L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou l'arsenic, 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 lourd radioactif (émetteur alpha) de période très longue (4,5 milliards d'années pour l'uranium 238 et 700 millions pour l'uranium 235). 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 maintien en fusion le manteau terrestre.
L'isotope U est le seul isotope fissile naturel. Sa fission libère une énergie voisine de 200 MeV par atome fissionné. Cette énergie est plus d'un million de fois supérieure à celle des combustibles fossiles pour une masse équivalente. De ce fait, l'uranium est devenu la principale matière première utilisée par l'industrie nucléaire.
Uranium naturel
Abondance
L'uranium est une ressource non renouvelable, pas toujours facilement exploitable dans des conditions économiques acceptables.
L'uranium est répandu dans les profondeurs du globe (la désintégration d'uranium 238 et 235 et d'autres radionucléides entretient encore en chaleur le cœur métallique, mais surtout le manteau rocheux de la Terre, et donc toute sa géothermie.
Il est plus abondant dans la nature que l'or ou l'argent. Il est également présent dans toute l'écorce terrestre, surtout dans les terrains granitiques et sédimentaires, à des teneurs d'environ 3 g/tonne. Ainsi, le sous-sol d'un jardin sur un carré de 20 m de côté peut-il en contenir, sur une profondeur de 10 m, environ 24 kg. Ce qui fait de l'ordre du millier de milliards de tonnes rien que pour l'écorce terrestre, sans compter le manteau. En terme de réserve mondiale, cependant, l'immense majorité de cette masse est bien sûr inexploitable dans les conditions économiques actuelles.
L'eau de mer contient environ 3 mg d'uranium par m selon le CEA et la COGEMA, soit 4,5 milliards de tonnes d'uranium dissout dans les océans.
Les eaux douces en contiennent souvent aussi en diverses concentrations ; dont par exemple le Rhône qui en charrie environ 29 t/an, provenant essentiellement du ruissellement des roches uranifères des Alpes. Pourtant, en extraire de l'eau ne serait pas énergétiquement rentable.
Dans la mer et les eaux naturelles
Les concentrations en uranium (l'élément chimique uranium) dans les eaux « naturelles » sont les suivantes :
Eau de Badoit : 58 µg/l à la source, 5,45 µg/l après traitement
Eau de Vichy : 20 µg/l
Le seuil OMS pour les eaux de boisson est fixé temporairement à 2 µg/l
Ce seuil temporaire de 2003 de l'OMS est maintenant obsolète, le nouveau seuil est de 1,4 mg/l avec une recommandation à 15 µg/l depuis 2006. (voir aussi en fin d'article pour les références).
Découverte
Minerai d'uranium.
L'uranium est mis en évidence en 1789 par le chimiste prussien Martin Heinrich Klaproth qui examine un morceau de roche qu'on lui a apporté de Saint Joachimsthal. Cette roche est de la pechblende (UO2), un minerai d'uranium. Klaproth donna le nom d'« urane » ou « uranite » au composé qu'il venait d'identifier, en référence à la découverte de la planète Uranus faite par William Herschel 8 ans plus tôt (1781).
Ce n'est qu'en 1841 que le chimiste français Eugène-Melchior Péligot établit que l'urane était composé de deux atomes d'oxygène et d'un de métal qu'il isola et nomma uranium. Il estima alors la masse volumique de l'uranium à 19 g/cm.
Le Français Henri Becquerel ne découvrit la propriété radioactive de l’uranium que beaucoup plus tard, en 1896, lorsqu'il constata que des plaques photographiques placées à côté de sels d'uranium avaient été impressionnées sans avoir été exposées à la lumière. Les plaques avaient été noircies par les rayonnements émis par les sels : c'était la manifestation d'un phénomène jusqu'alors inconnu, la radioactivité naturelle.
Gisements et exploitation
Le minerai d'uranium est appelé uraninite, ou pechblende. Ce minerai, extrait notamment au Congo (Hiroshima et Nagasaki), Canada, en Russie, au Kazakhstan, en Namibie et au Niger, est néanmoins trop peu concentré en isotope fissile pour être utilisé directement dans les centrales nucléaires de type Pressurized Water Reactor. C'est la raison pour laquelle il doit être purifié sous forme de yellowcake puis enrichi en uranium 235 dans des centrifugeuses. Les centrales de type CANDU utilisent l'uranium naturel mais exigent beaucoup d'eau lourde comme modérateur.
