Quel chimiste d'origine allemande a divisé l'atome d'uranium en 1939 et a remporté le prix Nobel en 1944 ?
Otto Hahn
La découverte en 1789 de l'uranium dans le minéral pitchblende est attribuée à Martin Heinrich Klaproth, qui a donné au nouvel élément le nom de la planète Uranus. Eugène-Melchior Péligot fut le premier à isoler le métal et ses propriétés radioactives furent découvertes en 1896 par Henri Becquerel. Les recherches menées par Otto Hahn, Lise Meitner, Enrico Fermi et d'autres, comme J. Robert Oppenheimer à partir de 1934, ont conduit à son utilisation comme combustible dans l'industrie nucléaire et dans Little Boy, la première arme nucléaire utilisée en temps de guerre. La course aux armements qui a suivi pendant la guerre froide entre les États-Unis et l’Union soviétique a produit des dizaines de milliers d’armes nucléaires utilisant de l’uranium métal et du plutonium 239 dérivé de l’uranium. La sécurité de ces armes et de leurs matières fissiles après l’éclatement de l’Union soviétique en 1991 constitue une préoccupation constante en matière de santé et de sécurité publiques. Voir Prolifération nucléaire. Une équipe dirigée par Enrico Fermi a observé en 1934 que le bombardement de l'uranium avec des neutrons produit l'émission de rayons bêta (électrons ou positrons issus des éléments produits ; voir particule bêta). Les produits de fission ont d'abord été confondus avec de nouveaux éléments de numéros atomiques 93 et ​​94, que le doyen de la Faculté de Rome, Orso Mario Corbino, a baptisé respectivement ausonium et hesperium. Les expériences menant à la découverte de la capacité de l'uranium à se diviser (se briser) en éléments plus légers et à libérer de l'énergie de liaison ont été menées par Otto Hahn et Fritz Strassmann dans le laboratoire de Hahn à Berlin. Lise Meitner et son neveu, le physicien Otto Robert Frisch, publièrent l'explication physique en février 1939 et baptisèrent le processus « fission nucléaire ». Peu de temps après, Fermi a émis l’hypothèse que la fission de l’uranium pourrait libérer suffisamment de neutrons pour entretenir une réaction de fission. Cette hypothèse a été confirmée en 1939 et des travaux ultérieurs ont révélé qu'en moyenne, environ 2,5 neutrons sont libérés par chaque fission de l'isotope rare de l'uranium, l'uranium-235. Des travaux ultérieurs ont montré que l'isotope de l'uranium 238, beaucoup plus courant, peut être transmué en plutonium, qui, comme l'uranium 235, est également fissile par les neutrons thermiques. Ces découvertes ont amené de nombreux pays à commencer à travailler au développement d’armes et d’énergie nucléaires.
L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un métal blanc argenté de la série des actinides du tableau périodique. Un atome d'uranium possède 92 protons et 92 électrons, dont 6 électrons de valence. L'uranium est faiblement radioactif car tous ses isotopes sont instables (les demi-vies des six isotopes naturellement connus, de l'uranium 233 à l'uranium 238, variant entre 69 ans et 4,5 milliards d'années). Les isotopes les plus courants dans l'uranium naturel sont l'uranium 238 (qui contient 146 neutrons et représente plus de 99 %) et l'uranium 235 (qui contient 143 neutrons). L'uranium a le deuxième poids atomique le plus élevé parmi les éléments primordiaux, plus léger que le plutonium. Sa densité est environ 70 % supérieure à celle du plomb, et légèrement inférieure à celle de l'or ou du tungstène. Il est présent naturellement en faibles concentrations de quelques parties par million dans le sol, les roches et l'eau, et est extrait commercialement de minéraux uranifères tels que l'uraninite.
Dans la nature, l'uranium se trouve sous forme d'uranium 238 (99,2739 à 99,2752 %), d'uranium 235 (0,7198 à 0,7202 %) et d'une très petite quantité d'uranium 234 (0,0050 à 0,0059 %). L'uranium se désintègre lentement en émettant une particule alpha. La demi-vie de l'uranium 238 est d'environ 4,47 milliards d'années et celle de l'uranium 235 est de 704 millions d'années, ce qui les rend utiles pour dater l'âge de la Terre.
De nombreuses utilisations contemporaines de l’uranium exploitent ses propriétés nucléaires uniques. L'uranium 235 a la particularité d'être le seul isotope fissile présent naturellement. L'uranium 238 est fissile par les neutrons rapides et est fertile, ce qui signifie qu'il peut être transmué en plutonium 239 fissile dans un réacteur nucléaire. Un autre isotope fissile, l'uranium 233, peut être produit à partir du thorium naturel et joue également un rôle important dans la technologie nucléaire. L'uranium 238 a une faible probabilité de fission spontanée ou même de fission induite avec des neutrons rapides ; l'uranium 235 et, dans une moindre mesure, l'uranium 233 ont une section efficace de fission beaucoup plus élevée pour les neutrons lents. En concentration suffisante, ces isotopes maintiennent une réaction nucléaire en chaîne soutenue. Cela génère de la chaleur dans les réacteurs nucléaires et produit la matière fissile pour les armes nucléaires. L'uranium appauvri (238U) est utilisé dans les pénétrateurs à énergie cinétique et les blindages. L'uranium est utilisé comme colorant dans le verre d'uranium, produisant des couleurs jaune citron à vertes. Le verre d’uranium devient fluorescent en vert à la lumière ultraviolette. Il était également utilisé pour teinter et ombrer les premières photographies.
