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Uranium
Protactinium ← Uranium → Neptunium Nd     92 U                                                                                                                                                                                                                                           U  ? Table complète • Table étendue
Général
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
Propriétés atomiques
Masse atomique	238,028 91 u
Rayon atomique (calc)	175 (?) pm
Rayon de covalence	? pm
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	5
Oxyde	base faible
Structure cristalline	Orthorhombique
Propriétés physiques
État ordinaire	Solide
Température de fusion	1405 K
Température de vaporisation	2070 K
Énergie de fusion	15,48 kJ/mol
Énergie de vaporisation	477 kJ/mol
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
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. On le trouve partout à l'état de traces, 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 U-235 est le seul élément fissible naturel. Sa fission libère une énergie voisine de 200 MeV par atome fissionné. Cette énergie est environ un million de fois supérieure à celle des combustibles fossiles pour une même masse de combustible mise en jeu. De ce fait, c'est aujourd'hui la matière première initiale pour toute l'industrie nucléaire; toutefois le thorium représente également un combustible potentiel pour l'énergie nucléaire de fission.

modifier L'uranium naturel

modifier Abondance

L'uranium naturel est présent dans pratiquement tous les milieux naturels : roches et eau. Il y a en effet 3 mg d'uranium par m³ d'eau de mer¹, ce qui représente 4,5 milliards de tonnes d'uranium dans les océans.
L'uranium est présent dans tous les types d'eau : le Rhône en charrie en effet près de 29 tonnes environ chaque année. Cet uranium provient du ruissellement des pluies sur les Alpes. L'extraction de l'uranium de l'eau n'aurait cependant aucune rentabilité énergétique².

L'uranium est répandu dans toute l'écorce terrestre, notamment dans les terrains granitiques et sédimentaires. La concentration d'uranium dans ces roches est de l'ordre de 3 g/tonne³. À titre d'exemple, un jardin carré de 20 m de côté contient, pour une profondeur de 10 m, environ 24 kg d'uranium.

À l'époque géologique actuelle, la chaleur interne de la Terre provient principalement de la désintégration de corps radioactifs, notamment l'uranium 238 et 235 (et quelques autres)⁴.

modifier Découverte de l'uranium

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 Joachchimsthal⁵. 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 alors⁶ la masse volumique de l'uranium à 19 g/cm³.

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 : le Français Henri Becquerel avait découvert le phénomène de la radioactivité naturelle.

modifier Gisements et exploitation

Article détaillé : Extraction de l'uranium.

modifier L'uranium dans la mer et les eaux naturelles

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

• La mer : 3,3 µg/l ⁷
• 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 ⁸
• Eau de Vichy : 20 µg/l
• Le seuil OMS pour les eaux de boisson est fixé temporairement à 2 µg/l⁹

modifier 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 126 et 150 neutrons.

A 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.

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 uranyles () 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 :

modifier Toxicité et radiotoxicité

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.¹⁰ 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 70µg/kg de poids corporel ou 16µg/g de rein (limite de 3µg/g de rein pour la protection des travailleurs).¹¹

Quel que soit son enrichissement, la radioactivité de l'uranium est toujours du type alpha de l'ordre de 4.5MeV. 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, 0.05µSv/Bq (F) à 0.008µSv/Bq (S) en ingestion, les poumons et les os étant alors les organes critiques.¹²

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 ¹³.

modifier Effets sur la reproduction et le développement

Reprotoxicité : 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 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 ¹⁴, ¹⁵.

L'uranium nuit aussi au développement ;

• il induit une toxicité foetale 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. ¹⁶.

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 rongeur de labo.¹⁷.

modifier 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.¹⁸, 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.¹⁹

modifier Propriétés radiologiques

modifier 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 dites "atomiques" (ou « bombes à fission »), ou comme "amorce" dans les bombes H (« bombes à fusion » ou « à hydrogène »).

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 atome de CO₂ produit²⁰: 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: Un kilogramme d'uranium naturel permet la production de 500_000 Mégajoule (MJ) 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.²¹

modifier 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 s'est "éteint" depuis longtemps, par désintégration α en ²³²Th, bien qu'ayant une demi-vie presque du centuple de celle de l'isotope 234.

modifier 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, l'U238 a une activité massique de 12.4 Bq/mg ; l'U235 de 80 Bq/mg; et l'U234 de 230 Bq/µg, soit 230000 Bq/mg - quatre ordre de grandeur au-dessus des précédents.

• L'uranium naturel chimiquement purifié (essentiellement composé d'U238 en équilibre avec son descendant l'U234) 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 trois (si le Radon peut s'échapper) à sept fois plus importante.
• L'uranium enrichi est plus actif, partiellement du fait de l'activité plus importante de l'U235 (6.33 fois plus radioactif que l'U238), mais surtout à cause de la concentration différentielle en U234 (dix mille fois plus radioactif que l'U238), toujours présent à l'état de traces dans la chaine de désintégration de l'U238. 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 débarrassé non seulement de sa fraction d'U235, mais également du descendant U234. Immédiatement après l'enrichissement, son activité massique tend à se rapprocher de celle de l'U238 pur, c'est à dire de l'ordre de 12.5 Bq/mg (en pratique, un peu plus du fait de la présence d'U235). Cependant, l'équilibre entre U238 et ses deux premiers descendants (Thorium 234, de période 24 jours, et Protactinium 234) est atteint rapidement, en deux mois, la radioactivité spécifique à l'équilibre (avec ses deux premiers descendants) étant déjà de 41.5 Bq/mg.²²

modifier Utilisation

Pastilles de combustible nucléaire d'uranium.

modifier 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.

modifier Contrôle des matières nucléaires

L'uranium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).

modifier 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 visé. 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).

modifier Voir aussi

• Contrôle des matières nucléaires
• Énergie nucléaire
• Tableau périodique des éléments
• Table des isotopes
• Extraction de l'uranium
• Cycle du combustible nucléaire

modifier Notes et références

modifier Liens externes

• (fr) Document de l'IRSN sur L'uranium et les risques associés
• (fr) L'uranium et ses gisements en France
• (en) Ressources d'uranium et énergie nucléaire (Uranium resources and nuclear energy)
• (fr) Tableau exhaustif des données concernant l'uranium
• (fr) Caractéristiques de l'Uranium
• (en) Toxicological Profile for Uranium, ATSDR, U.S. Department of Health and Human Services

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