Faits sur l’uranium

Le 6 août 1945, une bombe de 10 pieds de long (3 mètres) est tombée du ciel au-dessus de la ville japonaise d’Hiroshima. Moins d’une minute plus tard, tout ce qui se trouvait dans un rayon d’un kilomètre autour de la détonation de la bombe était oblitéré. Une tempête de feu massive a rapidement détruit des kilomètres supplémentaires, tuant des dizaines de milliers de personnes.

C’était la toute première utilisation d’une bombe atomique dans une guerre, et elle a utilisé un élément célèbre pour faire ses ravages : l’uranium. Ce métal radioactif est unique car l’un de ses isotopes, l’uranium 235, est le seul isotope naturel capable d’entretenir une réaction de fission nucléaire. (Un isotope est une version de l’élément avec un nombre différent de neutrons dans son noyau.)

Pour comprendre l’uranium, il est important de comprendre la radioactivité. L’uranium est naturellement radioactif : Son noyau est instable, l’élément est donc dans un état constant de désintégration, à la recherche d’un arrangement plus stable. En fait, l’uranium est l’élément qui a permis la découverte de la radioactivité. En 1897, le physicien français Henri Becquerel a déposé des sels d’uranium sur une plaque photographique dans le cadre d’une recherche sur l’influence de la lumière sur ces sels. À sa grande surprise, la plaque s’est embuée, indiquant une sorte d’émission des sels d’uranium. Becquerel a partagé un prix Nobel avec Marie et Pierre Curie en 1903 pour cette découverte.

Les faits

Selon le Jefferson National Linear Accelerator Laboratory, les propriétés de l’uranium sont :

• Numéro atomique (nombre de protons dans le noyau) : 92
• Symbole atomique (sur le tableau périodique des éléments) : U
• Poids atomique (masse moyenne de l’atome) : 238,02891
• Densité : 18,95 grammes par centimètre cube
• Phase à température ambiante : Solide
• Point de fusion : 2 075 degrés Fahrenheit (1 135 degrés Celsius)
• Point d’ébullition : 7 468 F (4 131 C)
• Nombre d’isotopes (atomes d’un même élément ayant un nombre différent de neutrons) : 16, 3 naturels
• Isotopes les plus courants : U-234 (0,0054 pour cent d’abondance naturelle), U-235 (0,7204 pour cent d’abondance naturelle), U-238 (99,2742 pour cent d’abondance naturelle)

Histoire de l’uranium

Martin Heinrich Klaproth, un chimiste allemand, a découvert l’uranium en 1789, bien qu’il soit connu depuis au moins l’an.D. 79, lorsque l’oxyde d’uranium était utilisé comme agent colorant pour les glaçures céramiques et dans le verre, selon Chemicool. Klaproth a découvert l’élément dans le minéral pechblende, que l’on croyait à l’époque être un minerai de zinc et de fer. Le minéral a été dissous dans de l’acide nitrique, puis de la potasse (sels de potassium) a été ajoutée au précipité jaune restant. Klaproth a conclu qu’il avait découvert un nouvel élément lorsque la réaction entre la potasse et le précipité ne suivait aucune réaction d’éléments connus. Sa découverte s’est avérée être de l’oxyde d’uranium et non de l’uranium pur comme il l’avait cru à l’origine.

Selon le Laboratoire national de Los Alamos, Klaproth a nommé le nouvel élément d’après la planète Uranus, récemment découverte, qui a été nommée d’après le dieu grec du ciel. Eugène-Melchior Péligot, un chimiste français, a isolé l’uranium pur en 1841 en chauffant du tétrachlorure d’uranium avec du potassium.

