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Les oxydes d’uranium (VI) ou « yellow cake » sont une étape intermédiaire dans le traitement des minerais d’uranium. |
Uranium
| Numéro atomique: | 92 | Radius atomique: | 240 pm (Van der Waals) |
| Symbole atomique : | U | Point de fusion: | 1133 °C |
| Poids atomique : | 238 | Point d’ébullition: | 4131 °C |
| Configuration des électrons : | 7s25f36d1 | États d’oxydation: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Histoire
L’utilisation de l’uranium sous sa forme d’oxyde naturel remonte à 79 après JC, lorsqu’il était utilisé comme colorant jaune dans les glaçures de céramique. Un verre jaune contenant 1% d’oxyde d’uranium a été trouvé dans une ancienne villa romaine près de Naples, en Italie. À la fin du Moyen Âge, la pechblende était extraite des mines d’argent et était utilisée comme colorant dans l’industrie verrière. L’identification de l’uranium en tant qu’élément est généralement attribuée à Martin H. Klaproth. En 1789, alors qu’il faisait des expériences avec de la pechblende, il a conclu qu’elle contenait un nouvel élément, qu’il a nommé d’après la planète Uranus récemment découverte (d’après le dieu grec du ciel ou des cieux). En réalité, Klaproth n’a pas identifié l’élément pur, mais l’oxyde d’uranium. Le métal pur a été isolé pour la première fois en 1841 par Eugène-Melchior Péligot, qui a réduit le tétrachlorure d’uranium anhydre avec du potassium métallique.
En 1896, Antoine H. Becquerel a découvert que l’uranium présentait une lumière ou des rayons invisibles ; c’était la radioactivité. En 1934, les recherches d’Enrico Fermi et d’autres ont finalement conduit à l’utilisation de la fission de l’uranium dans la première arme nucléaire utilisée en guerre, puis à l’utilisation pacifique de l’uranium comme combustible dans la production d’énergie nucléaire. La course aux armements qui a suivi pendant la guerre froide entre les États-Unis et l’Union soviétique a produit des dizaines de milliers d’armes nucléaires utilisant de l’uranium métal et du plutonium 239 dérivé de l’uranium. La sécurité de ces armes et de leurs matières fissiles après l’éclatement de l’Union soviétique en 1991 est une préoccupation constante.
En 1972, le physicien français Francis Perrin a découvert des réacteurs à fission nucléaire naturels préhistoriques et qui ne sont plus actifs dans des gisements de minerai d’uranium à la mine d’Oklo au Gabon, en Afrique de l’Ouest, connus collectivement sous le nom de réacteurs fossiles d’Oklo. Le gisement de minerai a 1,7 milliard d’années ; à cette époque, l’uranium 235 constituait environ 3 % de l’uranium total sur Terre (0,72 % aujourd’hui). Cette teneur est suffisamment élevée pour permettre une réaction en chaîne de fission nucléaire soutenue, à condition que d’autres conditions géologiques de soutien existent.
Isotopes
L’uranium est faiblement radioactif car tous les isotopes naturels (ou primordiaux) de l’uranium (238U, 235U et 234U) sont instables, avec des demi-vies variant entre 159 200 ans et 4,5 milliards d’années. On connaît 27 isotopes de l’uranium, de poids atomique 217-219, 222-240 et 242, dont les demi-vies varient de milliards d’années à quelques nanosecondes. L’uranium naturel se compose de trois isotopes principaux : 238U (abondance de 99,28%), 235U (0,71%) et 234U (0,0054%). (Le DOE américain a adopté la valeur de 0,711 comme étant son pourcentage officiel de 235U dans l’uranium naturel). Ces trois isotopes sont radioactifs, avec de faibles probabilités de subir une fission spontanée, mais en se désintégrant de préférence par émission alpha. La demi-vie de l’uranium-238 est d’environ 4,47 milliards d’années et celle de l’uranium-235 de 704 millions d’années, ce qui les rend utiles pour dater l’âge de la Terre. Cela suggère également que la moitié de l’uranium qui existait lors de la formation de la Terre s’est désintégré en d’autres éléments radioactifs et finalement en éléments stables. On pense qu’une grande partie de la chaleur interne de la Terre est attribuable à la désintégration des radio-isotopes de l’uranium et du thorium.
L’uranium-238 est un émetteur de particules α (occasionnellement, il subit une fission spontanée), se désintégrant par la « série de l’uranium » de la désintégration nucléaire, qui compte 18 membres, qui finissent tous par se désintégrer en plomb-206, par une variété de chemins de désintégration différents. La série de désintégration du 235U, appelée série de l’actinium, compte 15 membres, qui finissent tous par se désintégrer en plomb 207. Les taux constants de désintégration dans ces séries de désintégration rendent la comparaison des rapports entre les éléments parents et les éléments filles utile pour la datation radiométrique. L’uranium 234 est un membre de la « série de l’uranium », et il se désintègre en plomb 206 par une série d’isotopes à vie relativement courte. L’uranium 233 est fabriqué à partir du thorium 232 par bombardement neutronique, généralement dans un réacteur nucléaire, et le 233U est également fissile. Sa série de désintégration se termine par le thallium-205.
