Uranium
L’uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C’est un métal blanc argenté appartenant à la série des actinides du tableau périodique. Un atome d’uranium possède 92 protons et, lorsqu’il est neutre, 92 électrons. Six de ces électrons sont généralement considérés comme des électrons de valence.
Identité
- Masse atomique
- 238.029 u
- Catégorie
- Actinides
- Groupe
- 3
- Période
- 7
- Bloc
- f
- États d'oxydation
- +3, +4, +5, +6
- État physique (à 25 °C)
- Solide
Structure électronique
- Configuration électronique
- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f3 6d1
- Configuration abrégée
- [Rn] 5f3 6d1 7s2
- Électrons par couche
- 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
- Électronégativité (Pauling)
- 1.38
- Affinité électronique
- 50.9 kJ/mol
- 1ʳᵉ énergie d'ionisation
- 598 kJ/mol
- Énergies d'ionisation
- 598 · 1420 kJ/mol
Propriétés physiques
- Point de fusion
- 1132.2 °C (1405 K)
- Point d'ébullition
- 4130.9 °C (4404 K)
- Densité
- 19.1 g/cm³
- Capacité thermique molaire
- 27.7 J/(mol·K)
Comportement chimique de l'uranium
L'uranium possède six électrons sur ses couches externes ([Rn] 5f³ 6d¹ 7s²) et présente la chimie la plus variée parmi les actinides : il possède les états d'oxydation +3, +4, +5 et +6, ce dernier étant le plus stable en solution sous la forme de l'ion uranyle UO₂²⁺. Son électronégativité est faible (1,38). C'est un métal dense et malléable, qui peut s'enflammer spontanément sous forme de poudre fine. À l'état métallique, il s'oxyde à l'air ; l'uranium-235 est le seul isotope fissile présent naturellement.
Réactivité
U + O₂ → UO₂
À l'air, il se recouvre d'une couche sombre de dioxyde d'uranium ; lorsqu'il est chauffé, il brûle en formant U₃O₈. La poudre fine peut s'enflammer spontanément et son usinage s'effectue donc sous liquide de refroidissement.
U + 2 H₂O → UO₂ + 2 H₂
L'eau l'attaque très peu à froid, mais l'eau chaude et la vapeur d'eau réagissent avec lui en libérant de l'hydrogène. Les peroxydes et les carbonates le dissolvent en formant de l'uranyle.
U + 4 HF → UF₄ + 2 H₂
Avec l'acide fluorhydrique, il forme le tétrafluorure vert, un composé intermédiaire dans la production de l'hexafluorure d'uranium gazeux (UF₆), utilisé pour alimenter les centrifugeuses d'enrichissement.
UO₂ + 4 HF → UF₄ + 2 H₂O
Le dioxyde d'uranium est transformé en tétrafluorure, puis en hexafluorure d'uranium volatil (UF₆) : c'est la voie de conversion en fluorures qui mène du yellowcake au combustible enrichi.
Composés notables
| Composé | Formule | Utilisation ou importance |
|---|---|---|
| Dioxyde d'uranium | UO₂ | Pastilles de combustible nucléaire. |
| Hexafluorure d'uranium | UF₆ | Enrichissement par centrifugation. |
| Yellowcake | U₃O₈ | Concentré commercial issu de l'exploitation minière. |
| Nitrate d'uranyle | UO₂(NO₃)₂ | Retraitement et laboratoires. |
| Combustible MOX | UO₂-PuO₂ | Recyclage du plutonium dans les réacteurs. |
Distribution de la couche électronique
Afficher dans le générateur d'atomesIsotopes
L'uranium naturel comprend principalement l'uranium-238 (²³⁸U, environ 99,27 %, période radioactive de 4,47 milliards d'années), l'uranium-235 (²³⁵U, environ 0,72 %, période radioactive de 704 millions d'années) et des traces d'uranium-234. L'uranium-235 est le seul isotope fissile naturel et sert de combustible dans les réacteurs et les armes nucléaires ; l'uranium-238 est fertile et permet de produire du plutonium-239. L'uranium-233 artificiel est produit à partir du thorium dans des cycles nucléaires avancés.
Occurrence et production
L'uranium est présent à une concentration d'environ 2,7 ppm dans les granites, les phosphorites et les grès. On le trouve notamment sous forme de pechblende, également appelée uraninite, de carnotite et d'autunite. Les principaux gisements se situent au Kazakhstan, au Canada, en Australie et en Namibie. L'uranium est extrait par lixiviation acide ou alcaline afin d'obtenir du yellowcake. Le métal est ensuite obtenu par réduction à l'aide de calcium ou de magnésium.
Histoire et origine du nom
Martin Heinrich Klaproth a identifié l'uranium en 1789 dans la pechblende et lui a donné son nom en référence à Uranus, planète récemment découverte. Péligot a isolé le métal en 1841. En 1896, Becquerel a découvert qu'il impressionnait les plaques photographiques : c'est la radioactivité. En 1938, Hahn et Strassmann ont réalisé la fission de l'uranium-235. Le projet Manhattan a ensuite conduit à la bombe atomique et au réacteur de Chicago.
