Uranium
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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 (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...) enrichi en cet isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau...) est aujourd'hui utilisé comme combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) 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 (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste...) un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont...), 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 (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le...) 239. Ce radioisotope (Les radioisotopes, radionucléides ou radioéléments, contraction de radioactivité et d'isotope, sont des atomes dont le noyau est instable. Cette instabilité peut être due soit à un excès de protons ou de neutrons, soit à un excès des...) 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 (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) radioactive de l'uranium 238 comme indiqué dans la précédente section.

La fission d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...) 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 (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) de carburants fossiles, qui libèrent de l'ordre de 5 eV par molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) de CO2 produit: l'ordre de grandeur des énergies libérées par les combustibles nucléaires est un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un...) de fois plus importante que celle des énergies fossiles chimiques.

Le potentiel d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (Un réacteur peut désigner :) conventionnel, à comparer avec les 39 MJ obtenus par 1 kg de gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.), 45 MJ pour 1 kg de pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers...), 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 : 238U ; 235U et 234U. On trouve dans une tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En zoologie, la tonne cannelée est un...) 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 (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...) 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) l'uranium naturel sont pratiquement les mêmes : 238U : 99,28 % ; 235U : 0,71 %.

La proportion d'235U décroit à l'échelle des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) géologiques. Leur rapport de formation dans une supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation...) 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 (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par...) naturel d'Oklo, la proportion d'235U était encore de près de 4 %, ce qui a permis à ce gisement d'atteindre la criticité.

Le troisième isotope 234U appartient à la chaîne de désintégration (La chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou encore désintégration en cascade, désigne la série de désintégrations, apparaissant par...) de l'238U. L'isotope 234 est toujours présent sur Terre, à l'état de traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du premier...), bien qu'il ait une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou...) de seulement 245 500 ans ; car il est constamment généré par désintégration radioactive de l'isotope 238 (après 3 étapes : une transition α donnant 234Th, puis deux transitions β- donnant 234Pa, puis 234U). Quand il est à l'équilibre séculaire, la proportion entre 238U et 234U 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'234U, du fait d'une légère différence de comportement dans le changement U6+↔ U4+. Le rapport isotopique 234U/238U peut être perturbé par différents processus environnementaux, tandis que le rapport 235U/238U reste assez largement constant.

L'industrie nucléaire (L’industrie nucléaire comprend l'ensemble des procédés de transformation et des acteurs économiques qui utilisent les propriétés du...) produit deux autres isotopes artificiels de l'uranium, relativement stables à échelle humaine :

  • L'isotope 236 est produit en réacteur par irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux...) 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 (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui...), dont il augmente fortement la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène...), 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 (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) 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 (Le terme d'activité peut désigner une profession.) 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, 238U a une activité massique de 12,4 Bq/mg, 235U de 80 Bq/mg, et 234U 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 235U et de 238U en équilibre avec son descendant 234U), a une activité spécifique de l'ordre de 25 Bq/mg. En amont, à poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé...) 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 (Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de numéro atomique 86. C'est un gaz rare, radioactif, d'origine naturelle, qui est...) peut s'échapper) à 7 fois plus importante.
  • L'uranium enrichi est plus actif, partiellement du fait de l'activité plus importante de 235U (6,33 fois plus radioactif que l'238U), mais surtout à cause de la concentration différentielle en 234U (10 000 fois plus radioactif que 238U), 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 238U 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'235U). Cependant, l'équilibre entre 238U 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 (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi...) radioactif gris à blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre...) (voire argenté), qui rappelle la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) du nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.). 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’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), l'uranium s'enflamme spontanément dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude,...) à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) 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 (Une combinaison peut être :) avec d’autres éléments, tels l'oxygène, l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant,...), le soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), 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 (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) uraneux (UO2).

Enfin, les ions uranyle (\begin{smallmatrix}\mathrm{UO_2^{2+}}\end{smallmatrix}) se dissolvent très bien dans la plupart des acides, comme dans l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) nitrique ou fluorhydrique en donnant des sels d'uranyle tels que le nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l'acide nitrique. La formule chimique de l’ion nitrate est NO3−.) d'uranyle. L'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à...) de la dissolution de l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui...) uranyle en sel uranyle dans l'acide nitrique est la suivante :

\mathrm{UO_2^{2+}+2NO_3^-\to UO_2(NO_3)_2}

Dérivé organo-uranien

Comme la plupart des métaux, l'uranium a une chimie organo-métallique (Un organométallique est un composé chimique comportant au moins une liaison carbone-métal. Il est néanmoins courant que l'on désigne sous ce terme l'ensemble des composés combinant un métal et...) et de nombreux complexes organo-métalliques tel l'uranocène sont connus.

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