7440-61-1

Uranium

Pix.gif Uranium Nuvola apps edu science.svg
ProtactiniumUraniumNeptunium
Nd
  Orthorhombic.svg
 
92
U
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
U
Uqb
Table complèteTable étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Uranium, U, 92
Série chimique Actinides
Groupe, Période, Bloc L/A, 7, f
Masse volumique 19 050 kg/m3
Couleur Gris métallique
N° CAS 7440-61-1
N° EINECS 231-170-6
Propriétés atomiques
Masse atomique 238,028 91 u
Rayon atomique (calc) 175 (?) pm
Rayon de covalence  ?
Rayon de van der Waals 186 pm
Configuration électronique [Rn] 7s2 5f3 6d1
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
État(s) d'oxydation +3, +4, +5, +6
Oxyde base faible
Structure cristalline Orthorhombique
Propriétés physiques
État ordinaire Solide
Température de fusion 1 131,9 °C, 1405 K
Température d'ébullition 1 796,9 °C, 2070 K
Énergie de fusion 15,48 kJ/mol
Énergie de vaporisation 477 kJ/mol
Température critique  K
Pression critique  Pa
Volume molaire 12,49×10-6 m3/mol
Pression de vapeur 1,63×10-8 Pa à 453,7 K [réf. nécessaire]
Vitesse du son 3155 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1,38
Chaleur massique 120 J/(kg·K)
Conductivité électrique 3,8×106 S/m
Conductivité thermique 27,6 W/(m·K)
1e Énergie d'ionisation 597,6 kJ/mol
2e Énergie d'ionisation 1420 kJ/mol
3e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation3}}} kJ/mol
4e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation4}}} kJ/mol
5e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol
6e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol
7e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol
8e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol
9e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol
10e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation10}}} kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
232U {syn.} 68,9 a α
FS
cluster
5,414

 ?
228Th
PF
Pb
233U {syn.} 159 200 a α
FS
cluster
4,909

 ?
229Th
PF
Pb
234U 0,0056% 245 500 a α
FS
clusters
4,859

 ?
230Th
PF
Pb ; Hg
235U 0,720% 703,8×106 a α
FS
clusters
4,679

 ?
231Th
PF
Pb ; Hg
236U {syn.} 23,42×106 a α
FS
cluster
4,572

 ?
232Th
PF
206Hg
238U 99,2745% 4,4688×109 a α
FS
4,270
234Th
PF
Précautions
NFPA 704
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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). L'isotope 235U est le seul élément fissible 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, c'est aujourd'hui la matière première initiale pour toute l'industrie nucléaire.

Le thorium représente un autre combustible potentiel pour l'énergie nucléaire de fission, l'isotope 232Th étant fertile.

Sommaire

Uranium naturel

Abondance

L'uranium est répandu dans les profondeurs du globe (la désintégration d'uranium 238 et 235 et d'autres radionucléides[1] entretient encore en chaleur le cœur métallique, mais surtout[2] le manteau rocheux de la Terre, et donc toute sa géothermie.

Il est également présent dans toute l'écorce terrestre, surtout dans les terrains granitiques et sédimentaires, à des teneurs d'environ 3 g/tonne[3]. 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. L'immense majorité de cette masse étant bien sûr inexploitable.

L'eau de mer contient environ 3 mg d'uranium par m3 selon le CEA et la COGEMA[4], 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[5].

Dans la mer et les eaux naturelles

Les concentrations en uranium (l'élément chimique uranium) dans les eaux « naturelles » sont les suivantes :

  • La mer : 3,3 µg/l[6]
  • Le Rhône : 0,56 µg/l (débit annuel d’uranium = 29 tonnes)
  • L'Indus : 4,94 µg/l
  • Le Gange : 7 µg/l
  • Le Huang Ho : 7,5 µg/l

Dans les eaux de boisson :

  • Eau de Badoit : 58 µg/l à la source, 5,45µg/l après traitement[7]
  • Eau de Vichy : 20 µg/l
  • Le seuil OMS pour les eaux de boisson est fixé temporairement à 2 µg/l[8]

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 Joachchimsthal[9]. 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[10] la masse volumique de l'uranium à 19 g/cm3.

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

Article détaillé : Extraction de l'uranium.

Propriétés

Propriétés radiologiques

Article connexe : médecine nucléaire.

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[11]: 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 kilogramme d'uranium naturel permet la production d'environ 500 000 MJ[12] dans un réacteur conventionnel, à comparer avec les 39 MJ obtenus par un kg de gaz, 45 MJ pour un kg de pétrole, et 20 à 30 pour le charbon[13].

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.

Quelles que soient les teneurs en uranium des milieux, les proportions entre les trois isotopes formant l'uranium naturel sont (presque) exactement les mêmes : 238U : 99,28 % ; 235U : 0,71 % ; 234U : 0,0054 %.

On trouve donc 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.
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 234Th, puis deux transitions β- donnant 234Pa, puis 234U).

