Utilisation de l'uranium dans la technologie

Résumé section

Principaux domaines d'application de l'uranium.

Développement de l'énergie nucléaire. Niveau atteint et perspectives. Estimation de la quantité d'uranium nécessaire à ces fins.

Réserves d'uranium et industrie minière de l'uranium. Niveau de production de concentrés d'uranium. Tendances et conditions de développement de la production et de la consommation d'uranium.

Les principales étapes (étapes du processus) de la technologie de production de composés, de métaux, d'alliages d'uranium, de fabrication d'éléments combustibles (FEL) et d'assemblages combustibles (FA).

L'uranium est un élément radioactif et ses domaines d'application sont largement déterminés par sa composition isotopique. L'uranium naturel est constitué de trois isotopes :

La radioactivité spécifique de l'uranium naturel est de 0,67 microcurie/g (divisée presque par deux entre l'U-234 et l'U-238, l'U-235 y apporte une faible contribution). L'uranium naturel est suffisamment radioactif pour exposer une plaque photographique en une heure environ.

Aussi dans les temps anciens(1er siècle avant JC), l'oxyde d'uranium naturel était utilisé pour fabriquer des glaçures jaunes pour la poterie. Des éclats de poterie à glaçure jaune (contenant plus de 1 % d'oxyde d'uranium) ont été découverts parmi les ruines de Pompéi et d'Herculanum. On estime que l'apparition du verre d'uranium remonte à au moins 79 après JC, à partir d'une mosaïque trouvée en 1912 dans une villa romaine du cap Posillipo, dans le golfe de Naples (Italie), contenant du verre jaune avec une teneur en oxyde d'uranium d'environ 1% (voir Fig. Matériel supplémentaire pour la section 3). À partir de la fin du Moyen Âge, la pitchblende (uranite) a commencé à être extraite des mines d'argent des Habsbourg près de la ville de Jáchymov en Bohême (aujourd'hui Jáchymov, République tchèque) et a été utilisée comme colorant dans la production de verre locale.

DANS histoire moderne Les premières utilisations des composés d'uranium produits technologiquement ont également été dans la préparation d'émaux colorés (principalement rouges, orange et marron) pour la céramique, ainsi que dans la fabrication de verre d'uranium, qui a une couleur jaune-vert et peut devenir fluorescent lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil ou la lumière ultraviolette.

La production généralisée de produits en verre d'uranium a commencé en Europe dans les années 20 et 30 du 19e siècle et s'est poursuivie jusqu'aux années 50 du 20e siècle. Le maître bohème Joseph Riedl a développé une méthode pour faire fondre le verre dans de nouvelles nuances - jaune et vert, et le colorant à l'uranium leur a donné une lueur si mystérieuse. Riedl était engagé dans la production de produits en verre d'uranium de 1830 à 1848. Dans les années 1830, du verre d'uranium de dernière génération a commencé à être produit en Russie à l'usine de Gusevsky. Pour les verres à l'uranium, des compositions de calcium, de zinc, de baryum sont recommandées, de préférence à haute teneur en potassium et en bore, cela assure une fluorescence plus intense du verre. Le verre au plomb n'est pas fluorescent car il absorbe les rayons ultraviolets. Pour les verres à l'uranium sans fluorescence, des compositions de verre au plomb peuvent également être utilisées, par exemple dans les bijoux pour imiter la topaze - ces verres ont une couleur jaune comparable à la topaze. La teneur en uranium doit être relativement élevée, car le pouvoir colorant de l'uranium dans les compositions de verre est faible. La teneur en uranium varie de 0,3...1,5 % UO 3 à 4...6 % UO 3. Cependant, avec une introduction plus importante d'oxyde d'uranium, la fluorescence du verre s'affaiblit progressivement. L'uranium est introduit dans la charge sous forme d'oxydes (UO 2, U 3 O 8 ou UO 3), d'uranate de sodium (Na 2 UO 4 ou Na 2 U 2 O 7) ou de nitrate d'uranyle.

Actuellement, une petite quantité de verre d'uranium et de produits fabriqués à partir de celui-ci est produite en République tchèque. L'uranium est également introduit dans certains types de verres optiques, par exemple le verre optique borosilicaté jaune ZhS19, contenant 1,37 % d'UO 3, ou le verre optique au phosphate de zinc vert ZS7, contenant 2,8 % d'UO 3.

Le plus utilisé dans technologie moderne possède l'isotope de l'uranium 235 U, dans lequel une réaction nucléaire en chaîne auto-entretenue est possible. Par conséquent, cet isotope est utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires ainsi que dans les armes nucléaires. L'isolement de l'isotope U 235 de l'uranium naturel est un problème technologique complexe. Le degré d'enrichissement de l'U-235 dans le combustible nucléaire destiné aux centrales nucléaires varie de 2 à 4,5 %, pour l'utilisation d'armes - au moins 80 %, et plus préférablement 90 %. Aux États-Unis, l'uranium 235 de qualité militaire est enrichi à 93,5 % ; l'industrie est capable d'en produire 97,65 % - l'uranium de cette qualité est utilisé dans les réacteurs pour marine. En 1998, la division isotope du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) a fourni 93 % d'U-235 à 53 $/g.

L'isotope U 238 est capable de fission sous l'influence d'un bombardement de neutrons à haute énergie ; cette caractéristique est utilisée pour augmenter la puissance des armes thermonucléaires (des neutrons générés par une réaction thermonucléaire sont utilisés). Les ogives thermonucléaires contiennent souvent une couche d'uranium appauvri entourant la charge thermonucléaire principale. Cette couche sert initialement de masse de réaction, permettant une compression plus forte lors de la détonation et une apparition plus complète d'une réaction thermonucléaire. Le flux élevé de neutrons de haute énergie résultant de la réaction thermonucléaire conduit à la fission de l'U-238, ce qui augmente la puissance de l'ogive. Ces armes sont classées comme des armes fonctionnant selon le schéma « fission-fusion-fission », représentant trois étapes successives d'explosion. L'énergie libérée lors de la fission finale de l'uranium appauvri constitue une part importante de la puissance totale du dispositif thermonucléaire. Par exemple, 77 % des 10,4 mégatonnes de l’explosion thermonucléaire d’Ivy Mike en 1952 provenaient de la fission de l’uranium appauvri. L’uranium appauvri n’ayant pas de masse critique, il peut être ajouté à une charge thermonucléaire en quantités presque illimitées. La puissance libérée lors de l’essai de la bombe Tsar en URSS en 1961 n’était « que » de 50 mégatonnes (dont 90 % provenaient de la réaction thermonucléaire elle-même) car l’uranium appauvri avait été remplacé par du plomb lors de l’étape finale de l’assemblage. Si de l'uranium appauvri était utilisé, le rendement de l'explosion serait de 100 mégatonnes.

Une application importante de cet isotope de l’uranium est la production de plutonium 239. Grâce à la capture de neutrons suivie d'une désintégration β, le 238 U peut être converti en 239 Pu, qui est ensuite utilisé comme combustible nucléaire. Tout combustible de réacteur contenant de l'uranium naturel ou partiellement enrichi en 235ème isotope contient une certaine proportion de plutonium après la fin du cycle du combustible.

Une fois l'U-235 extrait de l'uranium naturel, la matière restante est appelée « uranium appauvri » car il est appauvri en 235ème isotope. Environ 560 000 tonnes d'hexafluorure d'uranium appauvri (UF 6) sont stockées aux États-Unis, environ 700 000 tonnes en Russie.

L'uranium appauvri est deux fois moins radioactif que l'uranium naturel, principalement en raison de l'élimination de l'U-234. Étant donné que la principale utilisation de l’uranium est la production d’énergie, l’uranium appauvri est un produit inutile avec peu de valeur économique. Trouver des moyens d'utiliser l'uranium appauvri représente gros problème pour les entreprises de transformation.

Son utilisation est principalement liée à la haute densité de l'uranium et à son coût relativement faible. Les deux utilisations les plus importantes de l'uranium appauvri sont : son utilisation pour protection contre les radiations(assez curieusement) et comme masse de ballast dans les applications aérospatiales telles que les gouvernes des avions. Chaque avion Boeing 747 produit avant le milieu des années 1980 contient à cet effet entre 400 et 1 500 kg d'uranium appauvri. Le problème de l’utilisation de l’uranium dans les avions civils est qu’en cas d’accident, l’uranium brûle dans un incendie et est rejeté dans l’environnement sous forme d’oxyde. Lorsque deux Boeing 747 sont entrés en collision à l'aéroport de Tenerife en 1977, 3 000 kg d'uranium ont brûlé dans un incendie. Un autre cas bien connu de ce type d'accident entraînant le rejet d'une grue dans l'environnement est la catastrophe d'Amsterdam en 1992. Actuellement, Boeing et McDonnell-Douglas n'utilisent pas de contrepoids en uranium dans les avions civils.