La découverte en 1789 de l'uranium dans le minéral pitchblende est attribuée à Martin Heinrich Klaproth, qui a donné au nouvel élément le nom de la planète Uranus. Eugène-Melchior Péligot fut le premier à isoler le métal et ses propriétés radioactives furent découvertes en 1896 par Henri Becquerel. Les recherches menées par Otto Hahn, Lise Meitner, Enrico Fermi et d'autres, comme J. Robert Oppenheimer à partir de 1934, ont conduit à son utilisation comme combustible dans l'industrie nucléaire et dans Little Boy, la première arme nucléaire utilisée en temps de guerre. La course aux armements qui a suivi pendant la guerre froide entre les États-Unis et l’Union soviétique a produit des dizaines de milliers d’armes nucléaires utilisant de l’uranium métal et du plutonium 239 dérivé de l’uranium. La sécurité de ces armes et de leurs matières fissiles après l’éclatement de l’Union soviétique en 1991 constitue une préoccupation constante en matière de santé et de sécurité publiques. Voir Prolifération nucléaire.
Caractéristiques
Une fois raffiné, l’uranium est un métal blanc argenté, faiblement radioactif. Il possède une dureté Mohs de 6, suffisante pour rayer le verre et approximativement égale à celle du titane, du rhodium, du manganèse et du niobium. Il est malléable, ductile, légèrement paramagnétique, fortement électropositif et mauvais conducteur électrique. L'uranium métal a une densité très élevée de 19,1 g/cm3, plus dense que le plomb (11,3 g/cm3), mais légèrement moins dense que le tungstène et l'or (19,3 g/cm3).
L'uranium métallique réagit avec presque tous les éléments non métalliques (à l'exception des gaz rares) et leurs composés, la réactivité augmentant avec la température. Les acides chlorhydrique et nitrique dissolvent l'uranium, mais les acides non oxydants autres que l'acide chlorhydrique attaquent l'élément très lentement. Lorsqu'il est finement divisé, il peut réagir avec l'eau froide ; dans l'air, l'uranium métallique se recouvre d'une couche sombre d'oxyde d'uranium. L'uranium contenu dans les minerais est extrait chimiquement et converti en dioxyde d'uranium ou en d'autres formes chimiques utilisables dans l'industrie.
L'uranium 235 a été le premier isotope à se révéler fissile. D'autres isotopes naturels sont fissiles, mais non fissiles. Lors d'un bombardement avec des neutrons lents, son isotope uranium 235 se divisera la plupart du temps en deux noyaux plus petits, libérant de l'énergie de liaison nucléaire et davantage de neutrons. Si un trop grand nombre de ces neutrons sont absorbés par d’autres noyaux d’uranium 235, une réaction nucléaire en chaîne se produit, entraînant une explosion de chaleur ou (dans des circonstances particulières) une explosion. Dans un réacteur nucléaire, une telle réaction en chaîne est ralentie et contrôlée par un poison neutronique, absorbant une partie des neutrons libres. De tels matériaux absorbant les neutrons font souvent partie des barres de contrôle des réacteurs (voir Physique des réacteurs nucléaires pour une description de ce processus de contrôle du réacteur).
Aussi peu que 15 lb (7 kg) d’uranium 235 peuvent être utilisés pour fabriquer une bombe atomique. La première bombe nucléaire utilisée pendant la guerre, Little Boy, reposait sur la fission de l'uranium, mais le tout premier explosif nucléaire (le gadget utilisé à Trinity) et la bombe qui a détruit Nagasaki (Fat Man) étaient tous deux des bombes au plutonium.
L'uranium métal a trois formes allotropiques :
* α (orthorhombique) stable jusqu'à 668 °C. Orthorhombique, groupe d'espace n° 63, Cmcm, paramètres de réseau a 285,4 pm, b
 17 h 87, vers 16 h 495,5.
* β (tétragonal) stable de 668 °C à 775 °C. Tétragonal, groupe spatial P42/mnm, P42nm ou P4n2, paramètres de réseau a 565,6 pm, b
 vers 22 h 75.9.
* γ (cubique centré) de 775 °C jusqu'au point de fusion : c'est l'état le plus malléable et le plus ductile. Cubique centré sur le corps, paramètre de réseau a  352,4 pm.
Applications
Militaire
La principale application de l'uranium dans le secteur militaire concerne les pénétrateurs à haute densité. Ces munitions sont constituées d'uranium appauvri (DU) allié à 1 à 2 % d'autres éléments, tels que le titane ou le molybdène. À vitesse d'impact élevée, la densité, la dureté et la pyrophoricité du projectile permettent la destruction de cibles lourdement blindées. Le blindage des chars et autres blindages amovibles des véhicules peuvent également être renforcés avec des plaques d'uranium appauvri. L’utilisation de l’uranium appauvri est devenue controversée sur le plan politique et environnemental après que l’utilisation de telles munitions par les États-Unis, le Royaume-Uni et d’autres pays lors des guerres dans le golfe Persique et dans les Balkans ait soulevé des questions concernant les composés d’uranium laissés dans le sol (voir Syndrome de la guerre du Golfe).
