Sciences · Éléments chimiques
Uranium
L’uranium (U, numéro atomique 92) est un métal radioactif très dense, le plus lourd des éléments présents en quantité dans la nature. Son isotope 235, fissile, alimente les centrales nucléaires.
Mis à jour le 5 min de lecture
L'uranium a changé l’histoire au XXᵉ siècle. Sa radioactivité, découverte par Henri Becquerel en 1896, a ouvert la physique nucléaire ; sa fission, découverte en 1938, a permis la bombe atomique et l’énergie nucléaire civile. Aujourd’hui, il produit environ 9 % de l’électricité mondiale et environ deux tiers de l’électricité en France.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | U |
| Numéro atomique | 92 |
| Masse atomique | 238,03 u |
| Famille | Actinide (période 7) |
| État à 20 °C | Solide |
| Fusion | 1 132,2 °C |
| Ébullition | 4 131 °C |
| Découverte | 1789, Martin Heinrich Klaproth ; métal isolé en 1841 par Eugène-Melchior Péligot |
| Abondance | environ 2 à 3 ppm dans la croûte terrestre ; environ 3 mg par m³ dans l’eau de mer |
Propriétés
L’uranium est un métal gris argenté, très dense (19,1 g/cm³), plus que le plomb et presque autant que l’or. Il s’oxyde à l’air et sa poudre est inflammable. Il forme plusieurs états d’oxydation, notamment U⁴⁺ et l’ion uranyle UO₂²⁺, soluble et de couleur jaune-vert fluorescente.
Tous ses isotopes sont radioactifs, mais les plus abondants ont des périodes si longues que l’uranium naturel n’est que faiblement radioactif (voir radioactivité).
Isotopes
| Isotope | Part naturelle | Période | Propriété |
|---|---|---|---|
| Uranium 238 | environ 99,27 % | environ 4,47 milliards d’années | fertile : donne du plutonium 239 en captant un neutron |
| Uranium 235 | environ 0,72 % | environ 704 millions d’années | fissile : entretient une réaction en chaîne |
| Uranium 234 | environ 0,005 % | environ 245 000 ans | descendant de l’uranium 238 |
L’uranium 238 a une période proche de l’âge de la Terre : la moitié de l’uranium 238 présent à sa formation existe encore. Les chaînes de désintégration de l’uranium aboutissent au plomb et produisent au passage le radium et le radon. La datation uranium-plomb est la méthode de référence pour les roches les plus anciennes (voir plomb).
La fission et l’enrichissement
Quand un noyau d’uranium 235 absorbe un neutron, il peut se scinder en deux noyaux plus légers en libérant environ 200 MeV d’énergie et deux à trois neutrons, qui peuvent provoquer d’autres fissions : c’est la réaction en chaîne (voir fission nucléaire). La fission complète d’un gramme d’uranium 235 libère autant d’énergie que la combustion d’environ trois tonnes de charbon.
L’uranium naturel contient trop peu d’uranium 235 pour la plupart des réacteurs. On l'enrichit en augmentant la proportion de cet isotope, après l’avoir converti en hexafluorure d’uranium gazeux (UF₆), par centrifugation :
| Uranium | Teneur en U 235 | Usage |
|---|---|---|
| Naturel | 0,72 % | réacteurs à eau lourde (CANDU) |
| Faiblement enrichi | 3 à 5 % | réacteurs à eau sous pression, la majorité du parc mondial |
| HALEU | 5 à 20 % | certains réacteurs de recherche et petits réacteurs modulaires |
| Hautement enrichi | 20 % et plus ; environ 90 % pour les armes | propulsion navale, armes nucléaires |
| Appauvri | environ 0,2 à 0,3 % | sous-produit de l’enrichissement |
Un réacteur nucléaire naturel
En 1972, à l’usine de Pierrelatte, des ingénieurs du CEA constatent qu’un minerai provenant d'Oklo, au Gabon, contient un peu moins d’uranium 235 que la normale. L’enquête révèle qu’il y a environ deux milliards d’années, quand l’uranium 235 représentait environ 3 % de l’uranium naturel, des réactions de fission en chaîne se sont produites spontanément dans le gisement, modérées par l’eau souterraine, pendant des centaines de milliers d’années.