L'uranium appauvri est largement utilisé dans le forage pétrolier sous forme de tiges de choc (dans le forage filaire), son poids entraînant l'outil dans des puits remplis de fluide de forage. Ce matériau est également utilisé dans les rotors de gyroscopes à grande vitesse, les grands volants d'inertie, comme ballast dans les atterrisseurs spatiaux et les yachts de course. Une application quelque peu inattendue est l'utilisation de l'uranium dans les voitures de course de Formule 1. Selon les règles, le poids minimum de la voiture devrait être de 600 kg, mais les concepteurs essaient d'abord de réduire le poids autant que possible, puis de l'amener à 600 kg en plaçant des ballasts à l'uranium appauvri et en obtenant le meilleur équilibrage.

Mais l’utilisation la plus connue de l’uranium appauvri concerne les noyaux de projectiles perforants (projectiles sous-calibrés dotés d’un noyau ultra-lourd). Avec un certain alliage avec d'autres métaux et traitement thermique (alliage avec 2 % de Mo ou 0,75-3,5 % de Ti, trempe rapide du métal chauffé à 850 °C dans de l'eau ou de l'huile, puis maintien à 450 °C pendant 5 heures) uranium métal devenir plus dur et plus résistant que l’acier (résistance à la traction > 1600 MPa). Combiné à sa haute densité, cela rend l'uranium durci extrêmement efficace pour pénétrer les blindages, d'une efficacité similaire à celle du tungstène monocristallin, beaucoup plus cher. Le processus de destruction du blindage s'accompagne du broyage de la majeure partie de l'uranium en poussière, de la pénétration de la poussière dans l'objet protégé et de son inflammation dans l'air de l'autre côté. Environ 300 tonnes d'uranium appauvri sont restées sur le champ de bataille pendant la Tempête du désert (essentiellement des restes d'obus du canon GAU-8 de 30 mm de l'avion d'attaque A-10, chaque obus contenant 272 g d'alliage d'uranium). L'armée américaine utilise de l'uranium dans les obus des canons de char de 120 ou 105 mm (M1 Abrams et M60A3) et du canon de 25 mm M242 monté sur les M2 Bradley et LAV-AT. Des balles à noyau d'uranium (calibres 20, 25 et 30 mm) sont utilisées Corps des Marines, l'US Air Force et la Marine. L'armée russe (soviétique) utilise de l'uranium appauvri dans les obus de ses canons de char depuis la fin des années 1970, principalement pour le canon de 115 mm du char T-62 et le canon de 125 mm des T-64, T-72 et T-80. et les chars T. 90. Les obus pour canons de char et canons navals contenant de l'uranium appauvri sont également utilisés par les armées de Grande-Bretagne, d'Israël, de France, de Chine, du Pakistan, etc. Au total, ces armes sont produites dans 18 pays.

En raison de sa haute densité, l’uranium appauvri est également utilisé dans le blindage des chars modernes (sous la forme d’un « sandwich » entre deux tôles d’acier), comme les chars M-1 Abrams (modifications M1A1HA et M1A2) construits après 1998.

Actuellement, des travaux sont en cours pour remplacer le plomb par de l'uranium appauvri dans la production de contrepoids pour ascenseurs et grues.

D'où vient l'uranium ? Très probablement, il apparaît lors d’explosions de supernova. Le fait est que pour la nucléosynthèse d'éléments plus lourds que le fer, il doit y avoir un puissant flux de neutrons, ce qui se produit précisément lors d'une explosion de supernova. Il semblerait qu'alors, lors de la condensation du nuage de nouveaux systèmes stellaires qu'il forme, l'uranium, s'étant accumulé dans un nuage protoplanétaire et étant très lourd, devrait s'enfoncer dans les profondeurs des planètes. Mais ce n'est pas vrai. L'uranium est un élément radioactif et lorsqu'il se désintègre, il libère de la chaleur. Les calculs montrent que si l'uranium était réparti uniformément sur toute l'épaisseur de la planète, au moins avec la même concentration qu'à la surface, il émettrait trop de chaleur. De plus, son flux devrait s'affaiblir à mesure que l'uranium est consommé. Comme rien de tel n'a été observé, les géologues estiment qu'au moins un tiers de l'uranium, voire la totalité, est concentré dans la croûte terrestre, où sa teneur est de 2,5∙10 –4 %. La raison pour laquelle cela s'est produit n'est pas discutée.

Où est extrait l’uranium ? Il n'y a pas si peu d'uranium sur Terre - il occupe la 38ème place en termes d'abondance. Et la majeure partie de cet élément se trouve dans les roches sédimentaires - schistes carbonés et phosphorites : jusqu'à 8∙10 –3 et 2,5∙10 –2 %, respectivement. Au total, la croûte terrestre contient 10 à 14 tonnes d'uranium, mais le principal problème est qu'elle est très dispersée et ne forme pas de gisements puissants. Environ 15 minéraux d'uranium ont une importance industrielle. Il s'agit du goudron d'uranium - sa base est de l'oxyde d'uranium tétravalent, du mica d'uranium - divers silicates, phosphates et composés plus complexes avec du vanadium ou du titane à base d'uranium hexavalent.

Que sont les rayons de Becquerel ? Après la découverte des rayons X par Wolfgang Roentgen, le physicien français Antoine-Henri Becquerel s'est intéressé à la lueur des sels d'uranium, qui se produit sous l'influence de la lumière solaire. Il voulait comprendre s'il y avait des rayons X ici aussi. En effet, ils étaient présents : le sel éclairait la plaque photographique à travers le papier noir. Cependant, dans l'une des expériences, le sel n'était pas éclairé, mais la plaque photographique restait sombre. Lorsqu'un objet métallique était placé entre le sel et la plaque photographique, l'assombrissement en dessous était moindre. Par conséquent, de nouveaux rayons ne sont pas apparus en raison de l'excitation de l'uranium par la lumière et n'ont pas traversé partiellement le métal. On les appelait initialement « rayons de Becquerel ». Il a été découvert par la suite qu'il s'agit principalement de rayons alpha avec un petit ajout de rayons bêta : le fait est que les principaux isotopes de l'uranium émettent une particule alpha lors de la désintégration, et les produits filles subissent également une désintégration bêta.

À quel point l’uranium est-il radioactif ? L'uranium ne possède pas d'isotopes stables ; ils sont tous radioactifs. L'uranium 238 dont la durée de vie est la plus longue est de 4,4 milliards d'années. Vient ensuite l'uranium 235 - 0,7 milliard d'années. Ils subissent tous deux une désintégration alpha et deviennent les isotopes correspondants du thorium. L'uranium 238 représente plus de 99 % de tout l'uranium naturel. En raison de sa demi-vie énorme, la radioactivité de cet élément est faible et, de plus, les particules alpha ne sont pas capables de pénétrer dans la couche cornée à la surface du corps humain. On dit qu'après avoir travaillé avec l'uranium, I.V. Kurchatov s'est simplement essuyé les mains avec un mouchoir et n'a souffert d'aucune maladie associée à la radioactivité.

Les chercheurs se sont tournés à plusieurs reprises vers les statistiques sur les maladies des travailleurs des mines et des usines de traitement d'uranium. Voici, par exemple, un article récent de spécialistes canadiens et américains qui ont analysé les données de santé de plus de 17 000 travailleurs de la mine Eldorado, dans la province canadienne de la Saskatchewan, pour les années 1950-1999 ( Recherche environnementale, 2014, 130, 43-50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Ils sont partis du fait que les rayonnements ont l'effet le plus puissant sur les cellules sanguines à multiplication rapide, conduisant aux types de cancer correspondants. Les statistiques ont montré que les travailleurs des mines ont une incidence de divers types Il y a moins de cancers du sang que la moyenne canadienne. Dans ce cas, la principale source de rayonnement n’est pas l’uranium lui-même, mais le radon gazeux qu’il génère et ses produits de désintégration, qui peuvent pénétrer dans l’organisme par les poumons.