L'uranium appauvri est également utilisé comme matériau de protection dans certains conteneurs utilisés pour stocker et transporter des matières radioactives. Bien que le métal lui-même soit radioactif, sa haute densité le rend plus efficace que le plomb pour stopper les radiations provenant de sources puissantes telles que le radium. D'autres utilisations de l'uranium appauvri comprennent les contrepoids pour les gouvernes des avions, comme ballast pour les véhicules de rentrée de missiles et comme matériau de blindage. En raison de sa haute densité, ce matériau se retrouve dans les systèmes de guidage inertiel et dans les compas gyroscopiques. L'uranium appauvri est préféré aux métaux de densité similaire en raison de sa capacité à être facilement usiné et coulé ainsi que de son coût relativement faible. Le principal risque d'exposition à l'uranium appauvri est l'empoisonnement chimique par l'oxyde d'uranium plutôt que la radioactivité (l'uranium n'étant qu'un faible émetteur alpha).
Au cours des dernières étapes de la Seconde Guerre mondiale, pendant toute la guerre froide et, dans une moindre mesure, par la suite, l’uranium 235 a été utilisé comme matière explosive fissile pour produire des armes nucléaires. Initialement, deux principaux types de bombes à fission ont été construites : un dispositif relativement simple utilisant de l'uranium 235 et un mécanisme plus complexe utilisant du plutonium 239 dérivé de l'uranium 238. Plus tard, un type beaucoup plus compliqué et beaucoup plus puissant de bombe à fission/fusion (arme thermonucléaire) a été construit, qui utilise un dispositif à base de plutonium pour provoquer la fusion nucléaire d'un mélange de tritium et de deutérium. Ces bombes sont enveloppées dans un boîtier en uranium non fissile (non enrichi) et tirent plus de la moitié de leur puissance de la fission de ce matériau par les neutrons rapides issus du processus de fusion nucléaire.
Civil
La principale utilisation de l'uranium dans le secteur civil est l'alimentation des centrales nucléaires. Un kilogramme d'uranium 235 peut théoriquement produire environ 20 térajoules d'énergie (2 joules), en supposant une fission complète ; autant d'énergie que 1 500 tonnes de charbon.
Les centrales nucléaires commerciales utilisent un combustible généralement enrichi à environ 3 % d’uranium 235. Les modèles CANDU et Magnox sont les seuls réacteurs commerciaux capables d'utiliser du combustible à l'uranium non enrichi. Le combustible utilisé pour les réacteurs de la marine américaine est généralement fortement enrichi en uranium 235 (les valeurs exactes sont classifiées). Dans un réacteur surgénérateur, l'uranium 238 peut également être converti en plutonium par la réaction suivante :
+n+
Avant (et parfois après) la découverte de la radioactivité, l'uranium était principalement utilisé en petites quantités pour les glaçures du verre jaune et de la poterie, comme le verre à l'uranium et dans les Fiestaware.
La découverte et l'isolement du radium dans le minerai d'uranium (pitchblende) par Marie Curie ont déclenché le développement de l'exploitation minière de l'uranium pour extraire le radium, utilisé pour fabriquer des peintures phosphorescentes pour les cadrans d'horloges et d'avions. Cela a laissé une quantité prodigieuse d’uranium comme déchet, puisqu’il faut trois tonnes d’uranium pour extraire un gramme de radium. Ces déchets ont été détournés vers l'industrie du vitrage, rendant les émaux à l'uranium très bon marché et abondants. Outre les émaux de poterie, les émaux pour carreaux d'uranium représentaient la majeure partie de l'utilisation, y compris les carreaux courants de salle de bains et de cuisine qui peuvent être produits en vert, jaune, mauve, noir, bleu, rouge et autres couleurs.
L'uranium était également utilisé dans les produits chimiques photographiques (en particulier le nitrate d'uranium comme toner), dans les filaments de lampes pour les ampoules d'éclairage de scène, pour améliorer l'apparence des prothèses dentaires et dans les industries du cuir et du bois pour les teintures. Les sels d'uranium sont des mordants de soie ou de laine. L'acétate d'uranyle et le formiate d'uranyle sont utilisés comme « colorants » denses aux électrons en microscopie électronique à transmission, pour augmenter le contraste des échantillons biologiques dans des coupes ultrafines et dans la coloration négative des virus, des organites cellulaires isolés et des macromolécules.
La découverte de la radioactivité de l'uranium a ouvert la voie à de nouvelles utilisations scientifiques et pratiques de l'élément. La longue demi-vie de l'isotope uranium-238 (4,51 ans) le rend bien adapté à l'estimation de l'âge des premières roches ignées et à d'autres types de datation radiométrique, notamment la datation uranium-thorium, la datation uranium-plomb et datation uranium-uranium. L'uranium métal est utilisé pour les cibles à rayons X dans la fabrication de rayons X à haute énergie.