Où le trouve-t-on ?
Le principal minerai est l'uraninite, ou pechblende (oxyde d’uranium). On trouve aussi des minerais secondaires jaunes ou verts (autunite, carnotite) et de l’uranium dans des grès, des granites, des phosphates et l’eau de mer.
Production
Le Kazakhstan produit environ 40 % de l’uranium mondial, devant le Canada, la Namibie et l'Australie, qui détient les plus grandes ressources connues. L’extraction se fait en mine souterraine, à ciel ouvert ou, de plus en plus, par lixiviation in situ, en injectant une solution dans le gisement. Le minerai est concentré en « yellowcake ». La France a exploité plus de 200 sites d’uranium jusqu’en 2001, notamment dans le Limousin, et importe désormais son uranium. Les grands enrichisseurs sont la Russie, Urenco (Royaume-Uni, Pays-Bas, Allemagne), la France (Orano, site du Tricastin) et la Chine.
Usages
- Électricité nucléaire : combustible des quelque 440 réacteurs en service dans le monde.
- Propulsion navale : sous-marins et porte-avions.
- Armement : la bombe de Hiroshima, le 6 août 1945, était à uranium 235 hautement enrichi (voir Seconde Guerre mondiale).
- Uranium appauvri : très dense, il sert de blindage, de munitions perforantes, de contrepoids d’avions, d’écran de radioprotection.
- Verre et céramiques (historique) : le verre à l’uranium, jaune-vert, devient fluorescent sous ultraviolet.
- Production d’isotopes médicaux, comme le molybdène 99.
Toxicité
L’uranium n’a aucun rôle biologique. Sa toxicité est à la fois chimique et radiologique. Chimiquement, comme d’autres métaux lourds, il atteint surtout les reins. Sa radioactivité alpha est dangereuse surtout s’il est inhalé ou ingéré. Les mineurs d’uranium ont été exposés à un risque accru de cancer du poumon, principalement à cause du radon. L’uranium enrichi et le combustible usé sont bien plus radioactifs que l’uranium naturel. La gestion des déchets à vie longue du combustible usé reste un enjeu majeur ; en France, le projet de stockage géologique Cigéo est prévu dans la Meuse et la Haute-Marne.
Histoire du nom
En 1789, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth analyse la pechblende de Joachimsthal (Bohême) et y découvre l’oxyde d’un élément nouveau, qu’il nomme uranium en l’honneur de la planète Uranus, découverte huit ans plus tôt par William Herschel. En 1841, le Français Eugène-Melchior Péligot isole le métal. En 1896, Henri Becquerel découvre que les sels d’uranium impressionnent une plaque photographique dans le noir : c’est la découverte de la radioactivité, étudiée ensuite par Marie Curie. En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann découvrent la fission de l’uranium.
Questions fréquentes
L’uranium naturel est-il dangereux ?
Sa radioactivité est faible ; un morceau d’uranium naturel peut être manipulé brièvement avec des gants. Il est dangereux surtout inhalé ou ingéré, à cause de sa toxicité chimique et de ses rayonnements alpha.
Pourquoi faut-il enrichir l’uranium ?
Seul l’uranium 235 est fissile, et il ne représente que 0,7 % de l’uranium naturel. La plupart des réacteurs ont besoin d’une teneur de 3 à 5 % pour entretenir la réaction en chaîne.
Combien de temps les réserves d’uranium dureront-elles ?
Les ressources identifiées couvrent environ un siècle de consommation actuelle. Les réacteurs à neutrons rapides, qui utilisent l’uranium 238, pourraient multiplier cette durée.