Pourquoi l'uranium est-il nocif ?? Comme d’autres métaux lourds, il est hautement toxique et peut provoquer une insuffisance rénale et hépatique. D'autre part, l'uranium, étant un élément dispersé, est inévitablement présent dans l'eau, le sol et, se concentrant dans la chaîne alimentaire, pénètre dans le corps humain. Il est raisonnable de supposer qu'au cours du processus d'évolution, les êtres vivants ont appris à neutraliser l'uranium dans des concentrations naturelles. L'uranium étant le produit le plus dangereux présent dans l'eau, l'OMS a fixé une limite : initialement, elle était de 15 µg/l, mais en 2011, la norme a été augmentée à 30 µg/g. En règle générale, il y a beaucoup moins d'uranium dans l'eau : aux États-Unis en moyenne 6,7 µg/l, en Chine et en France - 2,2 µg/l. Mais il y a aussi de fortes déviations. Ainsi, dans certaines régions de Californie, elle est cent fois supérieure à la norme - 2,5 mg/l, et dans le sud de la Finlande, elle atteint 7,8 mg/l. Les chercheurs tentent de comprendre si la norme de l'OMS est trop stricte en étudiant l'effet de l'uranium sur les animaux. Voici un travail typique ( BioMed Recherche Internationale, 2014, ID 181989 ; DOI : 10.1155/2014/181989). Des scientifiques français ont nourri des rats avec de l'eau pendant neuf mois avec des additifs à base d'uranium appauvri, et à des concentrations relativement élevées - de 0,2 à 120 mg/l. La valeur inférieure correspond à l'eau proche de la mine, tandis que la valeur supérieure ne se trouve nulle part : la concentration maximale d'uranium, mesurée en Finlande, est de 20 mg/l. À la surprise des auteurs - l'article s'intitule : « L'absence inattendue d'un effet notable de l'uranium sur les systèmes physiologiques… » - l'uranium n'a pratiquement aucun effet sur la santé des rats. Les animaux ont bien mangé, pris du poids correctement, ne se sont pas plaints de maladie et ne sont pas morts d'un cancer. L'uranium, comme il se doit, s'est déposé principalement dans les reins et les os et en quantités cent fois inférieures dans le foie, et son accumulation dépendait vraisemblablement de sa teneur dans l'eau. Cependant, cela n’a pas conduit à une insuffisance rénale ni même à l’apparition notable de marqueurs moléculaires de l’inflammation. Les auteurs ont suggéré qu'une révision des directives strictes de l'OMS devrait commencer. Il y a cependant une mise en garde : l’effet sur le cerveau. Il y avait moins d'uranium dans le cerveau des rats que dans le foie, mais sa teneur ne dépendait pas de la quantité présente dans l'eau. Mais l’uranium a affecté le fonctionnement du système antioxydant du cerveau : l’activité de la catalase a augmenté de 20 %, celle de la glutathion peroxydase de 68 à 90 % et celle de la superoxyde dismutase a diminué de 50 %, quelle que soit la dose. Cela signifie que l’uranium a clairement provoqué un stress oxydatif dans le cerveau et que le corps y a répondu. Cet effet - le fort effet de l'uranium sur le cerveau en l'absence de son accumulation dans celui-ci, ainsi que dans les organes génitaux - a déjà été remarqué. De plus, de l'eau contenant de l'uranium à une concentration de 75 à 150 mg/l, que des chercheurs de l'Université du Nebraska ont nourrie des rats pendant six mois ( Neurotoxicologie et Tératologie, 2005, 27, 1, 135-144 ; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), a affecté le comportement des animaux, principalement des mâles, relâchés dans le champ : ils franchissaient les lignes, se dressaient sur leurs pattes postérieures et lissaient leur fourrure différemment des animaux témoins. Il existe des preuves que l'uranium entraîne également des troubles de la mémoire chez les animaux. Les changements comportementaux étaient corrélés aux niveaux d’oxydation des lipides dans le cerveau. Il s'avère que l'eau d'uranium a rendu les rats en bonne santé, mais plutôt stupides. Ces données nous seront utiles dans l’analyse de ce qu’on appelle le syndrome de la guerre du Golfe.

L’uranium contamine-t-il les sites d’exploitation du gaz de schiste ? Cela dépend de la quantité d’uranium contenue dans les roches gazeuses et de la manière dont il y est associé. Par exemple, le professeur agrégé Tracy Bank de l'Université de Buffalo a étudié les schistes de Marcellus, qui s'étendent de l'ouest de l'État de New York à la Virginie occidentale en passant par la Pennsylvanie et l'Ohio. Il s'est avéré que l'uranium est chimiquement lié précisément à la source d'hydrocarbures (rappelez-vous que les schistes carbonés associés ont la teneur en uranium la plus élevée). Des expériences ont montré que la solution utilisée lors de la fracturation dissout parfaitement l'uranium. « Lorsque l’uranium contenu dans ces eaux atteint la surface, il peut provoquer une contamination des zones environnantes. Cela ne pose pas de risque radiologique, mais l’uranium est un élément toxique », note Tracy Bank dans un communiqué universitaire daté du 25 octobre 2010. Aucun article détaillé n'a encore été rédigé sur le risque de contamination de l'environnement par l'uranium ou le thorium lors de la production de gaz de schiste.

Pourquoi l’uranium est-il nécessaire ? Auparavant, il était utilisé comme pigment pour fabriquer des céramiques et du verre coloré. Aujourd’hui, l’uranium constitue la base de l’énergie nucléaire et des armes atomiques. Dans ce cas, sa propriété unique est utilisée : la capacité du noyau à se diviser.

Qu’est-ce que la fission nucléaire ? Désintégration d'un noyau en deux gros morceaux inégaux. C'est à cause de cette propriété que lors de la nucléosynthèse due à l'irradiation neutronique, des noyaux plus lourds que l'uranium se forment avec beaucoup de difficulté. L'essence du phénomène est la suivante. Si le rapport entre le nombre de neutrons et de protons dans le noyau n’est pas optimal, celui-ci devient instable. Typiquement, un tel noyau émet soit une particule alpha - deux protons et deux neutrons, soit une particule bêta - un positron, qui s'accompagne de la transformation de l'un des neutrons en proton. Dans le premier cas, on obtient un élément du tableau périodique, espacé de deux cellules en arrière, dans le second - une cellule en avant. Cependant, en plus d'émettre des particules alpha et bêta, le noyau d'uranium est capable de fission - se désintégrant en noyaux de deux éléments du milieu du tableau périodique, par exemple le baryum et le krypton, ce qu'il fait après avoir reçu un nouveau neutron. Ce phénomène a été découvert peu de temps après la découverte de la radioactivité, lorsque les physiciens ont exposé le rayonnement nouvellement découvert à tout ce qu'ils pouvaient. Voici comment Otto Frisch, un participant aux événements, écrit à ce sujet (« Advances in Physical Sciences », 1968, 96, 4). Après la découverte des rayons du béryllium - les neutrons - Enrico Fermi a irradié de l'uranium avec eux, notamment pour provoquer la désintégration bêta - il espérait l'utiliser pour obtenir le 93ème élément suivant, aujourd'hui appelé neptunium. C'est lui qui découvre un nouveau type de radioactivité dans l'uranium irradié, qu'il associe à l'apparition d'éléments transuraniens. Dans le même temps, le ralentissement des neutrons, pour lequel la source de béryllium était recouverte d'une couche de paraffine, augmentait cette radioactivité induite. Le radiochimiste américain Aristide von Grosse a suggéré que l'un de ces éléments était le protactinium, mais il avait tort. Mais Otto Hahn, qui travaillait alors à l'Université de Vienne et considérait le protactinium découvert en 1917 comme son idée originale, a décidé qu'il était obligé de découvrir quels éléments avaient été obtenus. Avec Lise Meitner, au début de 1938, Hahn suggéra, sur la base de résultats expérimentaux, que des chaînes entières d'éléments radioactifs se formaient en raison de multiples désintégrations bêta des noyaux absorbant les neutrons de l'uranium 238 et de ses éléments filles. Bientôt, Lise Meitner fut contrainte de fuir vers la Suède, craignant d'éventuelles représailles de la part des nazis après l'Anschluss de l'Autriche. Hahn, après avoir poursuivi ses expériences avec Fritz Strassmann, découvrit que parmi les produits il y avait aussi du baryum, élément numéro 56, qui ne pouvait en aucun cas être obtenu à partir de l'uranium : toutes les chaînes de désintégrations alpha de l'uranium se terminent par du plomb beaucoup plus lourd. Les chercheurs ont été tellement surpris par le résultat qu'ils ne l'ont pas publié ; ils ont seulement écrit des lettres à des amis, notamment à Lise Meitner à Göteborg. Là, à Noël 1938, son neveu Otto Frisch lui rendit visite et, se promenant dans les environs de la ville d'hiver - lui à skis, la tante à pied - ils discutèrent de la possibilité de l'apparition de baryum lors de l'irradiation de l'uranium comme résultat de la fission nucléaire (pour plus d'informations sur Lise Meitner, voir « Chimie et vie », 2013, n° 4). De retour à Copenhague, Frisch a littéralement surpris Niels Bohr sur la passerelle d'un navire en partance pour les États-Unis et lui a parlé de l'idée de la fission. Bohr, se frappant le front, dit : « Oh, quels imbéciles nous avons été ! Nous aurions dû le remarquer plus tôt. » En janvier 1939, Frisch et Meitner publièrent un article sur la fission des noyaux d'uranium sous l'influence des neutrons. À cette époque, Otto Frisch avait déjà réalisé une expérience de contrôle, ainsi que de nombreux groupes américains qui avaient reçu le message de Bohr. On dit que les physiciens ont commencé à se disperser dans leurs laboratoires dès son rapport du 26 janvier 1939 à Washington lors de la conférence annuelle de physique théorique, lorsqu'ils ont compris l'essence de l'idée. Après la découverte de la fission, Hahn et Strassmann ont révisé leurs expériences et ont découvert, tout comme leurs collègues, que la radioactivité de l'uranium irradié n'est pas associée aux transuraniens, mais à la désintégration des éléments radioactifs formés lors de la fission du milieu du tableau périodique.