Histoire
Utilisation avant la découverte
L'utilisation de l'uranium sous sa forme d'oxyde naturel remonte au moins à l'an 79 de notre ère, lorsqu'il était utilisé pour ajouter une couleur jaune aux émaux céramiques. Du verre jaune contenant 1 % d'oxyde d'uranium a été découvert dans une villa romaine du Cap Posillipo dans la baie de Naples, en Italie, par R. T. Gunther de l'Université d'Oxford en 1912. À partir de la fin du Moyen Âge, la pitchblende a été extraite des mines d'argent des Habsbourg. à Joachimsthal, en Bohême (aujourd'hui Jáchymov en République tchèque), et était utilisé comme colorant dans l'industrie verrière locale. Au début du XIXe siècle, les seules sources connues de minerai d'uranium au monde étaient ces mines.
Découverte
La découverte de l'élément est attribuée au chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth. Alors qu'il travaillait dans son laboratoire expérimental à Berlin en 1789, Klaproth fut capable de précipiter un composé jaune (probablement du diuranate de sodium) en dissolvant de la pitchblende dans de l'acide nitrique et en neutralisant la solution avec de l'hydroxyde de sodium. Klaproth a supposé que la substance jaune était l'oxyde d'un élément encore inconnu et l'a chauffée avec du charbon de bois pour obtenir une poudre noire, qu'il pensait être le métal nouvellement découvert lui-même (en fait, cette poudre était un oxyde d'uranium). Il a nommé l'élément nouvellement découvert d'après la planète Uranus (du nom du dieu grec primordial du ciel), qui avait été découverte huit ans plus tôt par William Herschel.
En 1841, Eugène-Melchior Péligot, professeur de chimie analytique au Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris, isole le premier échantillon d'uranium métallique en chauffant du tétrachlorure d'uranium avec du potassium.
Henri Becquerel a découvert la radioactivité en utilisant l'uranium en 1896. Becquerel a fait la découverte à Paris en laissant un échantillon d'un sel d'uranium, K2UO2(SO4)2 (sulfate d'uranyle de potassium), sur une plaque photographique non exposée dans un tiroir et en notant que le la plaque était devenue « embuée ». Il a déterminé qu'une forme de lumière invisible ou de rayons émis par l'uranium avait exposé la plaque.
Recherche sur les fissions
Une équipe dirigée par Enrico Fermi a observé en 1934 que le bombardement de l'uranium avec des neutrons produit l'émission de rayons bêta (électrons ou positrons issus des éléments produits ; voir particule bêta). Les produits de fission ont d'abord été confondus avec de nouveaux éléments de numéros atomiques 93 et ​​94, que le doyen de la Faculté de Rome, Orso Mario Corbino, a baptisé respectivement ausonium et hesperium. Les expériences menant à la découverte de la capacité de l'uranium à se diviser (se briser) en éléments plus légers et à libérer de l'énergie de liaison ont été menées par Otto Hahn et Fritz Strassmann dans le laboratoire de Hahn à Berlin. Lise Meitner et son neveu, le physicien Otto Robert Frisch, publièrent l'explication physique en février 1939 et baptisèrent le processus « fission nucléaire ». Peu de temps après, Fermi a émis l’hypothèse que la fission de l’uranium pourrait libérer suffisamment de neutrons pour entretenir une réaction de fission. Cette hypothèse a été confirmée en 1939 et des travaux ultérieurs ont révélé qu'en moyenne, environ 2,5 neutrons sont libérés par chaque fission de l'isotope rare de l'uranium, l'uranium-235. Des travaux ultérieurs ont montré que l'isotope de l'uranium 238, beaucoup plus courant, peut être transmué en plutonium, qui, comme l'uranium 235, est également fissile par les neutrons thermiques. Ces découvertes ont amené de nombreux pays à commencer à travailler au développement d’armes et d’énergie nucléaires.
Le 2 décembre 1942, dans le cadre du projet Manhattan, une autre équipe dirigée par Enrico Fermi put lancer la première réaction nucléaire artificielle en chaîne auto-entretenue, Chicago Pile-1. Travaillant dans un laboratoire situé sous les stands du Stagg Field de l'Université de Chicago, l'équipe a créé les conditions nécessaires à une telle réaction en empilant 400 tonnes courtes (360 tonnes métriques) de graphite, 58 tonnes courtes (53 tonnes métriques) d'uranium. d'oxyde et six tonnes courtes (5,5 tonnes métriques) d'uranium métal, dont la majorité a été fournie par Westinghouse Lamp Plant dans le cadre d'un processus de production de fortune.
