Uranium

Mis en évidence peu après la découverte de la planète Uranus, de symbole U, l’uranium est le 92e et dernier élément naturel du tableau périodique. Chaque atome d’uranium possède 92 protons et entre 125 et 150 neutrons, bien loin de l’hydrogène qui possède 1 proton et 1 neutron… d’où l’instabilité de deux de ses trois isotopes naturels, ce qui conduisit à la découverte de la radioactivité.

L’uranium est mis en évidence en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth qui examine un morceau de pechblende de la mine d’argent de Saint Joachimsthal (Bohême) : le début d’une révolution… Il donna le nom d’« urane » au composé qu’il venait d’identifier, en référence à la découverte de la planète Uranus faite par William Herschel huit ans plus tôt.
En 1841, Eugène-Melchior Péligot établit que l’urane, UO2, était composé de deux atomes d’oxygène et d’un de métal qu’il isola par réduction du tétrachlorure d’uranium par le potassium et le nomma uranium.

C’est un élément d’abondance supérieure à celle de l’argent, comparable à celle du molybdène ou de l’arsenic, mais quatre fois moins abondant que le thorium. Il se trouve partout à l’état de trace, y compris dans l’eau de mer. C’est un métal radioactif (émetteur alpha) de période très longue ( 4,5 milliards d’années pour 238U et 700 millions 235U). Sa faible radioactivité, additionnée à celle de ses descendants dans la chaîne de désintégration, génère une puissance de 0,1 watt par tonne, ce qui en fait, avec le thorium (quatre fois plus abondant, mais trois fois moins radioactif), la principale source de chaleur qui tend à maintenir les hautes températures du manteau terrestre, en ralentissant son refroidissement.

Les réserves mondiales d’uranium sont, en 2009, estimées à 5,4 Mt, réparties essentiellement entre l’Australie (31 %), le Kazakhstan (12 %), le Canada (9 %), la Russie (9 %) et différents pays africains. La production mondiale est d’environ 50 000 t/an en 2009 provenant pour plus de la moitié du Kazakhstan (28 %), du Canada (20 %) et de l’Australie (16 %). Il faut également noter que l’eau de mer en contient environ 3 mg/m3, soit l’équivalent de… 4,5 Gt d’uranium dissous dans les océans.

L’uranium a 17 isotopes, tous radioactifs, dont 3 seulement sont présents à l’état naturel : 238U, 235U et 234U. Une tonne d’uranium naturel pur contient 7,1 kg de 235U et 54 g de 234U, le reste étant 238U. Quelles que soient les teneurs en uranium des milieux, les proportions entre les deux principaux isotopes formant l’uranium naturel sont pratiquement les mêmes (99,28 % et 0,71 %). La proportion de 235U décroît à l’échelle des temps géologiques. Il y a deux milliards d’années, lors de la période de fonctionnement du réacteur nucléaire naturel d’Oklo, mis en évidence dans une mine gabonaise, la proportion de 235U était encore de près de 4 %, ce qui a permis à ce gisement d’atteindre la criticité, lors de la précipitation des composés dissous formant la pechblende. Le troisième isotope, 234U, appartient à la chaîne de désintégration de 238U.

L’uranium 235 est le seul nucléide naturel qui soit fissible, autrement dit, il peut, par capture de neutron, se scinder en deux noyaux fils avec émission de neutrons : c’est la fission nucléaire. Au contraire de 235U, 238U, lorsqu’il capture un neutron, ne fissionne pas, sauf en présence de neutrons rapides. Il devient 239U, instable qui, par désintégration β, va se transformer 239Np, lui même radioactif β, qui va alors donner naissance à un nouveau noyau, le plutonium 239. 239Pu est fissile, comme 235U.
On dit que 238U est un isotope fertile, car il produit des produits fissiles. Par contre 234U n’est ni fissile, ni fertile, et provient de la décomposition radioactive de 238U.

