Uranium : Propriétés et utilisations des éléments

Description de l'uranium

L'uranium est un métal dense, gris argenté ; il est peut-être mieux connu pour sa radioactivité et son rôle central dans l'énergie nucléaire. Figurant parmi les éléments naturels les plus lourds, l'uranium présente cette combinaison unique de réactivité chimique, d'états d'oxydation multiples et de caractéristiques nucléaires, ce qui le rend indispensable à la technologie moderne, à la production d'énergie et à la recherche scientifique.

Présentation de l'élément

Le grand intérêt des scientifiques, des chimistes et des ingénieurs pour l'uranium a toujours été lié à sa position unique dans le tableau périodique. Son numéro atomique est 92, ce qui en fait l'un des derniers éléments naturellement abondants et un pont entre les métaux lourds naturels et les éléments transuraniens synthétiques. Le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth l'a découvert en 1789, mais il a été considéré comme un simple métal lourd aux propriétés particulières jusqu'à la fin du XIXe siècle, lorsque la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel a montré la véritable importance scientifique de l'uranium.

Les principaux minéraux contenant de l'uranium sont l'uraninite, la carnotite et la brannérite ; l'uranium est exploité dans de nombreuses régions du monde. Sa haute densité, son poids presque deux fois supérieur à celui du plomb et sa capacité à subir une fission nucléaire en font un matériau important pour les industries civiles et militaires.

Propriétés chimiques Description

D'un point de vue chimique, l'uranium est très polyvalent, prenant des formes allant des états d'oxydation +3 à +6, avec une forme supplémentaire commune et stable représentée par +4 et +6. Cette flexibilité permet à l'élément de former un large éventail de composés, dont beaucoup jouent un rôle essentiel dans les cycles du combustible nucléaire et les applications industrielles.

- Le dioxyde d'uranium est la principale forme utilisée dans les pastilles de combustible nucléaire parce qu'il est stable, hautement réfractaire et compatible avec les conditions du réacteur.

- Les formes intermédiaires courantes au cours du traitement sont le trioxyde d'uranium (UO₃) et l'octoxyde de triuranium (U₃O₈).

- L'hexafluorure d'uranium (UF₆) est l'un des composés de l'uranium les plus importants sur le plan chimique. Sa volatilité le rend idéal pour les processus d'enrichissement qui séparent les isotopes requis pour les matières de qualité réacteur ou militaire.

La solubilité de l'uranium dans les systèmes environnementaux est fortement influencée par le pH et par la présence d'ions carbonate ou phosphate. Cette chimie détermine la façon dont l'uranium se déplace dans les eaux souterraines, la façon dont il est extrait par les mines et la façon dont il doit être géré dans les projets d'assainissement de l'environnement.

Propriétés physiques

Propriété.Valeur.Unité.Description

Numéro atomique 92 - Nombre de protons dans le noyau

Poids atomique 238,03 g/mol Masse moyenne des atomes d'uranium

Densité 19,1 g/cm³ Densité extrêmement élevée ; presque deux fois celle du plomb

Point de fusion 1132 °C Température à laquelle l'uranium solide devient liquide

Point d'ébullition 4131 °C Température à laquelle l'uranium se vaporise

Densité 19,1 - Densité relative par rapport à l'eau

Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

L'uranium métal pur est malléable et ductile, mais il ternit lorsqu'il est exposé à l'air et réagit facilement pour former une série d'oxydes d'uranium. Bien qu'il soit radioactif, les produits de désintégration sont principalement des particules alpha, qui ne peuvent pas pénétrer la peau, mais l'exposition interne est dangereuse et les contrôles de manipulation doivent être stricts.

U-235 et U-238 : Les isotopes importants

Deux isotopes définissent l'importance technologique de l'uranium : L'U-238 et l'U-235.

U-238

Environ 99,3 % de l'uranium naturel est constitué d'U-238. Bien qu'il ne soit pas facilement fissile, cet isotope est fertile, c'est-à-dire qu'il peut absorber un neutron et se transformer en plutonium 239, un isotope fissile utilisé à la fois dans les réacteurs et dans les armes nucléaires. Cette caractéristique fait que l'U-238 joue un rôle important à la fois dans les combustibles à oxydes mixtes (MOX) et dans les technologies des surgénérateurs.