Armes nucléaires
Deux principaux types de bombes atomiques ont été développés par les États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale : un dispositif à base d'uranium (nom de code « Little Boy ») dont la matière fissile était de l'uranium hautement enrichi, et un dispositif à base de plutonium (voir test Trinity et « Fat Man") dont le plutonium était dérivé de l'uranium 238. L'engin Little Boy à base d'uranium est devenu la première arme nucléaire utilisée en temps de guerre lorsqu'il a explosé au-dessus de la ville japonaise d'Hiroshima le 6 août 1945. En explosant avec une puissance équivalente à 12 500 tonnes de TNT, le souffle et l'onde thermique de la bombe ont détruit près de 50 000 bâtiments et tué environ 75 000 personnes (voir Bombardements atomiques d'Hiroshima et de Nagasaki). Au départ, on pensait que l'uranium était relativement rare et que la prolifération nucléaire pouvait être évitée en achetant simplement tous les stocks d'uranium connus, mais en une décennie, d'importants gisements ont été découverts dans de nombreux endroits du monde.
Réacteurs
Le réacteur en graphite X-10 du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) à Oak Ridge, Tennessee, anciennement connu sous le nom de Clinton Pile et X-10 Pile, était le deuxième réacteur nucléaire artificiel au monde (après Chicago Pile d'Enrico Fermi) et le premier. réacteur conçu et construit pour un fonctionnement continu. Le réacteur surgénérateur expérimental I du Laboratoire national d'Argonne, situé à la station nationale d'essais de réacteurs de la Commission de l'énergie atomique près d'Arco, dans l'Idaho, est devenu le premier réacteur nucléaire à produire de l'électricité le 20 décembre 1951. Initialement, quatre ampoules de 150 watts étaient allumées par le réacteur, mais des améliorations lui ont finalement permis d'alimenter l'ensemble de l'installation (plus tard, la ville d'Arco est devenue la première au monde à avoir toute son électricité provenant de l'énergie nucléaire produite par BORAX-III, un autre réacteur conçu et exploité par le Laboratoire National d'Argonne). La première centrale nucléaire commerciale au monde, Obninsk en Union soviétique, a commencé sa production avec son réacteur AM-1 le 27 juin 1954. Parmi les autres premières centrales nucléaires figurent Calder Hall en Angleterre, dont la production a commencé le 17 octobre 1956, et celle de Shippingport. Centrale nucléaire de Pennsylvanie, qui a démarré le 26 mai 1958. L'énergie nucléaire a été utilisée pour la première fois pour la propulsion d'un sous-marin, l'USS Nautilus, en 1954.
Fission naturelle préhistorique
En 1972, le physicien français Francis Perrin a découvert quinze réacteurs à fission nucléaire naturelle anciens et désormais inactifs dans trois gisements distincts de la mine d'Oklo au Gabon, en Afrique de l'Ouest, collectivement connus sous le nom de réacteurs fossiles d'Oklo. Le gisement de minerai est vieux de 1,7 milliard d'années ; l’uranium 235 représentait alors environ 3 % de l’uranium total sur Terre. Ce chiffre est suffisamment élevé pour permettre une réaction en chaîne de fission nucléaire soutenue, à condition que d’autres conditions favorables existent. La capacité des sédiments environnants à contenir les déchets nucléaires a été citée par le gouvernement fédéral américain comme preuve à l'appui de la faisabilité du stockage du combustible nucléaire usé dans le dépôt de déchets nucléaires de Yucca Mountain.
Contamination et héritage de la guerre froide
Les essais nucléaires en surface effectués par l'Union soviétique et les États-Unis dans les années 1950 et au début des années 1960, et par la France dans les années 1970 et 1980, ont propagé une quantité importante de retombées des isotopes filles de l'uranium dans le monde entier. Des retombées et une pollution supplémentaires se sont produites à la suite de plusieurs accidents nucléaires.
Les mineurs d’uranium ont une incidence plus élevée de cancer. Un risque excessif de cancer du poumon chez les mineurs d’uranium Navajo, par exemple, a été documenté et lié à leur profession. La Radiation Exposure Compensation Act, une loi américaine de 1990, exigeait 100 000 dollars de « paiements de compassion » aux mineurs d'uranium diagnostiqués avec un cancer ou d'autres maladies respiratoires.
Pendant la guerre froide entre l’Union soviétique et les États-Unis, d’énormes stocks d’uranium ont été constitués et des dizaines de milliers d’armes nucléaires ont été créées à partir d’uranium enrichi et de plutonium fabriqué à partir d’uranium. Depuis l'éclatement de l'Union soviétique en 1991, environ 600 tonnes courtes (540 tonnes métriques) d'uranium hautement enrichi de qualité militaire (assez pour fabriquer 40 000 ogives nucléaires) ont été stockées dans des installations souvent mal gardées en Fédération de Russie et plusieurs d'autres anciens États soviétiques. La police d’Asie, d’Europe et d’Amérique du Sud a intercepté à au moins 16 reprises entre 1993 et ​​2005 des expéditions de contrebande d’uranium ou de plutonium de qualité explosive, dont la plupart provenaient de sources ex-soviétiques. De 1993 à 2005, le programme de protection, de contrôle et de comptabilité des matériaux, géré par le gouvernement fédéral des États-Unis, a dépensé environ 550 millions de dollars américains pour contribuer à la sauvegarde des stocks d'uranium et de plutonium en Russie. Cet argent a été utilisé pour améliorer la sécurité des installations de recherche et de stockage. Scientific American a rapporté en février 2006 que, dans certaines installations, la sécurité consistait en des clôtures à mailles losangées qui étaient dans un état de délabrement avancé. Selon une interview tirée de l'article, une installation stockait des échantillons d'uranium enrichi (de qualité militaire) dans un placard à balais avant le projet d'amélioration ; un autre suivait son stock d’ogives nucléaires à l’aide de fiches conservées dans une boîte à chaussures.