Comment se produit une réaction en chaîne dans l’uranium ? Peu après que la possibilité d'une fission des noyaux d'uranium et de thorium ait été prouvée expérimentalement (et il n'existe aucun autre élément fissile sur Terre en quantité significative), Niels Bohr et John Wheeler, qui travaillaient à Princeton, ainsi que, indépendamment d'eux, le Le physicien théoricien soviétique Ya. I. Frenkel et les Allemands Siegfried Flügge et Gottfried von Droste ont créé la théorie de la fission nucléaire. Deux mécanismes en découlent. L’un est associé au seuil d’absorption des neutrons rapides. Selon elle, pour initier la fission, un neutron doit avoir une énergie assez élevée, supérieure à 1 MeV pour les noyaux des principaux isotopes - l'uranium 238 et le thorium 232. Aux énergies inférieures, l'absorption des neutrons par l'uranium 238 a un caractère résonnant. Ainsi, un neutron avec une énergie de 25 eV a une section efficace de capture des milliers de fois plus grande qu'avec d'autres énergies. Dans ce cas, il n'y aura pas de fission : l'uranium-238 deviendra de l'uranium-239, qui avec une demi-vie de 23,54 minutes se transformera en neptunium-239, qui avec une demi-vie de 2,33 jours se transformera en uranium à vie longue. plutonium-239. Le thorium-232 deviendra de l'uranium-233.

Le deuxième mécanisme est l'absorption sans seuil d'un neutron, il est suivi du troisième isotope fissile plus ou moins courant - l'uranium-235 (ainsi que le plutonium-239 et l'uranium-233, que l'on ne trouve pas dans la nature) : par en absorbant n'importe quel neutron, même lent, dit thermique, avec l'énergie des molécules participant au mouvement thermique - 0,025 eV, un tel noyau se divisera. Et c’est très bien : les neutrons thermiques ont une section efficace de capture quatre fois supérieure à celle des neutrons rapides de type mégaélectronvolt. C'est là toute l'importance de l'uranium 235 pour toute l'histoire ultérieure de l'énergie nucléaire : c'est lui qui assure la multiplication des neutrons dans l'uranium naturel. Après avoir été touché par un neutron, le noyau d'uranium 235 devient instable et se divise rapidement en deux parties inégales. En cours de route, plusieurs nouveaux neutrons (en moyenne 2,75) sont émis. S'ils frappent les noyaux du même uranium, ils provoqueront une multiplication exponentielle des neutrons - une réaction en chaîne se produira, ce qui conduira à une explosion en raison du dégagement rapide d'une énorme quantité de chaleur. Ni l'uranium 238 ni le thorium 232 ne peuvent fonctionner ainsi : après tout, lors de la fission, les neutrons sont émis avec une énergie moyenne de 1 à 3 MeV, c'est-à-dire que s'il existe un seuil d'énergie de 1 MeV, une partie importante du les neutrons ne pourront certainement pas provoquer de réaction et il n'y aura pas de reproduction. Cela signifie qu'il faudra oublier ces isotopes et ralentir les neutrons jusqu'à l'énergie thermique pour qu'ils interagissent le plus efficacement possible avec les noyaux de l'uranium 235. Toutefois, ils ne peuvent pas être autorisés absorption résonante uranium 238 : après tout, dans l'uranium naturel, cet isotope est légèrement inférieur à 99,3 % et les neutrons entrent plus souvent en collision avec lui, et non avec l'uranium 235 cible. Et en agissant comme modérateur, il est possible de maintenir la multiplication des neutrons à un niveau constant et d'éviter une explosion - contrôler la réaction en chaîne.

Un calcul effectué par Ya. B. Zeldovich et Yu. B. Khariton au cours de la même année fatidique de 1939 a montré que pour cela, il est nécessaire d'utiliser un modérateur de neutrons sous forme d'eau lourde ou de graphite et d'enrichir l'uranium naturel avec de l'uranium. 235 au moins 1,83 fois. Alors cette idée leur parut un pur fantasme : « Il faut noter qu'environ le double de l'enrichissement de ces quantités assez importantes d'uranium nécessaires pour réaliser une explosion en chaîne,<...>est une tâche extrêmement lourde, proche de l’impossibilité pratique. Aujourd'hui, ce problème est résolu et l'industrie nucléaire produit en masse de l'uranium enrichi à l'uranium 235 à 3,5 % pour les centrales électriques.

Qu'est-ce que la fission nucléaire spontanée ? En 1940, G. N. Flerov et K. A. Petrzhak ont ​​découvert que la fission de l'uranium peut se produire spontanément, sans aucune influence extérieure, bien que la demi-vie soit beaucoup plus longue que celle d'une désintégration alpha ordinaire. Étant donné qu’une telle fission produit également des neutrons, s’ils ne peuvent pas s’échapper de la zone de réaction, ils serviront d’initiateurs à la réaction en chaîne. C'est ce phénomène qui est utilisé dans la création de réacteurs nucléaires.

Pourquoi l’énergie nucléaire est-elle nécessaire ? Zeldovich et Khariton furent parmi les premiers à calculer l'effet économique de l'énergie nucléaire (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). «... À l'heure actuelle, il est encore impossible de tirer des conclusions définitives sur la possibilité ou l'impossibilité de réaliser une réaction de fission nucléaire avec des chaînes infiniment ramifiées dans l'uranium. Si une telle réaction est réalisable, alors la vitesse de réaction est automatiquement ajustée pour assurer son bon déroulement, malgré grande quantitéénergie disponible pour l’expérimentateur. Cette circonstance est extrêmement favorable à la consommation énergétique de la réaction. Présentons donc - bien qu'il s'agisse d'une division de la peau d'un ours non tué - quelques chiffres caractérisant les possibilités d'utilisation énergétique de l'uranium. Si le processus de fission se déroule avec des neutrons rapides, la réaction capture le principal isotope de l'uranium (U238), alors<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>le coût d'une calorie provenant du principal isotope de l'uranium s'avère être environ 4 000 fois moins cher que celui du charbon (à moins, bien sûr, que les processus de « combustion » et d'évacuation de la chaleur ne s'avèrent beaucoup plus coûteux dans le cas de l'uranium que dans le cas du charbon). Dans le cas des neutrons lents, le coût d'une calorie « uranium » (sur la base des chiffres ci-dessus) sera, en tenant compte du fait que l'abondance de l'isotope U235 est de 0,007, déjà seulement 30 fois moins cher qu'une calorie « charbon », toutes choses étant égales par ailleurs.

Premier contrôlé réaction en chaîne menée en 1942 par Enrico Fermi à l'Université de Chicago, et le réacteur était contrôlé manuellement - en poussant et en sortant des tiges de graphite à mesure que le flux de neutrons changeait. La première centrale électrique a été construite à Obninsk en 1954. En plus de produire de l’énergie, les premiers réacteurs fonctionnaient également pour produire du plutonium de qualité militaire.

Comment fonctionne une centrale nucléaire ? De nos jours, la plupart des réacteurs fonctionnent aux neutrons lents. L'uranium enrichi sous forme de métal, d'alliage comme l'aluminium ou d'oxyde est placé dans de longs cylindres appelés éléments combustibles. Ils sont installés d'une certaine manière dans le réacteur, et entre eux sont insérées des tiges de modérateur qui contrôlent la réaction en chaîne. Au fil du temps, les poisons des réacteurs s'accumulent dans l'élément combustible - les produits de fission de l'uranium, qui sont également capables d'absorber les neutrons. Lorsque la concentration d'uranium 235 tombe en dessous d'un niveau critique, l'élément est mis hors service. Cependant, il contient de nombreux fragments de fission à forte radioactivité, qui diminue au fil des années, provoquant l'émission prolongée par les éléments d'une quantité importante de chaleur. Ils sont conservés dans des piscines de refroidissement, puis enterrés ou tentés d'être traités - pour extraire l'uranium 235 non brûlé, le plutonium produit (il a été utilisé pour fabriquer des bombes atomiques) et d'autres isotopes pouvant être utilisés. La partie inutilisée est envoyée aux cimetières.

Dans les réacteurs dits rapides, ou surgénérateurs, des réflecteurs en uranium 238 ou en thorium 232 sont installés autour des éléments. Ils ralentissent et renvoient dans la zone de réaction des neutrons trop rapides. Les neutrons ralentis à des vitesses de résonance absorbent ces isotopes, se transformant respectivement en plutonium-239 ou en uranium-233, qui peuvent servir de combustible pour une centrale nucléaire. Étant donné que les neutrons rapides réagissent mal avec l'uranium 235, sa concentration doit être considérablement augmentée, mais cela s'avère payant par un flux de neutrons plus fort. Bien que les réacteurs surgénérateurs soient considérés comme l'avenir de l'énergie nucléaire, car ils produisent plus de combustible nucléaire qu'ils n'en consomment, des expériences ont montré qu'ils sont difficiles à gérer. Il ne reste aujourd'hui qu'un seul réacteur de ce type dans le monde: celui de la quatrième centrale nucléaire de Beloyarsk.

Comment l’énergie nucléaire est-elle critiquée ? Si nous ne parlons pas d'accidents, le point principal des arguments des opposants à l'énergie nucléaire aujourd'hui est la proposition d'ajouter au calcul de son efficacité les coûts de protection de l'environnement après le déclassement de la centrale et lors du travail avec du combustible. Dans les deux cas, les défis d’une élimination fiable des déchets radioactifs se posent, et ce sont des coûts supportés par l’État. Il existe une opinion selon laquelle si vous les transférez au coût de l'énergie, son attrait économique disparaîtra.

