Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe uranium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 156 pm — soit 0,156 nm ; il en faudrait donc environ 3,21 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Uranium est liquide dans une plage de 2999 K, de 1405 K à 4404 K.
L’histoire
L’uranium est le poids lourd des éléments naturels, concentrant assez de puissance pour éclairer des villes ou les raser. Ce métal radioactif a alimenté l’ère atomique, de la première réaction nucléaire soutenue en 1942 aux centrales modernes qui produisent 10 % de l’électricité mondiale. Une pastille de combustible à l’uranium de la taille du bout du doigt contient autant d’énergie qu’une tonne de charbon. Nommé d’après la planète Uranus, cet élément se transforme lentement en plomb sur des milliards d’années, agissant comme une horloge naturelle qui a aidé les scientifiques à déterminer l’âge de la Terre à 4,5 milliards d’années. Le noyau atomique de l’uranium contient tellement de protons qu’il est à peine stable, émettant constamment des particules et de l’énergie. Cette instabilité alimente à la fois les réacteurs nucléaires et les armes atomiques, faisant de l’uranium l’une des substances les plus réglementées sur Terre. Sa désintégration radioactive chauffe également le cœur de notre planète.
L’uranium a été découvert en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, qui analysait du minerai de pechblende provenant des mines de Joachimsthal, en Bohême (aujourd’hui en République tchèque). Klaproth, l’un des fondateurs de la chimie analytique, a isolé ce qu’il croyait être un nouveau métal et l’a nommé « uranium » d’après la planète Uranus, récemment découverte par William Herschel en 1781.
L’échantillon original de Klaproth était en réalité du dioxyde d’uranium plutôt que de l’uranium métallique pur, mais son analyse chimique a correctement établi qu’il contenait un élément jusque-là inconnu. Il a décrit la nouvelle substance comme possédant des propriétés chimiques uniques, distinctes de celles des métaux connus, bien qu’il n’ait pas pu produire le métal pur avec les techniques du XVIIIe siècle.
L’uranium métallique pur n’a été isolé qu’en 1841 par le chimiste français Eugène-Melchior Péligot, qui a réduit le tétrachlorure d’uranium avec du potassium métallique. Les travaux de Péligot ont établi la véritable masse atomique de l’uranium et confirmé qu’il s’agissait d’un élément distinct, corrigeant certaines erreurs de l’analyse initiale de Klaproth.
La propriété la plus importante de l’uranium a été découverte en 1896 par Henri Becquerel, qui a constaté que les sels d’uranium émettaient spontanément un rayonnement capable d’impressionner des plaques photographiques. Cette découverte de la radioactivité naturelle a donné naissance aux domaines de la physique et de la chimie nucléaires, conduisant aux découvertes du radium, du polonium et de la fission nucléaire.
La découverte de la fission nucléaire dans l’uranium-235 par Otto Hahn et Fritz Strassmann en 1938, interprétée par Lise Meitner et Otto Frisch, a révolutionné la science et la technologie. Cette percée a conduit à la fois aux armes nucléaires et à l’énergie nucléaire, faisant de l’uranium l’un des éléments les plus importants sur le plan stratégique dans l’histoire moderne.
La découverte de l’uranium et les recherches qui ont suivi ont fondamentalement transformé notre compréhension de la structure atomique, de l’énergie et de l’Univers. De l’identification initiale par Klaproth à l’ère nucléaire, les recherches sur l’uranium ont donné lieu à de nombreux prix Nobel et continuent de favoriser les avancées dans les sciences nucléaires, la production d’énergie et l’exploration spatiale.
Applications
L’uranium est le combustible principal des centrales nucléaires dans le monde, fournissant environ 10 % de la production mondiale d’électricité. L’uranium naturel contient 0,7 % d’uranium-235, l’isotope fissile qui subit la fission nucléaire. Pour la plupart des réacteurs nucléaires, l’uranium doit être enrichi jusqu’à une concentration de 3 à 5 % en U-235 au moyen de procédés complexes faisant intervenir de l’hexafluorure d’uranium gazeux et des cascades de centrifugeuses.
Les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs à eau bouillante (REB) utilisent des pastilles de dioxyde d’uranium enrichi empilées dans des crayons de combustible en alliage de zirconium. Des concepts avancés comme les réacteurs Canada Deuterium Uranium (CANDU) peuvent utiliser de l’uranium naturel grâce à leur modérateur à eau lourde, tandis que les réacteurs surgénérateurs rapides peuvent convertir l’uranium-238 en plutonium-239, prolongeant ainsi les réserves de combustible à l’uranium par un facteur de 60.