L’uranium enrichi en 235U est aujourd’hui utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires ou encore dans les armes nucléaires, que ce soient les bombes A, ou comme amorce dans les bombes H. La fission d’un atome 235U libère de l’ordre de 200 MeV. De même, la fission d’un atome de plutonium 239 libère de l’ordre de 210 MeV. Ces valeurs sont à comparer avec celles de la combustion de carburants fossiles, qui libèrent de l’ordre de 5 eV par molécule de CO2 produit.

L’ordre de grandeur des énergies libérées par les combustibles nucléaires est un million de fois plus importante que celle des énergies fossiles chimiques. Il faut noter que le potentiel d’énergie de l’uranium n’est exploité que très partiellement dans les réacteurs actuels, mais la différence reste nette : 1 kg d’uranium naturel permet la production d’environ 500 GJ dans un réacteur conventionnel, à comparer avec les 49 MJ obtenus pour 1 kg de gaz naturel, 45 MJ pour 1 kg de pétrole, et 20 à 30 MJ pour le charbon.

L’enrichissement en 235U exploite la valeur du point triple de l’hexafluorure d’uranium, UF6, qui se situe à 64 °C pour une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. De plus, le fluor (cf. Fluor) possède un seul isotope naturel stable, 19F : par conséquent les masses moléculaires des isotopomères de UF6 différent uniquement par l’isotope d’uranium présent.

Les deux principales méthodes d’enrichissement de l’uranium sont actuellement la diffusion gazeuse au travers de membranes en céramique et l’ultracentrifugation et se basent sur les différences de masse de 238UF6 et 235UF6, faibles et nécessitant de ce fait des cascades de plusieurs milliers d’unités de séparation conduisant ainsi à d’impressionnants bâtiments que l’on peut voir depuis l’autoroute du Soleil au niveau de Pierrelatte, avant d’aller bronzer dans le sud de la France (et l’Espagne).

L’uranium appauvri, un sous-produit de l’enrichissement de l’uranium, est très prisé pour sa dureté et sa densité.

De plus, pyrophorique, il est employé comme arme antichar dotée d’un fort pouvoir à la fois pénétrant et incendiaire : à très haute vitesse, il perfore aisément les blindages en s’enflammant lors de l’impact, provoquant un incendie qui fait exploser le véhicule touché. Les gazettes et étranges lucarnes ont beaucoup parlé de ces applications lors de récentes guerres au Moyen-Orient et dans les Balkans et des conséquences environnementales et sanitaires de ces munitions.

Il a aussi été utilisé comme contrepoids en aviation, mais il est remplacé par le tungstène, encore plus dense, mais plus bénin pour l’environnement. La quille de certains voiliers de compétition comportait également de l’uranium enrichi, à la grande colère des australiens lors d’une certaine édition de la course entre Sydney et Hobart.

Le minerai d’uranium a été utilisé dès le début de notre ère comme pigment dans la verrerie, la céramique et la faïence, sous forme de diuranate de sodium ou d’ammonium. Dans le verre, l’uranium est typiquement utilisé à des concentrations de 0,1 % à 2 % en masse, et produit un jaune fluorescent ou légèrement vert, facile à identifier. Dans les céramiques, il produit une pigmentation jaune à faibles concentrations, puis crème, orange, brun, vert, ou noir, quand la concentration augmente.

Signalons aussi que la datation au moyen des isotopes 235U et 238U dans les filiations uranium-plomb et uranium-thorium a été une des méthodes employées pour déterminer l’âge de la Terre. Mais rappelons surtout que le phénomène de radioactivité fut découvert par hasard par Henri Becquerel à la suite de la sensibilisation de plaques photographiques laissées à côté de flacons de sels d’uranium : le tout début de l’ère nucléaire avec ses méfaits et ses bienfaits…,
d’où la...

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« 92, le métal terrible ! »

Sources

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