Il existe également une opposition parmi les partisans de l’énergie nucléaire. Ses représentants soulignent le caractère unique de l'uranium 235, qui n'a pas de substitut, car les isotopes alternatifs fissiles aux neutrons thermiques - le plutonium 239 et l'uranium 233 - en raison de leur demi-vie de plusieurs milliers d'années, ne se trouvent pas dans la nature. Et ils sont obtenus précisément grâce à la fission de l'uranium 235. S’il s’épuise, une merveilleuse source naturelle de neutrons pour une réaction nucléaire en chaîne disparaîtra. En raison d'un tel gaspillage, l'humanité sera privée de la possibilité de s'engager dans cycle énergétique le thorium-232, dont les réserves sont plusieurs fois supérieures à celles de l'uranium.

Théoriquement, les accélérateurs de particules peuvent être utilisés pour produire un flux de neutrons rapides avec des énergies mégaélectronvolts. Cependant, si nous parlons, par exemple, de vols interplanétaires sur un moteur nucléaire, la mise en œuvre d'un projet avec un accélérateur volumineux sera très difficile. L'épuisement de l'uranium 235 met fin à de tels projets.

Qu’est-ce que l’uranium de qualité militaire ? Il s’agit d’uranium 235 hautement enrichi. Sa masse critique – elle correspond à la taille d’un morceau de substance dans lequel se produit spontanément une réaction en chaîne – est suffisamment petite pour produire des munitions. Cet uranium peut être utilisé pour fabriquer une bombe atomique, ainsi que comme fusible pour une bombe thermonucléaire.

Quelles catastrophes sont associées à l’utilisation de l’uranium ? L'énergie emmagasinée dans les noyaux des éléments fissiles est énorme. Si elle devient incontrôlable par oubli ou intentionnellement, cette énergie peut causer bien des problèmes. Les deux pires catastrophes nucléaires se sont produites les 6 et 8 août 1945, lorsque l'armée de l'air américaine a largué des bombes atomiques sur Hiroshima et Nagasaki, tuant et blessant des centaines de milliers de civils. Les catastrophes à plus petite échelle sont associées aux accidents dans les centrales nucléaires et les entreprises du cycle nucléaire. Le premier accident majeur s'est produit en 1949 en URSS, dans l'usine de Mayak, près de Tcheliabinsk, où était produit du plutonium ; Les déchets radioactifs liquides se sont retrouvés dans la rivière Techa. En septembre 1957, une explosion s'y produisit, libérant une grande quantité de matières radioactives. Onze jours plus tard, le réacteur britannique de production de plutonium de Windscale a brûlé et le nuage contenant les produits de l'explosion s'est dissipé au-dessus. Europe de l'Ouest. En 1979, un réacteur de la centrale nucléaire de Three Mail Island, en Pennsylvanie, a brûlé. Accidents au Centrale nucléaire de Tchernobyl(1986) et la centrale nucléaire de Fukushima (2011), lorsque des millions de personnes ont été exposées aux radiations. Les premiers ont jonché de vastes zones, libérant 8 tonnes de combustible d'uranium et de produits de désintégration à la suite de l'explosion, qui s'est propagée à toute l'Europe. Le second a pollué et, trois ans après l'accident, continue de polluer le plan d'eau. Océan Pacifique dans les zones de pêche. Éliminer les conséquences de ces accidents coûte très cher, et si ces coûts étaient ventilés dans le coût de l'électricité, ils augmenteraient considérablement.

Une autre question concerne les conséquences sur la santé humaine. Selon les statistiques officielles, de nombreuses personnes ayant survécu aux bombardements ou vivant dans des zones contaminées ont bénéficié des radiations : les premières ont une espérance de vie plus élevée, les secondes ont moins de cancers et les experts attribuent une certaine augmentation de la mortalité au stress social. Le nombre de personnes décédées précisément des suites d'accidents ou de leur liquidation s'élève à des centaines de personnes. Les opposants aux centrales nucléaires soulignent que les accidents ont entraîné plusieurs millions de décès prématurés sur le continent européen, mais ils sont tout simplement invisibles dans le contexte statistique.

Soustraire des terres à l'usage humain dans les zones accidentées conduit à un résultat intéressant : elles deviennent une sorte de réserves naturelles où se développe la biodiversité. Il est vrai que certains animaux souffrent de maladies liées aux radiations. La question de savoir à quelle vitesse ils s’adapteront à un contexte toujours plus grand reste ouverte. Il existe également une opinion selon laquelle la conséquence de l'irradiation chronique est une « sélection pour les imbéciles » (voir « Chimie et vie », 2010, n° 5) : même au stade embryonnaire, des organismes plus primitifs survivent. En particulier, par rapport aux humains, cela devrait conduire à une diminution capacités mentales dans la génération née dans les zones contaminées peu après l’accident.

Qu’est-ce que l’uranium appauvri ? Il s'agit de l'uranium 238, restant après la séparation de l'uranium 235. Les volumes de déchets issus de la production d'uranium de qualité militaire et d'éléments combustibles sont importants - rien qu'aux États-Unis, 600 000 tonnes de cet hexafluorure d'uranium se sont accumulées (pour les problèmes liés à celui-ci, voir Chemistry and Life, 2008, n° 5) . La teneur en uranium 235 est de 0,2%. Ces déchets doivent soit être stockés jusqu'à des temps meilleurs, lorsque des réacteurs à neutrons rapides seront créés et il sera possible de transformer l'uranium 238 en plutonium, soit être utilisés d'une manière ou d'une autre.

Ils lui ont trouvé une utilité. L'uranium, comme d'autres éléments de transition, est utilisé comme catalyseur. Par exemple, les auteurs de l'article dans ACS Nano En date du 30 juin 2014, ils écrivent qu'un catalyseur à base d'uranium ou de thorium avec du graphène pour la réduction de l'oxygène et du peroxyde d'hydrogène « présente un énorme potentiel d'utilisation dans le secteur énergétique ». L’uranium ayant une densité élevée, il sert de lest aux navires et de contrepoids aux avions. Ce métal convient également à la radioprotection des dispositifs médicaux comportant des sources de rayonnement.

Quelles armes peut-on fabriquer à partir d’uranium appauvri ? Balles et noyaux pour projectiles perforants. Le calcul ici est le suivant. Plus le projectile est lourd, plus son énergie cinétique est élevée. Mais plus le projectile est gros, moins son impact est concentré. Alors nous avons besoin métaux lourds ayant une haute densité. Les balles sont en plomb (les chasseurs de l'Oural utilisaient autrefois également du platine natif, jusqu'à ce qu'ils réalisent qu'il s'agissait d'un métal précieux), tandis que les noyaux des coquilles sont en alliage de tungstène. Les écologistes soulignent que le plomb contamine le sol dans les lieux d'opérations militaires ou de chasse et qu'il serait préférable de le remplacer par quelque chose de moins nocif, par exemple le tungstène. Mais le tungstène n’est pas bon marché et l’uranium, de densité similaire, est un déchet nocif. Dans le même temps, la contamination admissible du sol et de l'eau par l'uranium est environ deux fois plus élevée que par le plomb. Cela se produit parce que la faible radioactivité de l'uranium appauvri (et elle est également 40 % inférieure à celle de l'uranium naturel) est négligée et qu'un facteur chimique vraiment dangereux est pris en compte : l'uranium, on s'en souvient, est toxique. Dans le même temps, sa densité est 1,7 fois supérieure à celle du plomb, ce qui signifie que la taille des balles d'uranium peut être réduite de moitié ; L'uranium est beaucoup plus réfractaire et dur que le plomb : il s'évapore moins lorsqu'il est tiré et lorsqu'il atteint une cible, il produit moins de microparticules. En général, une balle à l'uranium est moins polluante qu'une balle au plomb, même si une telle utilisation de l'uranium n'est pas connue avec certitude.

Mais on sait que des plaques d'uranium appauvri sont utilisées pour renforcer le blindage des chars américains (ceci est facilité par sa densité et son point de fusion élevés), ainsi qu'à la place de l'alliage de tungstène dans les noyaux des projectiles perforants. Le noyau d'uranium est également bon car l'uranium est pyrophorique : ses petites particules chaudes formées lors de l'impact avec l'armure s'enflamment et mettent le feu à tout ce qui l'entoure. Les deux applications sont considérées comme sans danger pour les radiations. Ainsi, le calcul a montré que même après avoir passé un an dans un char doté d'un blindage à l'uranium chargé de munitions à l'uranium, l'équipage ne recevrait qu'un quart de la dose autorisée. Et pour obtenir la dose annuelle admissible, vous devez visser ces munitions à la surface de la peau pendant 250 heures.