Propriétés
Propriétés radiologiques
Produit fissible naturel
L'uranium 235 est le seul nucléide naturel qui soit fissile, ou fissible, autrement dit il peut, par capture de neutron, se scinder en deux noyaux fils avec émission de neutrons (fission nucléaire). Par suite, l'uranium enrichi en cet isotope est aujourd'hui utilisé comme combustible nucléaire dans les réacteurs nucléaires (voir cycle du combustible nucléaire) ou encore dans les armes nucléaires, que ce soient les bombes atomiques, ou comme amorce dans les bombes H.
Au contraire de l'uranium 235, l'uranium 238, lorsqu'il capture un neutron, ne fissionne pas (sauf neutrons rapides). Il devient de l'uranium 239 instable qui, par désintégration β − , va se transformer en neptunium 239. Or ce dernier est lui aussi radioactif β − , et va alors donner naissance à un nouveau noyau, le plutonium 239. Ce radioisotope est fissile, comme l'uranium 235. L'uranium 238 est un isotope fertile, qui peut produire des produits fissiles.
L'uranium 234 n'est, lui, ni fissile, ni fertile, et provient de la décomposition radioactive de l'uranium 238 comme indiqué dans la précédente section.
La fission d'un atome d'uranium 235 libère de l'ordre de 200 MeV (la valeur exacte dépendant des produits de fission). 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.
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 500 000 MJ dans un réacteur conventionnel, à comparer avec les 39 MJ obtenus par 1 kg de gaz naturel, 45 MJ pour 1 kg de pétrole, et 20 à 30 MJ pour le charbon.
Les isotopes de l'uranium naturel
L'uranium a 17 isotopes, tous radioactifs, dont 3 seulement sont présents à l'état naturel : U ; U et U. On trouve dans une tonne d'uranium naturel pur 7,1 kg d'uranium 235 et 54 g d'uranium 234, le reste étant de l'uranium 238.
Les isotopes 238 et 235 ont beaucoup d'applications, militaires notamment, mais aussi civiles, comme, par exemple, la datation de l'âge de la Terre à partir de la datation radiométrique à l'uranium-plomb ou à l'uranium-thorium.
Quelles que soient les teneurs en uranium des milieux, les proportions entre les deux principaux isotopes formant l'uranium naturel sont pratiquement les mêmes : U : 99,28 % ; U : 0,71 %.
La proportion d'U décroit à l'échelle des temps géologiques. Leur rapport de formation dans une supernova est de un à 1,65, c'était la proportion de l'uranium présent sur terre il y a 6,5 milliards d'années, ce qui correspond sensiblement à l'âge de leur formation (voir formation et évolution du système solaire). Il y a deux milliards d'années, lors de la période de fonctionnement du réacteur nucléaire naturel d'Oklo, la proportion d'U était encore de près de 4 %, ce qui a permis à ce gisement d'atteindre la criticité.
Le troisième isotope U appartient à la chaîne de désintégration de l'U. L'isotope 234 est toujours présent sur Terre, à l'état de traces, bien qu'il ait une demi-vie de seulement 245 500 ans ; car il est constamment généré par désintégration radioactive de l'isotope 238 (après 3 étapes : une transition α donnant Th, puis deux transitions β donnant Pa, puis U). Quand il est à l'équilibre séculaire, la proportion entre U et U est égale au rapport des demi-vies, soit 0,0056 %.
Cependant, les rapports isotopique peuvent varier légèrement d'un gisement à l'autre, entre 0,005 % et 0,006 % pour l'U, du fait d'une légère différence de comportement dans le changement U↔ U. Le rapport isotopique U/U peut être perturbé par différents processus environnementaux, tandis que le rapport U/U reste assez largement constant.