Occurrence
Biotique et abiotique
L'uranium est un élément naturel que l'on peut trouver en faibles concentrations dans toutes les roches, sols et eaux. L'uranium est le 51ème élément par ordre d'abondance dans la croûte terrestre. L'uranium est également l'élément le plus numéroté que l'on trouve naturellement en quantités importantes sur Terre et se trouve presque toujours combiné avec d'autres éléments. Comme tous les éléments ayant un poids atomique supérieur à celui du fer, il ne se forme naturellement que dans les supernovae. On pense que la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium 40 dans le manteau terrestre est la principale source de chaleur qui maintient le noyau externe liquide et entraîne la convection du manteau, qui à son tour entraîne la tectonique des plaques.
La concentration moyenne d'uranium dans la croûte terrestre est (selon les références) de 2 à 4 parties par million, soit environ 40 fois plus abondante que l'argent. On estime que la croûte terrestre, depuis la surface jusqu'à 25 km (15 mi) de profondeur, contient 1 017 kg (2 lb) d'uranium, tandis que les océans peuvent en contenir 1 013 kg (2 lb). La concentration d'uranium dans le sol varie de 0,7 à 11 parties par million (jusqu'à 15 parties par million dans les sols agricoles en raison de l'utilisation d'engrais phosphatés) et sa concentration dans l'eau de mer est de 3 parties par milliard.
L'uranium est plus abondant que l'antimoine, l'étain, le cadmium, le mercure ou l'argent, et il est à peu près aussi abondant que l'arsenic ou le molybdène. L'uranium se trouve dans des centaines de minéraux, dont l'uraninite (le minerai d'uranium le plus courant), la carnotite, l'autunite, l'uranophane, la torbernite et la coffinite. Des concentrations importantes d'uranium sont présentes dans certaines substances telles que les gisements de roches phosphatées et dans des minéraux tels que le lignite et les sables de monazite présents dans les minerais riches en uranium (il est récupéré commercialement à partir de sources contenant aussi peu que 0,1 % d'uranium).
 Certaines bactéries, comme Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens et certaines souches de Burkholderia fungorum, utilisent l'uranium pour leur croissance et convertissent l'U(VI) en U(IV).
Certains organismes, comme le lichen Trapelia involuta ou des micro-organismes comme la bactérie Citrobacter, peuvent absorber des concentrations d'uranium jusqu'à 300 fois supérieures à celles de leur environnement. Les espèces de Citrobacter absorbent les ions uranyle lorsqu'elles reçoivent du phosphate de glycérol (ou d'autres phosphates organiques similaires). Au bout d'une journée, un gramme de bactérie peut s'incruster de neuf grammes de cristaux de phosphate d'uranyle ; cela crée la possibilité que ces organismes puissent être utilisés en bioremédiation pour décontaminer l’eau polluée par l’uranium.
Il a également été démontré que la protéobactérie Geobacter permet la biorestauration de l'uranium présent dans les eaux souterraines. Le champignon mycorhizien Glomus intraradices augmente la teneur en uranium des racines de sa plante symbiotique.
Dans la nature, l'uranium(VI) forme des complexes carbonatés hautement solubles à pH alcalin. Cela conduit à une augmentation de la mobilité et de la disponibilité de l'uranium provenant des déchets nucléaires dans les eaux souterraines et le sol, ce qui entraîne des risques pour la santé. Cependant, il est difficile de précipiter l'uranium sous forme de phosphate en présence d'un excès de carbonate à pH alcalin. Un Sphingomonas sp. la souche BSAR-1 exprime une phosphatase alcaline de haute activité (PhoK) qui a été appliquée pour la bioprécipitation de l'uranium sous forme d'espèces de phosphate d'uranyle à partir de solutions alcalines. La capacité de précipitation a été améliorée par la surexpression de la protéine PhoK dans E. coli.
Les plantes absorbent une partie de l'uranium du sol. Les concentrations en poids sec d'uranium dans les usines varient de 5 à 60 parties par milliard, et les cendres provenant du bois brûlé peuvent avoir des concentrations allant jusqu'à 4 parties par million. Les concentrations en poids sec d'uranium dans les usines alimentaires sont généralement plus faibles, avec un à deux microgrammes par jour ingérés par les aliments que les gens consomment.
Production et exploitation minière
La production mondiale d'U3O8 (Yellowcake) en 2013 s'est élevée à 70 015 tonnes, dont 22 451 t (32 %) ont été extraites au Kazakhstan. Les autres pays producteurs d'uranium importants sont le Canada (9 331 t), l'Australie (6 350 t), le Niger (4 518 t), la Namibie (4 323 t) et la Russie (3 135 t).