Des obus à noyau d'uranium - pour canons d'avion de 30 mm ou sous-calibres d'artillerie - ont été utilisés par les Américains lors de guerres récentes, à commencer par la campagne en Irak de 1991. Cette année-là, ils ont fait pleuvoir sur les unités blindées irakiennes au Koweït et, lors de leur retraite, 300 tonnes d'uranium appauvri, dont 250 tonnes, soit 780 000 cartouches, ont été tirées sur les canons des avions. En Bosnie-Herzégovine, lors du bombardement de l'armée de la Republika Srpska non reconnue, 2,75 tonnes d'uranium ont été dépensées, et lors du bombardement de l'armée yougoslave dans la région du Kosovo-Metohija, 8,5 tonnes, soit 31 000 cartouches. L'OMS étant alors préoccupée par les conséquences de l'utilisation de l'uranium, une surveillance a été effectuée. Il a montré qu'une salve était composée d'environ 300 cartouches, dont 80 % contenaient de l'uranium appauvri. 10 % ont touché des cibles et 82 % sont tombés à moins de 100 mètres d’elles. Le reste s'est dispersé dans un rayon de 1,85 km. Un obus qui a touché un char a brûlé et s'est transformé en aérosol ; l'obus à l'uranium a percé des cibles légères comme des véhicules blindés de transport de troupes. Ainsi, au maximum une tonne et demie d'obus pourraient se transformer en poussière d'uranium en Irak. Selon les experts du centre de recherche stratégique américain RAND Corporation, entre 10 et 35 % de l'uranium utilisé s'est transformé en aérosol. Asaf Durakovic, militant croate contre les munitions à l'uranium, qui a travaillé dans diverses organisations, depuis l'hôpital King Faisal de Riyad jusqu'au centre de recherche médicale sur l'uranium de Washington, estime que rien que dans le sud de l'Irak, en 1991, 3 à 6 tonnes de particules d'uranium submicroniques se sont formées. qui étaient dispersés sur une vaste zone, c'est-à-dire que la contamination à l'uranium y est comparable à celle de Tchernobyl.

Dans des conditions normales, l'élément radioactif uranium est un métal avec une masse atomique (moléculaire) élevée - 238,02891 g/mol. Selon cet indicateur, il occupe la deuxième place, car La seule chose plus lourde que lui est le plutonium. La production d'uranium est associée à la mise en œuvre séquentielle d'un certain nombre d'opérations technologiques :

• concentration de la roche, son concassage et la sédimentation des fractions lourdes dans l'eau
• lixiviation de concentré ou purge d’oxygène
• conversion de l'uranium à l'état solide (oxyde ou tétrafluorure UF 4)
• obtention du nitrate d'uranyle UO 2 (NO 3) 2 en dissolvant la matière première dans l'acide nitrique
• cristallisation et calcination pour obtenir l'oxyde UO 3
• réduction avec de l'hydrogène pour obtenir UO 2
• obtention du tétrafluorure d'UF 4 en ajoutant du fluorure d'hydrogène gazeux
• réduction de l'uranium métal à l'aide de magnésium ou de calcium

Minéraux d'uranium

Les minéraux U les plus courants sont :

• La pitchblende (uraninite) est l'oxyde le plus connu, appelé « eau lourde ».
• Carnotite
• Tyuyamunit
• Torburnite
• Samarcite
• Brannérite
• Kasolite
• Calomnie

Production d'uranium

Selon la société russe Rosatom, l'un des leaders mondiaux sur le marché mondial de l'uranium, plus de 3 000 tonnes d'uranium ont été extraites sur la planète en 2014. Dans le même temps, selon les représentants de la division minière de cette société d'État, le volume des réserves russes de ce métal est de 727,2 milliers de tonnes (3ème place mondiale), ce qui garantit un approvisionnement ininterrompu en matières premières nécessaires pendant de nombreuses décennies. .

Les principales propriétés chimiques de l'uranium sont présentées dans le tableau :

L'élément U, comme le curium et le plutonium, est un élément produit artificiellement de la famille des actinides. Ses propriétés chimiques sont à bien des égards similaires à celles du tungstène, du molybdène et du chrome. L'uranium se caractérise par une valence variable, ainsi qu'une tendance à former (UO 2) + 2 – uranyle, qui est un ion complexe.

Méthodes d'enrichissement de l'uranium

Comme on le sait, l’U naturel contient 3 isotopes :

• 238U (99,2745%)
• 235U (0,72%)
• 234U (0,0055%)

L'enrichissement de l'uranium signifie une augmentation de la part de l'isotope 235U dans le métal, le seul capable d'une réaction nucléaire en chaîne indépendante.

Pour comprendre comment l'uranium s'enrichit, il faut prendre en compte le degré de son enrichissement :

• teneur 0,72% - peut être utilisé dans certains réacteurs de puissance
• 2 à 5 % – utilisé dans la plupart des réacteurs de puissance
• jusqu'à 20 % (faiblement enrichi) – pour les réacteurs expérimentaux
• plus de 20 % (très enrichis ou de qualité militaire) – réacteurs nucléaires, armes.

Comment l’uranium est-il enrichi ? Il existe de nombreuses méthodes pour enrichir l’uranium, mais les plus applicables sont les suivantes :

• électromagnétique – accélération de particules élémentaires dans un accélérateur spécial et leur torsion dans un champ magnétique
• aérodynamique – souffler du gaz d'uranium à travers des buses spéciales
• centrifugation gazeuse - l'uranium gazeux dans la centrifugeuse se déplace et, par inertie, pousse les molécules lourdes vers les parois de la centrifugeuse
• méthode de diffusion gazeuse pour l'enrichissement de l'uranium - « tamisage » des isotopes légers de l'uranium à travers de petits pores de membranes spéciales

La principale application de l'uranium est le combustible pour les réacteurs nucléaires, les réacteurs des centrales nucléaires et les centrales nucléaires. De plus, l'isotope 235U est utilisé dans les armes nucléaires, tandis que le métal non enrichi avec une forte proportion de 238U permet d'obtenir du combustible nucléaire secondaire - le plutonium.

L'uranium est radioactif élément chimique, que l'on peut trouver dans la nature. Il est principalement utilisé pour la production énergie électrique. Cependant, il est également utilisé à des fins médicales et, malheureusement, dans la production de bombes nucléaires.

Cet élément a été découvert sur le territoire de l'Empire allemand en 1789. Son nom vient de la planète Uranus, découverte 8 ans plus tôt. Cependant, la radioactivité de l'uranium n'a été découverte qu'en 1896.

L'uranium est le dernier élément du tableau périodique. C’est aussi l’élément le plus lourd existant naturellement sur Terre. C'est en divisant son atome que l'on produit de l'électricité.

L'électricité, produite à partir de l'uranium, est une alternative aux combustibles fossiles comme le pétrole et le charbon. Aujourd'hui, 16 % de l'électricité mondiale provient de l'uranium.

Minerai d'uranium

Production d'uranium et d'électricité

Le symbole de l'uranium dans le tableau périodique est U. L'uranium se compose principalement de deux isotopes - 235U Et 238U. L'uranium est composé à 99,7 % de l'isotope 238U et seulement les 0,7 % restants sont l'isotope 235U.

C'est l'isotope 235U, qui constitue un si faible pourcentage de l'uranium, qui permet d'obtenir de l'énergie en divisant le noyau d'un atome. Pour produire de l'électricité, la concentration de l'isotope 235U doit être de 3 à 4 %. C'est pourquoi les chimistes enrichissent l'uranium.

L'enrichissement de l'uranium peut être réalisé de deux manières : par ultracentrifugation ou par diffusion gazeuse. Les deux méthodes séparent les isotopes et, par conséquent, la concentration de 235U augmente.

L’énergie nucléaire est considérée comme propre car elle n’émet pas de gaz à effet de serre et ses déchets sont assez minimes. Un autre avantage de cette énergie est qu’elle est facile à transporter et ne nécessite pas beaucoup d’espace de stockage.

L'uranium enrichi est pressé en comprimés de 1 x 1 cm. La production d'énergie d'un tel comprimé est très élevée : deux comprimés peuvent fournir de l'énergie à une famille de 4 personnes pendant 1 mois.

L’uranium constitue donc une excellente alternative au pétrole et au charbon : pour produire la même quantité d’électricité que produit 1 kilogramme d’uranium, il faudrait 10 tonnes de pétrole et 20 tonnes de charbon. À cela s’ajoutent les effets négatifs que ces dernières ont sur l’environnement. De plus, le pétrole et le charbon nécessitent beaucoup d’espace.

Inconvénients de l'énergie nucléaire

L'un des principaux inconvénients est le risque d'accidents et leurs conséquences sur l'environnement. Les zones contaminées par la radioactivité de l'uranium deviennent inhabitables.

Les déchets nucléaires sont une autre conséquence négative. Les résidus de production ne peuvent pas être réutilisés et doivent être éliminés de manière appropriée. Le contact humain avec ces déchets peut provoquer des mutations génétiques, des maladies, voire la mort immédiate.

Barils de déchets nucléaires

Trouver et utiliser l'uranium

Une fois le minerai d’uranium extrait du sol, il est broyé, traité et transformé en petits comprimés d’uranium. Les pastilles d'uranium sont soumises à des températures élevées pour les rendre plus résistantes.

Les comprimés sont placés dans des tubes, généralement en zirconium. Chaque tube peut contenir jusqu'à 335 comprimés. Les 236 tubes forment un assemblage combustible, ou élément combustible, qui est ensuite placé dans un réacteur nucléaire.