Sources
L’uranium est l’élément naturel le plus lourd disponible en grande quantité. Les éléments « transuraniens » plus lourds sont soit fabriqués par l’homme, soit ils n’existent qu’à l’état de traces dans les gisements de minerai d’uranium comme produits d’activation. L’uranium est présent à l’état naturel en faibles concentrations de quelques parties par million dans le sol, les roches et l’eau, et est extrait commercialement des minéraux uranifères. L’uranium, qui n’est pas aussi rare qu’on le pensait, est maintenant considéré comme plus abondant que le mercure, l’antimoine, l’argent ou le cadmium, et est à peu près aussi abondant que le molybdène ou l’arsenic. Il est présent dans de nombreux minéraux naturels tels que la pechblende, l’uraninite, la carnotite, l’autunite, l’uranophane et la tobernite. On le trouve également dans les roches phosphatées, le lignite, les sables de monazite, et il est récupéré commercialement à partir de ces sources. Le ministère de l’Énergie des États-Unis achète de l’uranium sous forme de concentrés U3O8 acceptables. Ce programme d’incitation a considérablement augmenté les réserves d’uranium connues.
Propriétés
L’uranium pur est un métal blanc argenté, faiblement radioactif, qui est plus dur que la plupart des éléments. Il est malléable, ductile, légèrement paramagnétique, fortement électropositif et est un mauvais conducteur électrique. L’uranium métal a une densité très élevée, étant environ 70 % plus dense que le plomb, mais légèrement moins dense que l’or. L’uranium métal présente trois modifications cristallographiques : alpha –> (688°C) –> bêta –> (776°C) –> gamma. L’uranium est pyrophorique lorsqu’il est finement divisé. Il est un peu plus mou que l’acier et est attaqué par l’eau froide à l’état finement divisé.A l’air, l’uranium métal se recouvre d’une couche d’oxyde. Les acides dissolvent le métal, formant l’état d’oxydation +3 qui s’oxyde rapidement par l’eau et l’air pour former des états d’oxydation plus élevés. L’uranium métal n’est pas affecté par les alcalis. L’uranium métal peut être préparé en réduisant les halogénures d’uranium avec des métaux alcalins ou alcalino-terreux ou en réduisant les oxydes d’uranium par le calcium, l’aluminium ou le carbone à des températures élevées. Le métal peut également être produit par électrolyse de KUF5 ou d’UF4, dissous dans un mélange de sels fondus de CaCl2 et de NaCl. L’uranium de haute pureté peut être préparé par la décomposition thermique des halogénures d’uranium sur un filament chaud.
L’uranium métal réagit avec presque tous les éléments non métalliques et leurs composés, la réactivité augmentant avec la température. Les acides chlorhydrique et nitrique dissolvent l’uranium, mais les acides non oxydants autres que l’acide chlorhydrique attaquent l’élément très lentement. Lorsqu’il est finement divisé, il peut réagir avec l’eau froide. Dans l’air, l’uranium métallique s’oxyde et se recouvre d’une couche sombre d’oxyde d’uranium. L’uranium forme une variété d’alliages et de composés dont les états d’oxydation les plus importants sont l’uranium(IV) et l’uranium(VI), et les deux oxydes correspondants sont, respectivement, le dioxyde d’uranium, UO2 et le trioxyde d’uranium, UO3. Outre les oxydes, les autres composés importants de l’uranium sont les fluorures, chlorures, bromures, iodures, carbonates, hydrures, carbures, nitrures, phosphates, etc. À température ambiante, l’hexafluorure d’uranium, UF6, a une pression de vapeur élevée, ce qui le rend utile dans le processus de diffusion gazeuse utilisé pour séparer l’isotope rare U-235 de l’isotope commun U-238. Les hydrures, nitrures et carbures d’uranium sont des composés semi-métalliques relativement inertes qui sont peu solubles dans les acides et ont été utilisés comme des pastilles de combustible stable dans la technologie des réacteurs nucléaires.
L’uranium existe en solution aqueuse dans les états d’oxydation +3, +4, +5 et +6. L’état d’oxydation +6 sous la forme de l’ion UO22+ (de couleur jaune) est l’état le plus stable en solution. L’uranium à l’état +5 sous forme d’ion UO2+ est incolore, assez instable et se disproportionne (réagit avec lui-même) pour former les états +6 et +4. L’état +4 (vert) est raisonnablement stable en solution, mais l’état +3 (vert foncé ou rouge foncé selon la source d’éclairage – lumière du jour ou lumière fluorescente) est instable et s’oxyde facilement en +4. L’état +4 dans les solutions à pH presque neutre s’hydrolyse facilement pour former des précipités noirs d’oxy-hydroxyde.