L'industrie nucléaire produit deux autres isotopes artificiels de l'uranium, relativement stables à échelle humaine :
L'isotope 236 est produit en réacteur par irradiation de l'isotope 235, qui dans près de 18 % des cas ne fissionne pas mais absorbe un neutron. Il tend à s'accumuler dans l'uranium de recyclage, dont il augmente fortement la radioactivité, et dont (étant neutrophage) il diminue le potentiel énergétique. Bien qu'ayant une demi-vie de {{unité|23|millions} d'années, presque du centuple de celle de l'isotope 234, cet isotope a disparu depuis longtemps dans la nature, et se trouve à présent majoritairement sous forme de thorium 232 (et les éléments de sa chaîne de désintégration).
L'isotope 233 est un élément fissile produit en réacteur par irradiation du thorium. Il est à la base du cycle du thorium. Sa demi-vie de 159000 est largement supérieure à celle du plutonium.
Activité massique
L'uranium pur est radioactif, son activité massique dépendant à la fois de son enrichissement, et de la fraîcheur de sa purification chimique.
Si l'on considère les isotopes purs de l'uranium, U a une activité massique de 12,4 Bq/mg, U de 80 Bq/mg, et U de 230 Bq/µg, soit 230 000 Bq/mg — quatre ordres de grandeur au-dessus des précédents.
L'uranium naturel, quand il est chimiquement purifié (essentiellement composé de U et de U en équilibre avec son descendant U), a une activité spécifique de l'ordre de 25 Bq/mg. En amont, à poids égal d'uranium, la radioactivité d'un minerai, où il est en équilibre avec tous les éléments radioactifs de sa chaîne de désintégration, est naturellement 3 (si le Radon peut s'échapper) à 7 fois plus importante.
L'uranium enrichi est plus actif, partiellement du fait de l'activité plus importante de U (6,33 fois plus radioactif que l'U), mais surtout à cause de la concentration différentielle en U (10 000 fois plus radioactif que U), toujours présent à l'état de traces dans la chaine de désintégration de l'isotope 238. Elle atteint typiquement 2 500 Bq/mg pour un enrichissement de 90 % (uranium dit de qualité militaire). Pour les enrichissements de l'ordre de 3 %, destinés aux centrales nucléaires, l'activité spécifique est de l'ordre de 60 Bq/mg.
Inversement, l'uranium appauvri est presque entièrement débarrassé non seulement de sa fraction de l'isotope 235, mais également de son descendant l'isotope 234. Immédiatement après l'enrichissement, son activité massique tend à se rapprocher de celle de U pur, c'est-à-dire de l'ordre de 12,5 Bq/mg (en pratique, un peu plus du fait de la présence résiduelle d'U). Cependant, l'équilibre entre U et ses deux premiers descendants (le thorium 234 de période 24 jours, et le protactinium 234) est atteint rapidement, en 2 mois. La radioactivité spécifique à l'équilibre (avec ses deux premiers descendants) étant déjà de 41,5 Bq/mg.
Propriétés chimiques
De symbole U, l'uranium est le dernier élément naturel du tableau périodique de Mendeleïev. Chaque atome d'uranium possède 92 protons et entre 125 et 150 neutrons.
À l'état pur, l'uranium solide est un métal radioactif gris à blanc (voire argenté), qui rappelle la couleur du nickel. Il est dur et très dense. De plus, l'uranium est l'atome le plus lourd (qui contient le plus de nucléons) présent naturellement sur la Terre.
En raison de son affinité pour l'oxygène, l'uranium s'enflamme spontanément dans l'air à température élevée, voire à température ambiante lorsqu'il se trouve sous forme de microparticules. Il est pyrophorique.
Ainsi dans la nature, l'élément uranium se retrouve toujours en combinaison avec d’autres éléments, tels l'oxygène, l'azote, le soufre, le carbone ; en oxydes, nitrates, sulfates ou carbonates. On le trouve, par exemple, en combinaison avec l'oxygène dans l'uranite et la pechblende, deux des principaux minerais d'uranium, constitués d'oxyde uraneux (UO2).