L'isotope 236 a disparu depuis longtemps, par désintégration α en 232Th, bien qu'ayant une demi-vie presque du centuple de celle de l'isotope 234.

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, 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 chimiquement purifié (essentiellement composé de 238U en équilibre avec son descendant 234U) a une activité spécifique de l'ordre de 25 Bq/mg. En amont, la radioactivité d'un minerai d'uranium, 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 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 2500 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[14].

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 (UO_2^{2+}) 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 :

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

Applications

Pastilles de combustible nucléaire d'uranium

Utilisations historiques

À l'origine, le minerai d'uranium était utilisé dans la céramique et la faïence pour ses pigments jaune, orange et vert.

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.

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. De plus, il est pyrophorique et il est donc employé comme arme antichar ayant un fort pouvoir 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. 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.

L'uranium appauvri est aussi utilisé, avec un complément de plutonium, comme nouveau combustible nucléaire (combustible MOX).

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 quelque grammes[15]. 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, le reste dans les reins et divers organes dont le cerveau et les testicules où il peut être délétère.
Le rein est l'organe critique pour la toxicité chimique. 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)[16].

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[17].

Radiotoxicité

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[18].

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[19]' [20].

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[21].

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[22].

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[23], 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[24].

Notes et références

  1. Avant la découverte de la radioactivité, Lord Kelvin avait estimé l'âge de la Terre à quelque 20 millions d'années, en supposant que la seule source d'énergie capable de s'opposer au refroidissement était la chaleur résiduelle, initialement produite par la formation de la Terre. Un âge de seulement quelques dizaines de millions d'années fut considéré beaucoup trop court par les géologues, et un vif débat s'ensuivit entre géologues et physiciens. Celui-ci ne devait prendre fin qu'une vingtaine d'années après la découverte de la radioactivité, trop tard pour Kelvin de faire amende honorable.
    Plus tard, les physiciens ont pu apporter aux géologues des méthodes de datation absolue des roches qui se basent sur la radioactivité et les abondances actuelles de certains radioéléments et de leurs produits de désintégration (voir radiochronologie).
  2. L'uranium est présent sur Terre essentiellement sous forme d'oxydes, donc incorporé dans les roches et très peu dans le noyau métallique. Mais la chaleur dégagée dans le manteau retarde le refroidissement du noyau.
  3. CNDP Commission particulière du débat public Gestion des Déchets Radioactifs : Débat public sur les déchets radioactifs ; Réponses aux questions
  4. Uranium : l'abondance au rendez-vous Les défis du CEA ; Décembre-Janvier 2002 N°94 p.4-5 par Olivier Donnars.
  5. Lorsque nous tomberons dans le gouffre énergétique (p.46) : De l'uranium jusqu'à quand ? - Revue du Réseau Sortir du Nucléaire N°37 déc-janvier 2008.
  6. Mentionné par comparaison dans un document portant sur l'incident du Tricastin
  7. www.sfrp.asso.fr/MAN/pdf/12%20-%20DOREMUS-PIERRE.pdf
  8. Recommandation concernant l'uranium
  9. Erwin Erasmus Koch (trad. André Pougetoux), Uranium, André Bonne Paris, coll. « L'homme et l'univers », Paris, 1960, 225 p., p. 15 
  10. Guide de la technique : l'énergie, Presses polytechniques et universitaires romandes, 1993.
  11. Données citées par la World Nuclear Association.
  12. « Théoriquement » la fission complète d'un kg d'uranium libère une chaleur de 80 millions de MJ. Mais dans un réacteur nucléaire, seulement environ 1 % (à quelques %) de l'uranium initialement présents subit réellement la fission, avant d'être remplacé.
  13. (en) D'après The Strategic Importance of Australia’s Uranium Resources, débat parlementaire australien.
  14. D'après l'Uranium, propriété et toxicité.
  15. Voir Health Physics - Abstract: Volume 94(2) February 2008; p.170-179
  16. D'après présentation de l'ISPN, « L’uranium, propriétés et toxicité. »
  17. Publication N° 68 de la CIPR, citée par l'IPSN dans sa présentation.
  18. D'après l'Uranium, propriété et toxicité.
  19. JL Domingo, 2001 reprod toxicol. 15, 603-9
  20. Arfsten DP et al. 2001, Toxicology in Health, 17 5610
  21. Article de la Revue Biofutur, signé S.Barillet, M.Carrière, H.Coffigny, V.Rouiller Fabre, B.Lefèvre, R.Habert, voir page 35 du Dossier spécial Toxicologie nucléaire.
  22. Article de la Revue Biofutur, signé S.Barillet, M.Carrière, H.Coffigny, V.Rouiller Fabre, B.Lefèvre, R.Habert, in Conclusion page 37 du Dossier spécial Toxicologie nucléaire.
  23. Site LENNTECH : Comparaison de normes sur l'eau potable.
  24. Voir le tableau des recommandations de l'OMS.

Voir aussi

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Voir « uranium » sur le Wiktionnaire.

Articles connexes

Liens externes


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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cp Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


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