L’uranium a été découvert radioactif en 1896 par Antoine H. Becquerel, un physicien français. Becquerel avait laissé un échantillon d’uranium au-dessus d’une plaque photographique non exposée, qui s’est troublée. Il en conclut que l’uranium émettait des rayons invisibles, selon la Royal Society of Chemistry. C’était la première fois que la radioactivité était étudiée et cela ouvrait un nouveau champ scientifique. Marie Curie, une scientifique polonaise, a inventé le terme de radioactivité peu après la découverte de Becquerel, et avec Pierre Curie, un scientifique français, a poursuivi les recherches pour découvrir d’autres éléments radioactifs, comme le polonium et le radium, et leurs propriétés.

Pouvoir et guerre

L’uranium de l’univers s’est formé il y a 6,6 milliards d’années dans des supernovae, selon l’Association nucléaire mondiale. Il est présent partout sur la planète, et constitue environ 2 à 4 parties par million de la plupart des roches. Il est 48e parmi les éléments les plus abondants dans les roches de la croûte naturelle, selon le département américain de l’énergie, et est 40 fois plus abondant que l’argent.

Bien que l’uranium soit fortement associé à la radioactivité, son taux de désintégration est si faible que cet élément n’est en fait pas l’un des plus radioactifs qui existent. L’uranium-238 a une demi-vie incroyable de 4,5 milliards d’années. L’uranium 235 a une demi-vie d’un peu plus de 700 millions d’années. L’uranium 234 a la demi-vie la plus courte de toutes, soit 245 500 ans, mais il ne se produit qu’indirectement à partir de la désintégration de l’U-238.

En comparaison, l’élément le plus radioactif est le polonium. Il a une demi-vie d’à peine 138 jours.

Pour autant, l’uranium a un potentiel explosif, grâce à sa capacité à entretenir une réaction nucléaire en chaîne. L’U-235 est « fissile », ce qui signifie que son noyau peut être divisé par des neutrons thermiques – des neutrons ayant la même énergie que leur environnement ambiant. Voici comment cela fonctionne, selon l’Association nucléaire mondiale : Le noyau d’un atome d’U-235 possède 143 neutrons. Lorsqu’un neutron libre entre en collision avec l’atome, il divise le noyau et libère d’autres neurones, qui peuvent ensuite s’introduire dans les noyaux des atomes d’U-235 voisins, créant ainsi une cascade de fission nucléaire auto-entretenue. Les événements de fission génèrent chacun de la chaleur. Dans un réacteur nucléaire, cette chaleur est utilisée pour faire bouillir de l’eau, créant de la vapeur qui fait tourner une turbine pour générer de l’énergie.La réaction est contrôlée par des matériaux tels que le cadmium ou le bore, qui peuvent absorber des neutrons supplémentaires pour les sortir de la chaîne de réaction.

Dans une bombe à fission comme celle qui a détruit Hiroshima, la réaction devient supercritique. Cela signifie que la fission se produit à un rythme toujours plus élevé. Ces réactions supercritiques libèrent des quantités massives d’énergie : L’explosion qui a détruit Hiroshima avait la puissance d’environ 15 kilotonnes de TNT, le tout créé avec moins d’un kilogramme (2,2 livres) d’uranium subissant la fission.

Pour rendre la fission de l’uranium plus efficace, les ingénieurs nucléaires l’enrichissent. L’uranium naturel ne contient qu’environ 0,7 % d’U-235, l’isotope fissile. Le reste est de l’U-238. Pour augmenter la proportion d’U-235, les ingénieurs doivent soit gazéifier l’uranium pour en séparer les isotopes, soit utiliser des centrifugeuses. Selon l’Association nucléaire mondiale, la plupart de l’uranium enrichi destiné aux centrales nucléaires est composé de 3 % à 5 % d’U-235.

À l’autre extrémité de l’échelle se trouve l’uranium appauvri, qui est utilisé pour le blindage des chars et pour fabriquer des balles. L’uranium appauvri est ce qui reste après que l’uranium enrichi a été dépensé dans une centrale électrique. Il est environ 40 % moins radioactif que l’uranium naturel, selon le ministère américain des Anciens Combattants. Cet uranium appauvri n’est dangereux que s’il est inhalé, ingéré ou pénètre dans le corps lors d’un tir ou d’une explosion.