Enfin, les ions uranyle (UO22+) se dissolvent très bien dans la plupart des acides, comme dans l'acide nitrique ou fluorhydrique en donnant des sels d'uranyle tels que le nitrate d'uranyle. L'équation de la dissolution de l'ion uranyle en sel uranyle dans l'acide nitrique est la suivante :
UO22++2NO3−→UO2(NO3)2
Dérivé organo-uranien
Comme la plupart des métaux, l'uranium a une chimie organo-métallique et de nombreux complexes organo-métalliques tel l'uranocène sont connus.
Applications
Utilisations historiques
Verre à l'uranium fluorescent sous éclairage ultra-violet.
Le minerai d'uranium a été utilisé 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. Il a été utilisé pour colorer des céramiques dentaires à de très faibles concentrations. Il produit une pigmentation jaune à faibles concentrations, puis crème, orange, brun, vert, ou noir, quand la concentration augmente.
Il sert également de catalyseur dans certaines réactions chimiques spécialisées et dans des films photographiques.
L'uranium appauvri a également été utilisé pour ces emplois physico-chimiques.
Industrie nucléaire
Pastilles de combustible nucléaire d'uranium
Historiquement, la première utilisation du minerai d'uranium par l'industrie nucléaire a été d'en extraire le radium, pour des applications médicales.
Le principal usage contemporain de l'uranium exploite ses propriétés nucléaires.
L'uranium 235 est le seul isotope fissile naturel, ce qui permet l'exploitation de l'uranium dans les réacteurs nucléaires (après un éventuellement enrichissement), ainsi que pour la fabrication d'armes nucléaires (après un fort enrichissement).
L'uranium 238 est à la fois fissible dans les réacteurs à neutrons rapides, et fertile : par capture neutronique il se transforme finalement en plutonium 239, fissile. Il est envisagé d'exploiter cette double possibilité dans le cycle du combustible nucléaire, pour des cycles fondés sur la combustion du plutonium.
L'uranium 233, qui peut être artificiellement produit par irradiation du thorium, est également fissile en neutrons thermiques. Cette possibilité est à la base d'un cycle surgénérateur fondé sur le thorium.
Contrôle des matières nucléaires
L'uranium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).
Uranium appauvri
L'uranium appauvri, un sous-produit de l'enrichissement de l'uranium, est très prisé pour sa dureté et sa densité. 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. Ainsi, des munitions à base d'uranium appauvri (obus de 20 à 30 mm des avions ou hélicoptères chasseurs de chars) ont été utilisées lors des guerres du Golfe (guerre du Koweït et guerre en Irak) et du Kosovo. De plus, il est pyrophorique et il est donc employé comme arme antichar dotée d'un fort pouvoir à la fois pénétrant et incendiaire.
Dans ses emplois militaires, l'uranium appauvri est également utilisé pour faire des plaques de blindages.
L'uranium appauvri a aussi été utilisé comme contrepoids en aviation, sur les premiers Boeing 747, les McDonnell Douglas DC-10 , les Lockheed L-1011 TriStar par exemple, ce qui pose le problème du recyclage de ces avions qui, pour beaucoup, arrivent en fin de vie. Dans cet emploi, il est progressivement remplacé par le tungstène.
Il est également utilisé pour faire des écrans de protection radiologique, fonction pour laquelle il est plus efficace que le plomb.
Avec un complément de plutonium, l'uranium appauvri constitue un combustible nucléaire appelé « combustible MOX ». Il sert d'élément fertile dans les réacteurs, où l'U se transforme par irradiation en Pu fissile.
Toxicité
Toxicité chimique
L'uranium présente une toxicité comparable à celle d'autres métaux lourds, du même ordre que celle du plomb. La dose létale pour l'homme semble être de quelques grammes.
La majeure partie de l’uranium pénétrant dans l’organisme (plus de 95 %) n’est pas absorbée et s’élimine dans les fèces. Environ 67 % de l’uranium sanguin est filtré par les reins et excrété dans les urines dans les 24 heures.
Le système digestif absorbe globalement entre 0,2 et 2 % de l’uranium présent dans l’eau et les aliments. Les composés solubles de ce métal sont plus facilement absorbés que les composés insolubles. Le contenu normal d'un corps humain en équilibre avec son environnement est de l'ordre de 90 à 150 µg d'uranium, résultant d'un apport journalier de l'ordre de 1 à 2 µg/jour par l'eau courante et l'alimentation. Les deux tiers s'accumulent dans les os, 16 % dans le foie, 8 % dans les reins et 10 % dans les autres tissus.