Usages
L’uranium était utilisé comme colorant dans les glaçures de céramique et le verre dans la Rome antique et au Moyen Âge produisant des teintes rouge orangé à jaune citron. Plus récemment, il a été utilisé comme glaçure orange dans la vaisselle contemporaine Fiestaware©, mais son utilisation a été abandonnée pour des raisons de santé. De nombreuses utilisations contemporaines de l’uranium exploitent ses propriétés nucléaires uniques. L’uranium 235 a la particularité d’être le seul isotope fissile naturel. Cela signifie qu’il peut être divisé en deux ou trois fragments (produits de fission) par des neutrons thermiques. L’uranium 238 est fissible par des neutrons rapides et est fertile, ce qui signifie qu’il peut être transmuté en plutonium 239 fissile dans un réacteur nucléaire. Un autre isotope fissile, l’uranium-233, peut être produit à partir du thorium naturel et est également important dans la technologie nucléaire. Alors que l’uranium-238 a une faible probabilité de fission spontanée ou même de fission induite avec des neutrons rapides, l’uranium-235 et, à un moindre degré, l’uranium-233 ont une section de fission beaucoup plus élevée pour les neutrons lents. En concentration suffisante, ces isotopes entretiennent une réaction nucléaire en chaîne soutenue. Cette réaction génère la chaleur dans les réacteurs nucléaires et produit la matière fissile pour les armes nucléaires. Cette conversion nucléaire peut être réalisée dans des surgénérateurs où il est possible de produire plus de nouvelles matières fissiles que celles utilisées pour entretenir la réaction en chaîne. L’uranium appauvri (238U) (appauvri en uranium 235) est utilisé dans la pénétration des blindages balistiques et comme blindage.
L’uranium 238 n’est pas fissile, mais c’est un isotope fertile, car après activation neutronique, il peut produire du plutonium 239, un autre isotope fissile. En effet, le noyau238U peut absorber un neutron pour produire l’isotope radioactif uranium-239. Le 239U se désintègre par émission bêta en neptunium-239, également émetteur bêta, qui se désintègre à son tour, en quelques jours, en plutonium-239. Le 239Pu a été utilisé comme matière fissile dans la première bombe atomique qui a explosé lors du « test Trinity » le 15 juillet 1945 au Nouveau-Mexique.
L’uranium 235 est d’une importance encore plus grande car il est la clé de l’utilisation de l’uranium. Le 235U, bien qu’il ne soit présent dans l’uranium naturel qu’à hauteur de 0,71%, est tellement fissible avec des neutrons lents qu’une réaction en chaîne de fission auto-entretenue peut être réalisée dans un réacteur construit uniquement à partir d’uranium naturel et d’un modérateur approprié, comme l’eau lourde ou le graphite.
L’uranium 235 peut être concentré par diffusion gazeuse et par d’autres procédés physiques, si on le souhaite, et utilisé directement comme combustible nucléaire, à la place de l’uranium naturel, ou utilisé comme explosif.
L’uranium naturel, légèrement enrichi en 235U par un faible pourcentage, est utilisé pour alimenter les réacteurs nucléaires pour produire de l’électricité. Le thorium naturel peut être irradié par des neutrons pour produire l’important isotope 233U comme suit : 232Th(n, gamma) –> 233Th(bêta) –> 233Pa(bêta) –> 233U. Si le thorium lui-même n’est pas fissible, le 233U l’est et peut donc être utilisé comme combustible nucléaire. Une livre d’uranium complètement fissionné a la valeur combustible de plus de 1500 tonnes de charbon.
Les utilisations des combustibles nucléaires pour produire de l’énergie électrique, pour fabriquer des isotopes à des fins pacifiques et pour fabriquer des explosifs sont bien connues. Aux Etats-Unis, l’uranium est contrôlé par la Commission de réglementation nucléaire américaine. De nouvelles utilisations sont trouvées pour l’uranium appauvri, c’est-à-dire l’uranium dont le pourcentage de 235U est réduit à environ 0,2 %. L’uranium est utilisé dans les dispositifs de guidage inertiel, dans les gyro-compas, comme contrepoids pour les gouvernes des avions, comme lest pour les véhicules de rentrée des missiles et comme matériau de blindage. L’uranium métal est utilisé comme cible pour la production de rayons X à haute énergie ; le nitrate était autrefois utilisé comme toner photographique, et l’acétate était autrefois utilisé en chimie analytique. Les cristaux de nitrate d’uranium sont triboluminescents. Les sels d’uranium ont également été utilisés pour produire du verre et des glaçures jaunes « Vaseline ».
Dangers
L’uranium et ses composés sont très toxiques, tant du point de vue chimique que radiologique. L’uranium métallique finement divisé, étant pyrophorique, présente un risque d’incendie. Dans la nature, l’U(VI) forme des complexes carbonatés très solubles à pH alcalin. Il en résulte une augmentation de la mobilité et de la disponibilité de l’uranium dans les eaux souterraines et le sol à partir des dépôts de déchets nucléaires, ce qui entraîne des risques pour la santé. Travailler avec de l’uranium nécessite de connaître les concentrations maximales admissibles qui peuvent être inhalées ou ingérées. Récemment, la présence naturelle d’uranium dans de nombreux sols est devenue un sujet de préoccupation pour les propriétaires de maisons en raison de la génération de gaz radon radioactif et de ses filles, en particulier dans les espaces confinés à faible circulation tels que les sous-sols.
Mise à jour par le Dr David Hobart, le 23 juillet 2013
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