Qui l’aurait su ?

• Seulement 1,38 pour cent de l’uranium de la bombe « Little Boy » qui a détruit Hiroshima a subi une fission, selon l’Atomic Heritage Foundation. La bombe contenait environ 140 livres (64 kg) d’uranium au total.
• La bombe « Little Boy » a explosé à 1 670 pieds (509 mètres) au-dessus d’Hiroshima et n’a laissé debout que les charpentes de quelques bâtiments en béton armé dans un rayon d’un kilomètre autour de Ground Zero, selon un rapport de l’Agence nucléaire de la défense de 1980. Les tempêtes de feu ont tout détruit dans un rayon de 7 kilomètres autour de l’explosion.
• La demi-vie de l’uranium-238 est de 4,5 milliards d’années. Il se désintègre en radium-226, qui se désintègre à son tour en radon-222. Le radon-222 devient du polonium-210, qui se désintègre finalement en un nucléide stable, le plomb.
• Marie Curie, qui a travaillé avec l’uranium pour découvrir plusieurs éléments encore plus radioactifs (polonium et radium), a probablement succombé à l’exposition aux radiations impliquées dans son travail. Elle est morte en 1934 d’une anémie aplastique, une déficience en globules rouges probablement causée par les dommages causés par les radiations à sa moelle osseuse.
• L’uranium pur est un métal argenté qui s’oxyde rapidement à l’air.
• L’uranium est parfois utilisé pour colorer le verre, qui brille d’un jaune verdâtre sous la lumière noire – mais pas à cause de la radioactivité (le verre n’est qu’un tout petit peu radioactif). Selon Collectors Weekly, la fluorescence est due à la lumière UV qui excite le composé d’uranyle dans le verre, ce qui lui fait émettre des photons lorsqu’il se dépose à nouveau.
• Le yellowcake est un oxyde d’uranium solide. C’est la forme sous laquelle l’uranium est couramment vendu avant d’être enrichi.
• L’uranium est extrait dans 20 pays, dont plus de la moitié provient du Canada, du Kazakhstan, de l’Australie, du Niger, de la Russie et de la Namibie, selon l’Association nucléaire mondiale.
• Selon Lenntech, tous les humains et les animaux sont naturellement exposés à des quantités infimes d’uranium provenant de la nourriture, de l’eau, du sol et de l’air. Pour la plupart, la population générale peut ignorer sans risque les quantités ingérées, sauf si elle vit près de sites de déchets dangereux, de mines, ou si les cultures sont faites dans un sol contaminé ou arrosées avec de l’eau contaminée.

Recherche actuelle

Compte tenu de son importance dans le combustible nucléaire, les chercheurs s’intéressent vivement au fonctionnement de l’uranium – en particulier lors d’une fusion. Les fusions se produisent lorsque les systèmes de refroidissement autour d’un réacteur tombent en panne et que la chaleur générée par les réactions de fission dans le cœur du réacteur fait fondre le combustible. C’est ce qui s’est produit lors de la catastrophe nucléaire de la centrale de Tchernobyl, entraînant une tache radioactive surnommée « la patte d’éléphant »

Comprendre comment les combustibles nucléaires agissent lorsqu’ils fondent est crucial pour les ingénieurs nucléaires qui construisent des cuves de confinement, a déclaré John Parise, chimiste et minéralogiste à l’Université de Stony Brook et au Brookhaven National Laboratory.

En novembre 2014, Parise et ses collègues de l’Argonne National Lab et d’autres institutions ont publié un article dans la revue Science qui élucidait pour la première fois le fonctionnement interne du dioxyde d’uranium fondu, un composant majeur du combustible nucléaire. Le dioxyde d’uranium ne fond pas avant que les températures ne dépassent 3 000 °C (5 432 °F), il est donc difficile de mesurer ce qui se passe lorsque le matériau devient liquide, a expliqué Parise à Live Science – il n’y a tout simplement pas de récipient assez résistant.