Le rein est l'organe critique pour la toxicité chimique. Les études à long terme portant sur des professionnels exposés à l’uranium ont signalé certains troubles de la fonction rénale selon l’intensité de l’exposition. Il semblerait néanmoins d’après certaines données que ces troubles puissent être transitoires et que la fonction rénale revienne à la normale après élimination de la source d’une exposition excessive. Le seuil de toxicité chimique rénale est estimé à 70 µg/kg de poids corporel ou 16 µg/g de rein (limite de 3 µg/g de rein pour la protection des travailleurs).
Radiotoxicité
Quel que soit son enrichissement, la radioactivité de l'uranium est toujours du type alpha de l'ordre de 4,5 MeV. Sa radiotoxicité dépend donc de son activité massique et faiblement de sa composition. Elle est de l'ordre de 0,6 µSv/Bq (F) à 7 µSv/Bq (S) en inhalation, 0,05 µSv/Bq (F) à 0,008 µSv/Bq (S) en ingestion, les poumons et les os étant alors les organes critiques.
La radiotoxicité de l'uranium serait du même ordre de grandeur que celle de la toxicité chimique : elle l'emporte pour des enrichissements supérieurs à 6 %, la toxicité chimique étant sinon prépondérante.
Épidémiologie
Effets sur la reproduction
L'uranium est aussi reprotoxique via notamment un effet délétère sur les organes reproducteurs ; soit du fait de sa radioactivité, soit du fait de sa chimiotoxicité, et peut-être des deux. L'uranium a chez l'animal des effets démontrés ; sur le système reproducteur: Chez le rongeur de laboratoire, la barrière hémato-testiculaire (ou BHT) qui était réputée protéger le testicule peut en être franchie par le plutonium, l'américium et le polonium au moins grâce à la transferrine.
De l'uranium est significativement trouvé dans les testicules de rats ayant reçu un implant d'uranium dans le muscle d'une des pattes. Les récepteurs à la transferrine présent dans l'épithélium séminifère humain pourrait donc expliquer la présence d'uranium dans le sperme de soldats blessés par des munitions à l'uranium appauvri.
Des rats ayant des implants sous-cutanés d'uranium, et des souris abreuvées d'eau contenant de l'uranium produisent des cellules de Leydig altérées, ce qui perturbe la production d'hormones stéroïdes et se traduit par un sperme dégradé (spermatozoïdes moins nombreux et moins mobiles), expliquant les observations faites dès 1949 de diminution du nombre de portées et du nombre de petits par portée chez plusieurs espèces d'animaux ayant régulièrement ingéré de faibles doses de nitrate d'uranyle.
Effets sur le développement
il induit une toxicité fœtale et embryonnaire chez la souris chez laquelle un implant d'uranium a été posé dans le muscle d'une patte.
il est tératogène à doses plus élevées, avec mort de l'embryon exposé à une concentration 50 mg·kg·j durant 9 jours, 20 % inférieure à la dose létale pour l'adulte.
une souris gestante abreuvée avec une eau correspondant à une ingestion de 25 mg d'uranium/kg/j produit moins de jeunes. Ceux-ci ont ensuite des problèmes de développement et de survie.
La plupart des études et réglementations se fondent sur les effets sur l'animal, or les premières études ex vivo permises par les nouvelles techniques de cultures cellulaires laissent penser que les gonades humaines seraient plus sensibles à l'uranium que ne le sont celles des rongeurs utilisés en laboratoire. Le testicule foetal humain pourrait aussi être plus sensible que ceux des rongeurs de labo.
Normes
Il n'y a pas de consensus sur les normes ni la NOEL (dose sans effet nocif observé) de l'uranium, certains estimant que les effets délétères de la radioactivité peuvent exister quelle que soit la dose.
Pour la potabilité de l'eau, l'OMS a fixé une teneur maximale de 1,4 mg·l, tout en recommandant dans ses lignes directrices une concentration en uranium cent fois plus faible, inférieure à 15 µg/l, pour les eaux de boisson courante.