Le minerai d'uranium est extrait de plusieurs manières : à ciel ouvert, souterrain, par lixiviation in situ et par forage (voir extraction d'uranium). Le minerai d'uranium à faible teneur extrait contient généralement de 0,01 à 0,25 % d'oxydes d'uranium. Des mesures approfondies doivent être prises pour extraire le métal de son minerai. Les minerais à haute teneur trouvés dans les gisements du bassin d'Athabasca en Saskatchewan, au Canada, peuvent contenir en moyenne jusqu'à 23 % d'oxydes d'uranium. Le minerai d'uranium est broyé et transformé en une fine poudre, puis lixivié avec un acide ou un alcali. Le lixiviat est soumis à l'une des nombreuses séquences de précipitation, d'extraction par solvant et d'échange d'ions. Le mélange obtenu, appelé yellowcake, contient au moins 75 % d'oxydes d'uranium U3O8. Le Yellowcake est ensuite calciné pour éliminer les impuretés du processus de broyage avant le raffinage et la conversion.
L'uranium de qualité commerciale peut être produit par réduction d'halogénures d'uranium avec des métaux alcalins ou alcalino-terreux. L'uranium métal peut également être préparé par électrolyse de ou
Tétrafluorure d'uranium|, dissous dans une solution fondue de chlorure de calcium () et de chlorure de sodium (NaCl). L'uranium très pur est produit par décomposition thermique d'halogénures d'uranium sur un filament chaud.
Ressources et réserves
On estime qu’il existe 5,5 millions de tonnes d’uranium dans des réserves de minerai économiquement viables à 59 dollars américains la livre d’uranium, tandis que 35 millions de tonnes sont classées comme ressources minérales (perspectives raisonnables d’une éventuelle extraction économique). Les prix sont passés d'environ 10 $/lb en mai 2003 à 138 $/lb en juillet 2007. Cela a provoqué une forte augmentation des dépenses d'exploration, avec 200 millions de dollars américains dépensés dans le monde en 2005, soit une augmentation de 54 % par rapport à l'année précédente. Cette tendance s'est poursuivie jusqu'en 2006, lorsque les dépenses d'exploration ont grimpé à plus de 774 millions de dollars, soit une augmentation de plus de 250 % par rapport à 2004. L'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire a déclaré que les chiffres d'exploration pour 2007 correspondraient probablement à ceux de 2006.
L'Australie possède 31 % des réserves mondiales connues de minerai d'uranium et le plus grand gisement d'uranium au monde, situé à la mine Olympic Dam en Australie-Méridionale. Il existe une réserve importante d'uranium
à Bakouma une sous-préfecture de la préfecture du Mbomou en République Centrafricaine.
Une partie du combustible nucléaire provient du démantèlement d’armes nucléaires, comme dans le cadre du programme Megaton to Megawatts.
On estime que 4,6 milliards de tonnes supplémentaires d'uranium se trouvent dans l'eau de mer (des scientifiques japonais ont montré dans les années 1980 que l'extraction de l'uranium de l'eau de mer à l'aide d'échangeurs d'ions était techniquement réalisable). Des expériences ont été réalisées pour extraire l'uranium de l'eau de mer, mais le rendement a été faible en raison de la présence de carbonate dans l'eau. En 2012, les chercheurs de l'ORNL ont annoncé le développement réussi d'un nouveau matériau absorbant baptisé HiCap qui assure la rétention en surface des molécules solides ou gazeuses, des atomes ou des ions et élimine également efficacement les métaux toxiques de l'eau, selon les résultats vérifiés par des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory.
Fournitures
En 2005, dix-sept pays ont produit des oxydes d'uranium concentrés, le Canada (27,9 % de la production mondiale) et l'Australie (22,8 %) étant les plus grands producteurs et le Kazakhstan (10,5 %), la Russie (8,0 %), la Namibie (7,5 %), le Niger ( 7,4%), l'Ouzbékistan (5,5%), les États-Unis (2,5%), l'Argentine (2,1%), l'Ukraine (1,9%) et la Chine (1,7%) produisent également des quantités importantes. Le Kazakhstan continue d'augmenter sa production et pourrait devenir le plus grand producteur mondial d'uranium d'ici 2009, avec une production attendue de 12 826 tonnes, contre 11 100 t pour le Canada et 9 430 t pour l'Australie. À la fin des années 1960, les géologues de l’ONU ont également découvert d’importants gisements d’uranium et d’autres réserves minérales rares en Somalie. Il s'agit de la découverte la plus importante du genre, les experts de l'industrie estimant les gisements à plus de 25 % des réserves mondiales d'uranium alors connues, soit 800 000 tonnes.
On estime que l'offre ultime disponible sera suffisante pour au moins les 85 prochaines années, même si certaines études indiquent que le sous-investissement à la fin du XXe siècle pourrait entraîner des problèmes d'approvisionnement au XXIe siècle.
Les gisements d'uranium semblent avoir une distribution log-normale. La quantité d’uranium récupérable est multipliée par 300 pour chaque diminution de 10 fois de la teneur du minerai.
En d’autres termes, il existe peu de minerai à haute teneur et, proportionnellement, beaucoup plus de minerai à faible teneur.