« La solution à cela est de chauffer une boule de dioxyde d’uranium par le haut avec un laser à dioxyde de carbone, et cette boule est mise en lévitation sur un flux de gaz », a déclaré Parise. « Vous avez cette boule de matériau en lévitation sur le flux de gaz, donc vous n’avez pas besoin de récipient. »

Les chercheurs envoient ensuite des rayons X à travers la bulle de dioxyde d’uranium et mesurent la diffusion de ces rayons X avec un détecteur. L’angle de diffusion révèle la structure des atomes à l’intérieur du dioxyde d’uranium.

Les chercheurs ont constaté que dans le dioxyde d’uranium solide, les atomes sont disposés comme une série de cubes alternant avec des espaces vides dans un motif en forme de grille, avec huit atomes d’oxygène entourant chaque atome d’uranium. Lorsque le matériau approche de son point de fusion, les oxygènes deviennent « fous », a déclaré Lawrie Skinner, chercheur à l’Argonne National Laboratory, dans une vidéo sur les résultats. Les atomes d’oxygène commencent à se déplacer, remplissant l’espace vide et passant d’un atome d’uranium à l’autre.

Enfin, lorsque le matériau fond, la structure ressemble à une peinture de Salvador Dali, les cubes se transformant en polyèdres désordonnés. À ce stade, a dit Parise, le nombre d’atomes d’oxygène autour de chaque atome d’uranium – connu sous le nom de nombre de coordination – tombe de huit à environ sept (certains atomes d’uranium ont six oxygènes qui les entourent, et d’autres en ont sept, ce qui donne une moyenne de 6,7 oxygènes par uranium).

Connaître ce nombre permet de modéliser comment le dioxyde d’uranium va agir à ces hautes températures, a dit Parise. L’étape suivante consiste à ajouter plus de complexité. Les noyaux nucléaires ne sont pas seulement constitués de dioxyde d’uranium, a-t-il précisé. Ils comprennent également des matériaux comme le zirconium et tout ce qui est utilisé pour protéger l’intérieur du réacteur. L’équipe de recherche prévoit maintenant d’ajouter ces matériaux pour voir comment la réaction du matériau change.

« Vous devez savoir comment le liquide de dioxyde d’uranium pur se comporte de sorte que lorsque vous commencez à examiner les effets des petits additifs, vous pouvez voir quelles sont les différences ? ». Parise a déclaré.

La grande majorité de l’uranium est utilisée pour l’énergie, généralement dans des réactions nucléaires contrôlées. Les déchets restants, l’uranium appauvri, peuvent être recyclés pour exploiter d’autres types d’énergie, comme l’énergie du soleil. Un brevet déposé en 2017 par Igor Usov et Milan Sykora, scientifiques au Los Alamos National Laboratory, traite de l’utilisation de l’uranium appauvri issu des réactions nucléaires pour créer des cellules solaires. Les auteurs ont écrit que l’oxyde d’uranium appauvri était abondant et bon marché en tant que restes du processus d’enrichissement du combustible nucléaire et qu’il pourrait être optimisé pour être utilisé comme cellules solaires en contrôlant l’épaisseur, le rapport uranium/oxygène, la cristallinité et le dopage.

Le dioxyde d’uranium est un excellent semi-conducteur, selon un article de 2000 de Thomas Meek du Oak Ridge National Laboratory, et pourrait potentiellement constituer une amélioration pour certaines utilisations par rapport aux utilisations traditionnelles du silicium, du germanium ou de l’arséniure de gallium. À température ambiante, l’oxyde d’uranium donnerait le plus haut rendement possible des cellules solaires par rapport aux éléments et composés traditionnels pour la même utilisation.

Rapport complémentaire de Rachel Ross, collaboratrice de Live Science

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