Une fois le combustible ajouté au réacteur, le processus de fission nucléaire commence. La fission se produit à la suite d'un bombardement par des neutrons noyau atomique uranium.

Lorsqu’un neutron entre en collision avec un atome d’uranium, ce dernier est divisé en deux autres atomes. Une grande quantité d'énergie et d'autres neutrons sont libérés. Ils entrent en collision avec des atomes et créent une réaction en chaîne.

L'énergie libérée devient de la chaleur qui chauffe l'eau du réacteur. La vapeur provenant de l’eau chaude active des turbines qui, à leur tour, démarrent des générateurs électriques. De tels générateurs produisent de l'électricité.

Caractéristiques de l'uranium

• dans des conditions normales de température et de pression normale, il a une forme solide ;
• a une couleur gris argenté;
• est radioactif. Sa radioactivité augmente lorsqu'elle est chauffée ;
• a une densité atomique élevée.

L'énergie nucléaire (nucléaire) en Russie

Il y a 10 centrales nucléaires en activité en Russie.

Les principaux gisements d'uranium en Russie sont situés près de la ville de Krasnokamensk. Les principales associations minières et chimiques et la plus grande entreprise minière d'uranium y sont également implantées.

La Russie se classe au 5ème rang en termes de volume d'uranium extrait. Mais en termes de réserves d'uranium - 3ème place.

L'uranium dans le monde

Les plus grandes réserves d'uranium se trouvent en Australie. Viennent ensuite le Kazakhstan, la Russie, le Canada, l'Afrique du Sud, le Niger et le Brésil.

En matière de production d'électricité à partir de centrales nucléaires, le Canada, le Kazakhstan et l'Australie occupent des positions de leader. Ces trois pays produisent ensemble plus de la moitié de l’énergie nucléaire mondiale.

Voir le tableau avec les données sur la production et les réserves d'uranium de chacun des pays répertoriés.

Uranium et bombes nucléaires

Pour produire de l'électricité, l'uranium est enrichi de manière à ce que la teneur en isotope 235U soit de 3 ou 4 %.

Pour produire une bombe atomique, sa teneur doit être de 90 %.

Lorsque l’uranium est enrichi à de tels niveaux, la fission nucléaire par bombardement neutronique constitue un processus sérieux. En cas d'accident de réacteur nucléaire, les conséquences seraient catastrophiques.

La bombe larguée par les États-Unis sur Hiroshima (ville du Japon) à la fin de la Seconde Guerre mondiale s’appelait « Little boy ». Il contenait 64 kg d'uranium enrichi. Le pouvoir destructeur de cette bombe était égal à 15 000 tonnes Equivalent TNT.

Nuage sur Hiroshima après l'explosion de la bombe atomique

"Bébé" a provoqué une canicule dont la température a atteint 4000 degrés, et sa vitesse était égale à 440 mètres par seconde.

L'explosion a causé la mort de 80 000 personnes. Des milliers de personnes ont été exposées aux radiations.

Outre le fait que la bombe atomique a coûté la vie à de nombreuses personnes, les effets des radiations seront ressentis par d’innombrables générations de victimes des bombardements.

L'uranium est un élément chimique de la famille des actinides de numéro atomique 92. C'est le combustible nucléaire le plus important. Sa concentration dans la croûte terrestre est d'environ 2 parties par million. Les minéraux d'uranium importants comprennent l'oxyde d'uranium (U 3 O 8), l'uraninite (UO 2), la carnotite (uranyle vanadate de potassium), l'oténite (phosphate d'uranyle de potassium) et la torbernite (phosphate d'uranyle de cuivre hydraté). Ces minerais et d’autres minerais d’uranium sont des sources de combustible nucléaire et contiennent bien plus d’énergie que tous les gisements de combustibles fossiles récupérables connus. 1 kg d'uranium 92 U fournit la même énergie que 3 millions de kg de charbon.

Histoire de la découverte

L’élément chimique uranium est un métal dense et dur de couleur blanc argenté. Il est ductile, malléable et polissable. Dans l’air, le métal s’oxyde et, lorsqu’il est écrasé, s’enflamme. Conduit relativement mal l’électricité. La formule électronique de l'uranium est 7s2 6d1 5f3.

Bien que l'élément ait été découvert en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, qui lui a donné le nom de la planète Uranus récemment découverte, le métal lui-même a été isolé en 1841 par le chimiste français Eugène-Melchior Peligot par réduction à partir du tétrachlorure d'uranium (UCl 4) avec potassium.

Radioactivité

Création tableau périodique Le chimiste russe Dmitri Mendeleev s'est concentré en 1869 sur l'uranium comme l'élément le plus lourd connu, ce qu'il est resté jusqu'à la découverte du neptunium en 1940. En 1896, le physicien français Henri Becquerel y a découvert le phénomène de radioactivité. Cette propriété a ensuite été découverte dans de nombreuses autres substances. On sait désormais que l'uranium, radioactif dans tous ses isotopes, est constitué d'un mélange de 238 U (99,27 %, demi-vie - 4 510 000 000 d'années), 235 U (0,72 %, demi-vie - 713 000 000 d'années) et 234 U (0,006 %, demi-vie - 247 000 ans). Cela permet, par exemple, de déterminer l’âge des roches et des minéraux pour étudier les processus géologiques et l’âge de la Terre. Pour ce faire, ils mesurent la quantité de plomb, qui est le produit final désintégration radioactive de l'uranium. Dans ce cas, 238 U est l'élément initial et 234 U est l'un des produits. 235 U donne lieu à la série de désintégrations de l'actinium.

Découverte d'une réaction en chaîne

L'élément chimique uranium a fait l'objet d'un grand intérêt et d'études intensives après que les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann y ont découvert la fission nucléaire à la fin de 1938, lorsqu'il a été bombardé de neutrons lents. Au début de 1939, le physicien italo-américain Enrico Fermi suggérait que parmi les produits de la fission atomique il pourrait y avoir particules élémentaires, capable de provoquer une réaction en chaîne. En 1939, les physiciens américains Leo Szilard et Herbert Anderson, ainsi que le chimiste français Frédéric Joliot-Curie et leurs collègues confirmèrent cette prédiction. Des études ultérieures ont montré qu’en moyenne 2,5 neutrons sont libérés lors de la fission d’un atome. Ces découvertes conduisirent à la première réaction nucléaire en chaîne autonome (12/02/1942), la première bombe atomique(16/07/1945), sa première utilisation lors d'opérations militaires (06/08/1945), le premier sous-marin nucléaire (1955) et le premier à grande échelle centrale nucléaire (1957).

États d'oxydation

L’élément chimique uranium, étant un métal électropositif puissant, réagit avec l’eau. Il se dissout dans les acides mais pas dans les alcalis. Les états d'oxydation importants sont +4 (comme dans l'oxyde UO 2, les tétrahalogénures tels que UCl 4 et l'ion vert de l'eau U4+) et +6 (comme dans l'oxyde UO 3, l'hexafluorure UF 6 et l'ion uranyle UO 2 2+). Dans une solution aqueuse, l'uranium est le plus stable dans la composition de l'ion uranyle, qui a une structure linéaire [O = U = O] 2+. L'élément a également les états +3 et +5, mais ils sont instables. Le rouge U 3+ s'oxyde lentement dans l'eau, qui ne contient pas d'oxygène. La couleur de l'ion UO 2+ est inconnue car il subit une dismutation (UO 2+ est à la fois réduit en U 4+ et oxydé en UO 2 2+) même dans des solutions très diluées.

Combustible nucléaire

Lorsqu'il est exposé à des neutrons lents, la fission de l'atome d'uranium se produit dans l'isotope relativement rare 235 U. Il s'agit de la seule matière fissile naturelle et elle doit être séparée de l'isotope 238 U. Cependant, après absorption et désintégration bêta négative, l'uranium -238 se transforme en élément synthétique plutonium, qui se décompose sous l'influence de neutrons lents. Par conséquent, l’uranium naturel peut être utilisé dans les réacteurs convertisseurs et surgénérateurs, dans lesquels la fission est soutenue par le rare 235 U et le plutonium est produit simultanément avec la transmutation du 238 U. Le fissile 233 U peut être synthétisé à partir de l'isotope naturel largement répandu thorium-232 pour être utilisé comme combustible nucléaire. L'uranium est également important en tant que matière première à partir de laquelle les éléments transuraniens synthétiques sont obtenus.

Autres utilisations de l'uranium

Les composés de l’élément chimique étaient auparavant utilisés comme colorants pour la céramique. L'hexafluorure (UF 6) est un solide avec une pression de vapeur inhabituellement élevée (0,15 atm = 15 300 Pa) à 25 °C. L'UF 6 est chimiquement très réactif, mais malgré sa nature corrosive à l'état de vapeur, l'UF 6 est largement utilisé dans les méthodes de diffusion gazeuse et de centrifugation gazeuse pour produire de l'uranium enrichi.