Le combustible nucléaire usé contient des quantités importantes d’uranium-235 inutilisé et de plutonium-239 nouvellement créé. Le retraitement du combustible nucléaire peut récupérer ces matériaux pour les réutiliser, bien que cette pratique varie selon les pays en raison des préoccupations liées à la prolifération. La France, le Japon et le Royaume-Uni exploitent d’importantes installations de retraitement, tandis que les États-Unis entreposent actuellement le combustible usé en vue d’un éventuel retraitement futur.
L’uranium hautement enrichi (>90 % U-235) est utilisé dans les armes nucléaires et le combustible des réacteurs navals. Les sous-marins nucléaires et les porte-avions utilisent un combustible à l’uranium de qualité militaire qui leur permet de fonctionner pendant des décennies sans ravitaillement. Les exigences particulières des applications militaires favorisent des programmes distincts d’enrichissement de l’uranium, assortis de mesures de sécurité renforcées.
L’uranium alimente les générateurs thermoélectriques à radioisotope (GTR) des missions spatiales lointaines, lorsque l’énergie solaire est insuffisante. Les sondes Voyager de la NASA, les astromobiles martiennes et les missions vers les planètes externes utilisent la désintégration radioactive de l’uranium-238 pour produire de l’énergie à long terme. Les réacteurs de recherche du monde entier utilisent du combustible à l’uranium pour produire des isotopes médicaux, mener des recherches sur les matériaux et former des scientifiques du nucléaire.
L’uranium appauvri (principalement U-238) est utilisé pour la protection contre les rayonnements, les contrepoids d’aéronefs et les alliages spécialisés. Sa masse volumique élevée (19,1 g/cm³) le rend précieux pour les applications nécessitant une masse maximale dans un espace minimal. Les applications militaires comprennent les munitions perforantes et le blindage des chars, bien que ces utilisations soient controversées en raison des préoccupations sanitaires.
Les technologies nucléaires avancées en cours de développement comprennent les petits réacteurs modulaires (PRM), les cycles du combustible thorium-uranium et les systèmes hybrides fusion-fission. Ces technologies visent à améliorer la sécurité, à réduire les déchets et à accroître le rôle de l’énergie nucléaire dans la lutte contre le changement climatique, tout en maintenant l’importance centrale de l’uranium dans l’énergie nucléaire.
L’utilisation prédominante de l’uranium est le combustible des réacteurs nucléaires pour produire de l’électricité. Plus de 440 réacteurs nucléaires dans le monde consomment environ 65 000 tonnes d’uranium par an, produisant une électricité sans carbone équivalente à la combustion de 2,5 milliards de tonnes de charbon. Des pays comme la France produisent 70 % de leur électricité grâce à l’énergie nucléaire.
Les navires à propulsion nucléaire utilisent un combustible à l’uranium hautement enrichi qui permet des décennies de fonctionnement sans ravitaillement. La marine américaine exploite plus de 80 sous-marins nucléaires et 11 porte-avions, tandis que la Russie, la Chine, la France et le Royaume-Uni disposent également de flottes navales nucléaires propulsées par des réacteurs à l’uranium.
Les réacteurs de recherche utilisant du combustible à l’uranium produisent des isotopes médicaux pour le traitement du cancer et l’imagerie diagnostique. Ces réacteurs permettent également la recherche sur les matériaux, l’analyse par activation neutronique et les études de physique nucléaire. Des universités et des laboratoires nationaux du monde entier exploitent des réacteurs de recherche alimentés à l’uranium pour l’enseignement et la recherche scientifique.
Les missions spatiales lointaines utilisent des sources d’énergie radioisotopiques à l’uranium-238 lorsque l’énergie solaire est insuffisante. Ces systèmes ont alimenté des missions vers Jupiter, Saturne, Pluton et au-delà, fournissant une électricité fiable pendant des décennies dans l’environnement hostile de l’espace lointain.
L’uranium appauvri sert de contrepoids dans les aéronefs, de protection contre les rayonnements dans les établissements médicaux et dans des applications industrielles spécialisées nécessitant une masse volumique maximale. Ses propriétés uniques le rendent précieux pour certaines applications d’ingénierie malgré les difficultés de manipulation.
D’où il vient
2,7 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 60 % des éléments
L’uranium est naturellement présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne de 2,7 parties par million, ce qui le rend plus abondant que l’argent, le mercure ou le cadmium. Les plus grands gisements d’uranium se trouvent en Australie (28 % des réserves mondiales), au Kazakhstan (15 %), au Canada (9 %), en Russie (8 %) et au Niger (7 %). Ces cinq pays contrôlent plus des deux tiers des ressources mondiales en uranium.
Les principaux minéraux d’uranium comprennent la pechblende (dioxyde d’uranium, principal minerai de nombreux gisements), la pitchblende (une variété de pechblende), la carnotite (un minéral d’uranium et de vanadium) et l’autunite (un minéral uranifère phosphaté). Ces minéraux se forment dans divers environnements géologiques, des roches ignées aux gisements sédimentaires.
