbergbau. Dessen Umfang, seine Intensität und die Folgen stellten alle vorangegangenen Bergbauepochen in den Schatten. Dieses Buch bietet einen kompakten Überblick über jene Ära. Angefangen bei der Entstehung von Uran bis hin zu den technischen Grundlagen des Uranbergbaus liefert der Band eine verständliche Einführung in die Thematik. Im Hauptteil wird die Geschichte der zahlreichen Wismut-Bergbauobjekte im Einzelnen beleuchtet. Alle Informationen werden in übersichtlicher Form präsentiert und durch zahlreiche Abbildungen ergänzt.

Robin Hermann wurde 1980 in Erlabrunn geboren und wuchs im Kreis Schwarzenberg sowie zeitweise auch im Raum Duisburg auf. Durch seinen Großvater, einen passionierten Mineraliensammler, kam er schon früh mit der bergbaugeschichtlichen Vergangenheit seiner erzgebirgischen Heimat in Kontakt. Musik und Literatur waren weitere prägende Elemente seiner Jugend. Nach einem Studium der Germanistik und Grafischen Technik in Chemnitz gründete Robin Hermann 2007 einen eigenen Verlag und publiziert seither in regelmäßigen Abständen informative und anschauliche Sachbücher. Als Sachbuchautor beschäftigt er sich vor allem mit der Industrie- und Kulturgeschichte seiner sächsischen Heimat. Publikationsschwerpunkte sind der Bergbau und das Hüttenwesen.

Autoren/Hrsg.

Hermann, Robin

Leseproben

1. Uran – Ein außergewöhnliches Element

1.1 Herkunft, Beschaffenheit und Eigenarten

1.1.1 Was ist Uran?

Zunächst einmal soll die Frage geklärt werden, worum es sich bei dem chemischen Element Uran eigentlich handelt.

Aus chemischer Sicht wird Uran (U) den Metallen zugerechnet. Seine Dichte von 19,16 g/cm3 liegt deutlich über der von Blei (11,34 g/cm3).1 Uran ist sogar das schwerste in größeren Mengen natürlich vorkommende Element auf Erden.2 Es wird daher auch zu den Schwermetallen gerechnet, wenngleich es sich hierbei nicht um einen einheitlich definierten chemischen Begriff handelt. In reiner Form weist das Element eine silberweiße, metallische Farbe auf. Im Vergleich zu anderen Metallen verfügt es über eine relativ geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit.

In den bislang genannten Eigenschaften unterscheidet sich Uran also nur wenig von den »klassischen« Metallen. Die fundamentale Abgrenzung ergibt sich erst aus einer ganz besonderen Eigenart: Uran ist radioaktiv, sendet also ionisierende Strahlung aus.

Abb. 1. Hochangereichertes Uran hat ein typisch metallisches Aussehen.

Reaktiv: Uran ist nicht nur radioaktiv, sondern auch sehr reaktionsfreudig. Deshalb kommt es in der Natur nicht mehr in elementarem Zustand vor. Man findet es vor allem in Form von Oxiden, also Sauerstoffverbindungen.

1.1.2 Weshalb strahlt Uran?

Diese besondere Eigenschaft liegt in seinem atomaren Aufbau begründet. Wie bei anderen Elementen bestehen auch die Uranatome aus dem Atomkern und der Atomhülle. Der Atomkern macht fast die gesamte Masse eines Atoms aus. Er besteht aus den sogenannten Nukleonen (Kernteilchen) – also den Protonen (elektrisch positiv geladen) und Neutronen (elektrisch neutral) – die eng miteinander verbunden sind. Die Atomhülle enthält elektrisch negativ geladene Teilchen, die Elektronen. Im Normalzustand stimmt die Anzahl der Protonen mit der Anzahl der Elektronen überein.

Ein Uranatom verfügt über 92 Protonen im Kern und damit auch über 92 Elektronen in der Atomhülle. Entscheidend ist hier jedoch die Anzahl der ebenfalls im Kern befindlichen Neutronen. Diese ist bei Uranatomen im Vergleich zu anderen natürlich vorkommenden Elementen sehr hoch. Das in der Natur am häufigsten vorkommende Uran-Isotop – das sogenannte 238U – hat 238 Kernteilchen. 92 davon sind Protonen, die restlichen 146 Teilchen sind Neutronen.