Les composés organométalliques constituent un groupe intéressant et important de composés dans lesquels des liaisons métal-carbone relient le métal à des groupes organiques. L'uranocène est un composé organouranique U(C 8 H 8) 2 dans lequel l'atome d'uranium est pris en sandwich entre deux couches d'anneaux organiques associés au cyclooctatétraène C 8 H 8. Sa découverte en 1968 a ouvert un nouveau domaine de la chimie organométallique.

L'uranium naturel appauvri est utilisé comme protection contre les radiations, comme ballast, dans les obus perforants et dans le blindage des chars.

Recyclage

L’élément chimique, bien que très dense (19,1 g/cm3), est une substance relativement faible et ininflammable. En effet, les propriétés métalliques de l’uranium semblent le placer quelque part entre l’argent et les autres vrais métaux et non-métaux, il n’est donc pas utilisé comme matériau de structure. La principale valeur de l'uranium réside dans les propriétés radioactives de ses isotopes et leur capacité à fission. Dans la nature, la quasi-totalité (99,27 %) du métal est constituée de 238 U. Le reste est constitué de 235 U (0,72 %) et de 234 U (0,006 %). Parmi ces isotopes naturels, seul 235 U est directement fissionné par irradiation neutronique. Cependant, lorsqu'il est absorbé, le 238 U forme du 239 U, qui se désintègre finalement en 239 Pu, une matière fissile ayant grande importance pour l'énergie nucléaire et les armes nucléaires. Un autre isotope fissile, le 233 U, peut être formé par irradiation neutronique du 232 Th.

Formes cristallines

Les caractéristiques de l'uranium le font réagir avec l'oxygène et l'azote même dans des conditions normales. À des températures plus élevées, il réagit avec une large gamme de métaux d’alliage pour former des composés intermétalliques. La formation de solutions solides avec d'autres métaux est rare en raison des structures cristallines spéciales formées par les atomes de l'élément. Entre la température ambiante et le point de fusion de 1 132 °C, l’uranium métal existe sous 3 formes cristallines appelées alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). La transformation de l'état α à l'état β se produit à 668 °C et de β à γ ​​à 775 °C. Le γ-uranium a une structure cristalline cubique centrée sur le corps, tandis que le β a une structure cristalline tétragonale. La phase α est constituée de couches d'atomes dans une structure orthorhombique hautement symétrique. Cette structure déformée anisotrope empêche les atomes de métaux d'alliage de remplacer les atomes d'uranium ou d'occuper l'espace entre eux dans le réseau cristallin. Il a été constaté que seuls le molybdène et le niobium forment des solutions solides.

Minerai

La croûte terrestre contient environ 2 parties par million d'uranium, ce qui indique sa présence répandue dans la nature. On estime que les océans contiennent 4,5 × 10 9 tonnes de cet élément chimique. L'uranium est un constituant important de plus de 150 minéraux différents et un composant mineur de 50 autres. Les minéraux primaires trouvés dans les veines hydrothermales magmatiques et les pegmatites comprennent l'uraninite et sa variante pitchblende. Dans ces minerais, l'élément se présente sous forme de dioxyde qui, en raison de l'oxydation, peut varier de UO 2 à UO 2,67. D'autres produits économiquement importants provenant des mines d'uranium sont l'autunite (phosphate d'uranyle de calcium hydraté), la tobernite (phosphate d'uranyle de cuivre hydraté), le coffinit (silicate d'uranium hydraté noir) et la carnotite (vanadate d'uranyle de potassium hydraté).

On estime que plus de 90 % des réserves connues d’uranium à faible coût se trouvent en Australie, au Kazakhstan, au Canada, en Russie, en Afrique du Sud, au Niger, en Namibie, au Brésil, en Chine, en Mongolie et en Ouzbékistan. De grands gisements se trouvent dans les formations rocheuses de conglomérats d'Elliot Lake, situées au nord du lac Huron en Ontario, au Canada, et dans la mine d'or sud-africaine de Witwatersrand. Les formations sableuses du plateau du Colorado et du bassin du Wyoming, dans l'ouest des États-Unis, contiennent également d'importantes réserves d'uranium.

Production

Les minerais d'uranium se trouvent à la fois dans des gisements proches de la surface et en profondeur (300 à 1 200 m). Sous terre, l'épaisseur de la couche atteint 30 M. Comme dans le cas des minerais d'autres métaux, l'uranium est extrait en surface à l'aide de gros engins de terrassement et le développement des gisements profonds est réalisé à l'aide de méthodes traditionnelles d'extraction verticale et inclinée. les mines. La production mondiale de concentré d'uranium s'élevait à 70 000 tonnes en 2013. Les mines d'uranium les plus productives se trouvent au Kazakhstan (32 % de la production totale), au Canada, en Australie, au Niger, en Namibie, en Ouzbékistan et en Russie.

Les minerais d'uranium ne contiennent généralement que de petites quantités de minéraux contenant de l'uranium et ne peuvent pas être fondus par des méthodes pyrométallurgiques directes. Au lieu de cela, des procédures hydrométallurgiques doivent être utilisées pour extraire et purifier l’uranium. L'augmentation de la concentration réduit considérablement la charge sur les circuits de traitement, mais aucune des méthodes d'enrichissement conventionnelles couramment utilisées pour le traitement des minéraux, telles que le tri par gravité, flottation, électrostatique et même manuel, n'est applicable. À quelques exceptions près, ces méthodes entraînent des pertes importantes d’uranium.

Brûlant

Le traitement hydrométallurgique des minerais d'uranium est souvent précédé d'une étape de calcination à haute température. La cuisson déshydrate l'argile, élimine les matières carbonées, oxyde les composés soufrés en sulfates inoffensifs et oxyde tout autre agent réducteur susceptible d'interférer avec le traitement ultérieur.

Lessivage

L'uranium est extrait des minerais grillés par des solutions aqueuses acides et alcalines. Pour que tous les systèmes de lixiviation fonctionnent correctement, l’élément chimique doit soit être initialement présent sous la forme hexavalente la plus stable, soit être oxydé à cet état pendant le traitement.

La lixiviation acide est généralement réalisée en agitant un mélange de minerai et de lixiviant pendant 4 à 48 heures à température ambiante. Sauf circonstances particulières, l'acide sulfurique est utilisé. Il est fourni en quantité suffisante pour obtenir la liqueur finale à un pH de 1,5. Les systèmes de lixiviation à l'acide sulfurique utilisent généralement du dioxyde de manganèse ou du chlorate pour oxyder l'U4+ tétravalent en uranyle hexavalent (UO22+). Généralement, environ 5 kg de dioxyde de manganèse ou 1,5 kg de chlorate de sodium par tonne suffisent pour l'oxydation de l'U 4+. Dans les deux cas, l’uranium oxydé réagit avec l’acide sulfurique pour former l’anion complexe 4- du sulfate d’uranyle.

Le minerai contenant des quantités importantes de minéraux essentiels tels que la calcite ou la dolomite est lessivé avec une solution 0,5-1 molaire de carbonate de sodium. Bien que divers réactifs aient été étudiés et testés, le principal agent oxydant de l'uranium est l'oxygène. Généralement, le minerai est lessivé dans l'air à pression atmosphérique et à une température de 75 à 80 °C pendant une période qui dépend de la composition chimique spécifique. L'alcali réagit avec l'uranium pour former l'ion complexe 4- facilement soluble.

Les solutions résultant d'une lixiviation acide ou carbonatée doivent être clarifiées avant tout traitement ultérieur. La séparation à grande échelle des argiles et d'autres boues de minerai est obtenue grâce à l'utilisation d'agents floculants efficaces, notamment des polyacrylamides, de la gomme guar et de la colle animale.

Extraction

Les ions complexes 4 et 4 peuvent être sorbés à partir de leurs solutions de lixiviation par résine échangeuse d'ions respectives. Ces résines spéciales, caractérisées par leur cinétique de sorption et d'élution, leur taille de particules, leur stabilité et leurs propriétés hydrauliques, peuvent être utilisées dans diverses technologies de traitement, telles que la résine en lit fixe, en lit mobile, la résine en panier et la résine continue. Généralement, des solutions de chlorure de sodium et d'ammoniac ou de nitrates sont utilisées pour éluer l'uranium sorbé.

L'uranium peut être isolé des liqueurs acides de minerai par extraction par solvant. Les acides alkylphosphoriques, ainsi que les alkylamines secondaires et tertiaires, sont utilisés dans l'industrie. Généralement, l’extraction par solvant est préférée aux méthodes d’échange d’ions pour les filtrats acides contenant plus de 1 g/L d’uranium. Cependant, cette méthode n’est pas applicable à la lixiviation des carbonates.

L'uranium est ensuite purifié par dissolution dans l'acide nitrique pour former du nitrate d'uranyle, extrait, cristallisé et calciné pour former du trioxyde UO 3. Le dioxyde réduit UO2 réagit avec le fluorure d'hydrogène pour former du thétafluorure UF4, à partir duquel l'uranium métallique est réduit par du magnésium ou du calcium à une température de 1 300 °C.

Le tétrafluorure peut être fluoré à 350 °C pour former de l'hexafluorure d'UF 6, qui est utilisé pour séparer l'uranium 235 enrichi par diffusion gazeuse, centrifugation gazeuse ou diffusion thermique liquide.