L’exploitation minière de l’uranium emploie plusieurs méthodes selon les caractéristiques des gisements. L’exploitation à ciel ouvert est utilisée pour les gisements superficiels à forte teneur, comme ceux du nord du Canada. L’exploitation souterraine permet d’accéder aux gisements plus profonds, tandis que la lixiviation in situ (LIS) extrait l’uranium des corps minéralisés perméables en faisant circuler des solutions de lixiviation sous terre, ce qui représente plus de 50 % de la production mondiale d’uranium.
L’uranium est présent dans l’eau de mer à raison de 3,3 parties par milliard, soit environ 4,5 milliards de tonnes d’uranium — plus de 1 000 fois les réserves terrestres actuellement connues. Le Japon et d’autres pays développent des technologies permettant d’extraire l’uranium de l’eau de mer au moyen de matériaux adsorbants spécialisés, ce qui pourrait fournir une source d’uranium pratiquement illimitée.
L’uranium naturel est présent dans le sol, les roches et l’eau à des niveaux de fond partout dans le monde. Le charbon contient 1 à 4 parties par million d’uranium, et sa combustion libère davantage d’uranium dans l’environnement que les centrales nucléaires en fonctionnement normal. Les roches phosphatées utilisées pour les engrais peuvent contenir des concentrations importantes d’uranium.
Les ressources connues en uranium totalisent environ 8,1 millions de tonnes aux prix actuels du marché, ce qui suffit pour plus de 130 ans aux taux de consommation actuels. Lorsque les prix augmentent, des ressources supplémentaires deviennent économiquement exploitables, notamment les minerais à plus faible teneur et les sources non conventionnelles, ce qui pourrait prolonger les approvisionnements pendant des siècles.
Manipulation
Uranium est radioactif. Il ne possède aucun isotope stable : chaque noyau se désintègre. Sa manipulation exige un blindage et des autorisations appropriés.
DANGER : l’uranium est à la fois radioactif et chimiquement toxique. Tous les isotopes de l’uranium sont radioactifs, l’U-238 ayant une demi-vie de 4,5 milliards d’années. Le rayonnement alpha issu de la désintégration de l’uranium peut provoquer des cancers et des dommages génétiques, tandis que sa toxicité chimique affecte principalement la fonction rénale.
La poussière ou les particules d’uranium présentent de graves risques pour la santé si elles sont inhalées ou ingérées. L’inhalation peut provoquer un cancer du poumon et des problèmes respiratoires, tandis que l’ingestion entraîne des lésions rénales et un risque potentiel de cancer des os lorsque l’uranium s’y accumule. Même de petites quantités peuvent avoir des conséquences à long terme sur la santé.
La manipulation de l’uranium exige des protocoles de sécurité stricts, notamment des équipements de protection individuelle, une surveillance des rayonnements, des zones à accès contrôlé et des systèmes de ventilation spécialisés. Les travailleurs doivent recevoir une formation approfondie à la radioprotection et faire l’objet d’un suivi médical régulier comprenant des analyses d’urine et une anthroporadiamétrie.
L’extraction et le traitement de l’uranium peuvent créer une contamination environnementale nécessitant une remédiation à long terme. Les résidus des usines de traitement de l’uranium restent radioactifs pendant des milliers d’années et doivent être correctement confinés. Le transport de l’uranium exige des autorisations spéciales et des mesures de sécurité en raison des préoccupations à la fois radiologiques et liées à la prolifération.
Les incidents de contamination par l’uranium exigent une intervention spécialisée immédiate de la part d’équipes d’urgence radiologique formées. Les procédures de décontamination sont complexes et peuvent nécessiter une intervention médicale. Un suivi médical à long terme est essentiel pour toute personne ayant pu être exposée à l’uranium.
Réponses rapides
Uranium (symbole U) est l’élément 92 du tableau périodique, un actinide de la période 7. L’élément primordial le plus lourd, et celui qui a divisé le XXe siècle en deux. À température ambiante, c’est un solide et il est radioactif.
[Rn] 5f³ 6d¹ 7s² ; elle comporte 7 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2.Uranium fond à 1405.3 K (1132.2 °C) et bout à 4404 K (4130.9 °C).
La masse atomique standard de Uranium est de 238.029 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Uranium a une masse volumique de 19.1 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Uranium est donc environ 19.1× plus lourd.
Uranium a une électronégativité de Pauling de 1.38. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Uranium a été découvert en 1789 par Martin Heinrich Klaproth. Il porte le nom de la planète Uranus.
Uranium constitue environ 2.7 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.
Oui. Uranium ne possède aucun isotope stable — chacun de ses noyaux se désintègre. De faibles quantités sont présentes naturellement comme produits de désintégration d’éléments plus lourds.