Abb. 2. Wasserstoffatomkern (1 Proton) und 238Uran-Kern (92 Protonen+146 Neutronen) – Die 2-dimensionale Darstellung kann die wirklichen Größenverhältnisse nicht wiedergeben.

Die hohe Kernteilchenzahl (Massenzahl) macht den Atomkern von Uran nicht nur sehr schwer und groß, sondern vor allem sehr instabil. Um dies besser verstehen zu können, sollte man sich kurz die Kräfte vor Augen führen, die in einem Atomkern wirken:

Normalerweise würden die im Kern vorhandenen Protonen einander abstoßen, da sie alle die gleiche Ladung tragen. Wir kennen das Phänomen aus unserem Alltag in der fast schon sprichwörtlichen Aussage »gleiche Pole stoßen sich ab«. Physiker sprechen dabei von der sogenannten Coulombkraft. Gäbe es nur diese Kraft, würde der Atomkern sofort auseinanderbrechen. Glücklicherweise existieren aber noch weitere Kräfte: Eine ganz Entscheidende ist die sogenannte Starke Kernkraft, auch als Starke Wechselwirkung bezeichnet. Der Name wurde nicht ohne Grund gewählt. Tatsächlich handelt es sich um die mit Abstand stärkste der vier Grundkräfte des Universums. Sie wirkt vor allem auf Protonen und Neutronen und verhindert, dass sich die positiv geladenen Protonen im Kern gegenseitig abstoßen. Die Starke Wechselwirkung hält alle Kernteilchen und damit den Atomkern fest zusammen. Allerdings gibt es eine ganz entscheidende Einschränkung: Die Starke Wechselwirkung weist nur eine extrem geringe Reichweite auf und wirkt damit nur zwischen unmittelbar benachbarten Nukleonen im Atomkern. Die deutlich schwächere Coulombkraft hingegen besitzt eine wesentlich größere Reichweite, sodass jedes Proton im Kern mit allen anderen Protonen interagieren kann.

Bei kleineren Atomkernen ist dies kein Problem. Hier reicht die Starke Kernkraft mühelos aus, um die wenigen Nukleonen beisammen zu halten. Allerdings nimmt die Coulombkraft im Quadrat zur Anzahl der vorhandenen Protonen zu, da sich ja zwischen allen Protonen eine Wechselwirkung entwickelt. Die Starke Kraft hingegen wächst aufgrund ihrer geringen Reichweite nur linear zur Zahl der Protonen.

Bis zu einer Anzahl von 82 Protonen im Atomkern – was dem Element Blei entspricht3 – behält die Starke Kraft in natürlicher Umgebung die Oberhand und der Kern bleibt stabil.

Bei allen Elementen mit mehr als 82 Protonen macht sich die Abstoßungskraft zwischen ihnen aber allmählich bemerkbar. Der Kern wird instabiler.

Der Kern eines Uranatoms mit seinen 92 Protonen und meist 146 Neutronen (238U) ist der größte und schwerste seiner Art, zumindest unter natürlichen Bedingungen. Seine Größe macht ihn so instabil, dass er regelrecht zu »brodeln« beginnt und schließlich einzelne Kernbestandteile »abstößt«. Man spricht dabei von radioaktivem Zerfall oder auch einfach von Radioaktivität. Solche instabilen Atome bezeichnet man als Radionuklide. Bei diesem Zerfallsprozess wird Energie in Form von ionisierender Strahlung freigesetzt.

Über zahlreiche Zwischenstufen und durch verschiedene Umwandlungsarten zerfällt das ursprüngliche Uranatom (238U) in andere Elemente: Vereinfacht ausgedrückt zunächst zu Thorium (Th), dann zu Protactinium (Pa), Radium (Ra), Radon (Rn) und so weiter. Am Ende dieses Prozesses steht die Umwandlung zum stabilen Blei-Atom (206Pb). Hier erst endet die Aussendung ionisierender Strahlung, das entstandene Element ist nicht mehr radioaktiv. Man bezeichnet diesen gesamten Umwandlungsprozess als Zerfallsreihe.