U-235

L'uranium naturel ne contient que 0,72 % d'U-235, mais c'est le seul isotope naturel capable d'entretenir une réaction en chaîne. L'isotope se divise en atomes plus petits lorsqu'il est frappé par un neutron lent, libérant ainsi une grande quantité d'énergie et d'autres neutrons. Cette réaction en chaîne est à la base de

- la production d'énergie nucléaire

- la propulsion des sous-marins nucléaires

- les armes atomiques

- le fonctionnement des réacteurs de recherche.

En raison de sa rareté, l'U-235 doit être enrichi dans de nombreux cas afin d'augmenter sa concentration en vue de son utilisation dans les réacteurs. L'enrichissement, qui se fait normalement par diffusion gazeuse ou par centrifugation de l'UF₆, génère de l'uranium enrichi adapté à la production d'électricité.

Où trouve-t-on l'uranium ?

L'uranium est un élément relativement courant dans la croûte terrestre, dont l'abondance est à peu près la même que celle du tungstène ou du molybdène. Il se présente principalement sous forme minérale et est extrait par des techniques conventionnelles et par lixiviation in situ. Les principaux pays producteurs d'uranium sont les suivants :

- Le Kazakhstan est actuellement le plus grand producteur d'uranium au monde et dépend principalement de l'extraction par lixiviation in situ.

- Le Canada possède certains des gisements à haute teneur les plus riches du monde.

- L'Australie possède de vastes réserves situées dans diverses grandes mines à ciel ouvert et souterraines.

La Namibie, le Niger, l'Ouzbékistan et les États-Unis sont d'importants producteurs d'uranium depuis longtemps.

L'uranium se trouve également à l'état de traces dans les gisements de phosphate, dans l'eau de mer et même dans certaines roches granitiques. Les technologies d'extraction de l'uranium de l'eau de mer s'améliorent, ce qui pourrait permettre à l'avenir de disposer d'un approvisionnement en uranium pratiquement illimité.

Utilisations courantes

Les caractéristiques nucléaires et physiques uniques de l'uranium donnent lieu à plusieurs applications importantes :

1. Production d'énergie nucléaire

L'utilisation la plus importante de l'uranium est celle de combustible dans les réacteurs nucléaires. Lorsque l'U-235 subit une fission, il produit de grandes quantités de chaleur. Cette chaleur génère de la vapeur qui, à son tour, actionne des turbines pour produire de l'électricité. L'énergie nucléaire produite à partir de l'uranium fournit une part importante de l'électricité mondiale à faible teneur en carbone.

2. Défense et applications militaires

L'uranium enrichi est utilisé pour former le cœur des armes nucléaires. L'uranium appauvri (DU) - principalement l'U-238 - est utilisé dans les munitions perforantes et le blindage des véhicules blindés, car son extrême densité lui permet à la fois de pénétrer et de s'auto-affûter à l'impact.

3. Applications scientifiques et médicales

Les composés d'uranium sont notamment utilisés pour la datation des roches en géologie, les études de traçage environnemental et les réacteurs de recherche produisant des isotopes médicaux pour le traitement du cancer.

Méthodes de préparation

L'extraction et le broyage sont les premières étapes de la préparation commerciale de l'uranium. Après l'extraction, le minerai est traité par concassage, broyage et lixiviation chimique - généralement à l'aide d'acide sulfurique ou de solutions alcalines - afin de séparer l'uranium des autres minéraux.

La solution finale est purifiée par :

- extraction par solvant

échange d'ions

- Précipitation en "yellowcake", généralement U₃O₈.

Le yellowcake est converti soit en UF₆ pour l'enrichissement, soit en UO₂ pour la fabrication de pastilles de combustible.

Questions fréquemment posées

Quelle est la particularité de l'uranium ?

Parmi les éléments naturels, l'uranium est le seul à combiner radioactivité, densité élevée, états d'oxydation multiples et capacité à subir une fission.

Comment l'uranium est-il extrait ?

Par des méthodes minières traditionnelles, la lixiviation in situ et la purification chimique qui sépare l'uranium du minerai.

Pourquoi l'U-235 et l'U-238 sont-ils importants ?

L'U-235 est fissile et capable de provoquer une réaction en chaîne, tandis que l'U-238 est fertile et peut être converti en combustible nucléaire utilisable.

Pourquoi l'uranium est-il important pour l'industrie ?

Ses propriétés nucléaires constituent la base de la production mondiale d'énergie et des technologies de défense.

Comment les méthodes de préparation garantissent-elles la sécurité ?

Des protocoles stricts, des normes de radioprotection et des procédés chimiques contrôlés garantissent que l'uranium est manipulé et utilisé en toute sécurité.