Composés
États d'oxydation et oxydes
Oxydes
Le gâteau jaune d'uranium calciné, tel que produit dans de nombreuses grandes usines, contient une distribution d'espèces d'oxydation d'uranium sous diverses formes allant de la plus oxydée à la moins oxydée. Les particules ayant des temps de séjour courts dans un calcinateur seront généralement moins oxydées que celles ayant des temps de séjour longs ou que les particules récupérées dans l'épurateur de cheminée. La teneur en uranium est généralement référencée à , qui date de l'époque du projet Manhattan, lorsqu'elle était utilisée comme norme de rapport sur la chimie analytique.
Les relations de phases dans le système uranium-oxygène sont complexes. Les états d'oxydation les plus importants de l'uranium sont l'uranium(IV) et l'uranium(VI), et leurs deux oxydes correspondants sont respectivement le dioxyde d'uranium () et le trioxyde d'uranium (). D'autres oxydes d'uranium tels que le monoxyde d'uranium (UO), le pentoxyde de diuranium () et le peroxyde d'uranium () existent également.
Les formes les plus courantes d'oxyde d'uranium sont l'octoxyde de triuranium () et . Les deux formes d’oxydes sont des solides peu solubles dans l’eau et relativement stables dans une large gamme de conditions environnementales. L'octoxyde de triuranium est (selon les conditions) le composé le plus stable de l'uranium et la forme la plus couramment trouvée dans la nature. Le dioxyde d'uranium est la forme sous laquelle l'uranium est le plus couramment utilisé comme combustible pour les réacteurs nucléaires. À température ambiante, se convertira progressivement en . En raison de leur stabilité, les oxydes d’uranium sont généralement considérés comme la forme chimique préférée pour le stockage ou l’élimination.
Chimie aqueuse
Les sels de nombreux états d'oxydation de l'uranium sont solubles dans l'eau et peuvent être étudiés dans des solutions aqueuses. Les formes ioniques les plus courantes sont (marron-rouge), (vert), (instable) et (jaune), respectivement pour U(III), U(IV), U(V) et U(VI). Quelques composés solides et semi-métalliques tels que UO et US existent pour l'état d'oxydation formel de l'uranium (II), mais aucun ion simple n'existe en solution pour cet état. Les ions libèrent de l'hydrogène à partir de l'eau et sont donc considérés comme très instables. L'ion représente l'état uranium (VI) et est connu pour former des composés tels que le carbonate d'uranyle, le chlorure d'uranyle et le sulfate d'uranyle. forme également des complexes avec divers agents chélateurs organiques, le plus couramment rencontré étant l'acétate d'uranyle.
Contrairement aux sels d'uranyle d'uranium et aux formes cationiques d'oxyde d'uranium à ions polyatomiques, les uranates, sels contenant un anion d'oxyde d'uranium polyatomique, ne sont généralement pas solubles dans l'eau.
Carbonates
Les interactions des anions carbonate avec l'uranium (VI) provoquent une modification considérable du diagramme de Pourbaix lorsque le milieu passe de l'eau à une solution contenant du carbonate. Alors que la grande majorité des carbonates sont insolubles dans l’eau (on enseigne souvent aux étudiants que tous les carbonates autres que ceux des métaux alcalins sont insolubles dans l’eau), les carbonates d’uranium sont souvent solubles dans l’eau. En effet, un cation U(VI) est capable de lier deux oxydes terminaux et trois carbonates ou plus pour former des complexes anioniques.
Effets du pH
Les diagrammes de fraction d'uranium en présence de carbonate illustrent cela davantage : lorsque le pH d'une solution d'uranium (VI) augmente, l'uranium est converti en un oxyde d'hydroxyde d'uranium hydraté et à des pH élevés, il devient un complexe d'hydroxyde anionique.
Lorsque du carbonate est ajouté, l'uranium est converti en une série de complexes carbonatés si le pH augmente. L'un des effets de ces réactions est une solubilité accrue de l'uranium dans la plage de pH de 6 à 8, un fait qui a une incidence directe sur la stabilité à long terme des combustibles nucléaires usés au dioxyde d'uranium.
Hydrures, carbures et nitrures
L'uranium métallique chauffé à 250 °C réagit avec l'hydrogène pour former de l'hydrure d'uranium. Des températures encore plus élevées élimineront l’hydrogène de manière réversible. Cette propriété fait des hydrures d’uranium des matières premières pratiques pour créer de la poudre d’uranium réactive ainsi que divers composés de carbure, de nitrure et d’halogénure d’uranium. Il existe deux modifications cristallines de l'hydrure d'uranium : une forme α obtenue à basse température et une forme β créée lorsque la température de formation est supérieure à 250 °C.
Les carbures d'uranium et les nitrures d'uranium sont tous deux des composés semi-métalliques relativement inertes qui sont peu solubles dans les acides, réagissent avec l'eau et peuvent s'enflammer dans l'air pour se former. Les carbures d'uranium comprennent le monocarbure d'uranium (UC), le dicarbure d'uranium () et le tricarbure de diuranium (). Les deux UC et sont formés en ajoutant du carbone à l'uranium fondu ou en exposant le métal au monoxyde de carbone à des températures élevées. Stable en dessous de 1 800 °C, est préparé par subjecti