Wie lange dieser gesamte Prozess dauert, lässt sich nicht exakt vorhersagen, da sich der Zerfallszeitpunkt eines Atomkerns nicht bestimmen lässt. Allerdings hat man einen statistischen Näherungswert ermittelt – die sogenannte Halbwertszeit. Sie gibt an, nach welcher Zeit sich die Ausgangsmenge und damit die Aktivität eines Radionuklids wie Uran durchschnittlich halbiert hat. Das Isotop 238U beispielsweise besitzt mit rund 4,468 Milliarden Jahren eine enorm lange Halbwertzeit. Bei dem in der Zerfallsreihe von Uran ebenfalls vorkommenden Polonium-Isotop 214Po liegt sie hingegen nur bei 164 µs!

Abb. 3. Erste Stufe der Zerfallsreihe des Uranisotops 238U: Es schleudert ein a-Teilchen in Form eines Helium-4-Atomkerns mit bis zu 20.000 km/s aus. Die verbleibenden Kernteilchen bilden das Thorium-Isotop 234Th – ein anderes Element. Man bezeichnet den Prozess auch als a-Zerfall.4

Isotope: Die Anzahl der Protonen bestimmt das Element. So besitzt Uran immer 92 Protonen. Die Anzahl der Neutronen hingegen kann variieren. Weisen Atome gleich viele Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen auf, spricht man von Isotopen eines Elementes.

1.1.3 Wie entstand das Element Uran?

Fast noch spannender als das Phänomen der Radioaktivität ist die Frage nach der Herkunft des Urans. Wie entstand dieses seltsame Element, dass sich in so vielen Punkten grundlegend von den meisten anderen Elementen unterscheidet? Woher kommt die enorme Energie, die darin gespeichert ist?

Zur Beantwortung dieser Frage sollten wir uns zunächst einmal anschauen, wie die Entstehung einer Vielzahl von »einfachen« Elementen vermutlich von statten ging. Dafür ist eine kleine Zeitreise zur Geburtsstunde unseres Universums nötig – dem viel zitierten Urknall:

Einer heute akzeptierten Theorie zufolge hatte sich das expandierende Universum eine Minute nach dem Urknall so weit abgekühlt, dass sich die ersten Atomkerne und damit die ersten Elemente bilden konnten. Zunächst entstand Deuterium, ein auch als Schwerer Wasserstoff bezeichnetes Isotop mit einem Proton und einem Neutron im Atomkern.

In den darauf folgenden zwei Minuten kam es zur Entstehung von Helium sowie geringster Spuren von Lithium und Beryllium. Bereits nach fünf Minuten war die Teilchendichte im Universum aber soweit gesunken, dass es nicht mehr zur Bildung weiterer Elemente kommen konnte. Damit war die erste Phase der Bildung von Elementen – die sogenannte primordiale Nukleosynthese – abgeschlossen.

Man geht davon aus, dass sich die nach dem Urknall entstandenen Elemente zu etwa 75% auf Wasserstoff (1H) und zu 25% auf Helium (4He) verteilten.

Alle schwereren Elemente entstanden erst nach der Bildung von Sternen beziehungsweise Galaxien. Diese setzte etwa vierhundert Millionen Jahre nach dem Urknall ein.

Aufgrund der Gravitation verdichteten sich die vorhandenen Wasserstoff- und Heliumgaswolken an einigen Punkten immer weiter. Es kam zur Bildung sogenannter Protosterne. Hatte deren Dichte einen gewissen Wert überschritten, setzte aufgrund der enormen Druck- und Temperaturverhältnisse im Zentrum (˜ 10 Millionen Kelvin) die Kernfusion ein.

Diese Kernfusion ist bis heute die Basis aller im Inneren eines Sterns ablaufenden Prozesse. Bei Kerntemperaturen von 10 Millionen Kelvin verschmelzen die Wasserstoffatome unter Aussendung von Strahlungsenergie zu Heliumatomen.

Ist aller Wasserstoff zu Helium »verbrannt«,...