Applications et importance de l'uranium
Utilisations de l'élément
Sous forme d'uranium enrichi en uranium-235 (3 à 5 %), il constitue la matière première des pastilles de UO₂ qui produisent la chaleur dans les réacteurs à eau légère. Sous forme d'uranium appauvri, principalement composé d'uranium-238, il est utilisé pour le blindage, comme contrepoids dans les avions et dans des projectiles perforants grâce à sa très grande densité.
Utilisations de ses composés
L'hexafluorure d'uranium gazeux (UF₆) permet la séparation isotopique par centrifugation ; le dioxyde d'uranium fritté (UO₂) résiste à des températures de 2 800 °C à l'intérieur de la gaine du combustible. Le combustible MOX permet de recycler le plutonium, tandis que les composés de l'uranyle sont utilisés pour la datation et comme traceurs.
Santé, sécurité et environnement
Rôle biologique
L'uranium n'a aucune fonction biologique connue et est néphrotoxique : l'uranyle soluble endommage les tubules rénaux et s'accumule dans les os. L'inhalation de poussières insolubles expose les poumons aux particules alpha pendant des années.
Sécurité
L'uranium est manipulé avec des dispositifs de contrôle des poussières, une ventilation adaptée et des moniteurs de rayonnement alpha dans les activités minières, l'enrichissement et la fabrication. L'hexafluorure d'uranium (UF₆) est également corrosif et libère de l'acide fluorhydrique au contact de l'humidité. L'uranium n'est pas présent dans les produits de consommation courante.
Environnement
L'exploitation minière produit des bassins de résidus et des stériles contenant du radium et du radon, qui doivent être confinés. Le combustible usé est refroidi dans des piscines puis entreposé dans des conteneurs. En contrepartie, chaque kilogramme d'uranium fissionné évite l'émission d'environ 2 500 tonnes de CO₂ qui auraient été produites par le charbon, selon le texte source.
Questions fréquentes sur l' Uranium
À quoi sert l'uranium dans les centrales nucléaires ?
L'uranium est le principal combustible de la plupart des centrales nucléaires. L'isotope uranium-235 est enrichi jusqu'à atteindre une concentration adaptée et libère de la chaleur lorsqu'il subit une fission contrôlée. Cette chaleur produit de la vapeur, qui entraîne des turbines et génère de l'électricité sans émissions directes de dioxyde de carbone pendant le fonctionnement. La réaction est régulée par des matériaux qui absorbent les neutrons, comme les barres de contrôle.
L'uranium est-il dangereux ?
L'uranium est un métal toxique et radioactif. Le risque lié à une exposition externe est généralement limité, car il émet principalement des rayonnements alpha, peu pénétrants. Toutefois, l'inhalation ou l'ingestion de poussières ou de composés solubles peut endommager les reins et accroître les risques radiologiques. Le danger dépend de la forme chimique, de la solubilité, de la quantité et de la voie d'exposition. C'est pourquoi l'extraction, l'enrichissement et la manipulation industrielle de l'uranium sont soumis à des contrôles stricts.
Pourquoi l'uranium-235 est-il si important ?
L'uranium-235 est le seul isotope naturel capable d'entretenir une réaction nucléaire en chaîne par fission. Lorsqu'il absorbe un neutron, son noyau se divise et libère de l'énergie, d'autres neutrons et des produits de fission. Ces neutrons peuvent déclencher de nouvelles fissions, produisant une réaction contrôlée dans un réacteur ou une explosion si elle n'est pas maîtrisée. Cette propriété explique son rôle central dans l'énergie nucléaire et les applications militaires.
Peut-on recycler l'uranium du combustible usé ?
Oui. Le combustible usé contient encore de l'uranium et du plutonium, qui peuvent être récupérés par retraitement chimique, notamment par le procédé PUREX. L'uranium récupéré peut être réutilisé, et le plutonium peut être associé à de l'uranium pour fabriquer du combustible MOX. Toutefois, le retraitement est complexe, coûteux et soumis à une réglementation stricte en raison de son lien avec les matières fissiles et les déchets radioactifs de haute activité.
Qu'est-ce que l'uranium appauvri et à quoi sert-il ?
L'uranium appauvri est un sous-produit de l'enrichissement de l'uranium. Il est principalement constitué d'uranium-238 et contient moins d'uranium-235 que l'uranium naturel. Sa forte densité le rend utile comme contrepoids dans les avions, comme lest dans les navires, pour le blindage et dans les munitions perforantes. Il peut également être utilisé dans le combustible MOX lorsqu'il est mélangé à du plutonium. Sa radioactivité externe est faible, mais il peut être chimiquement toxique si des poussières sont inhalées ou ingérées.
D'où provient l'uranium ?
L'uranium est extrait de minerais tels que l'uraninite, également appelée pechblende. Après l'extraction minière, le minerai est traité afin d'obtenir du « yellowcake », un concentré d'uranium qui est ensuite converti et enrichi pour produire du combustible nucléaire. L'enrichissement augmente la proportion d'uranium-235 par centrifugation ou par d'autres méthodes. L'uranium est également présent à l'état de traces dans les roches, les sols et l'eau, mais pas sous des formes directement utilisables.
Quelle est la différence entre l'uranium naturel, enrichi et appauvri ?
L'uranium naturel contient environ 99 % d'uranium-238 et moins de 1 % d'uranium-235. L'uranium enrichi présente une proportion plus élevée d'uranium-235 et est utilisé comme combustible dans les réacteurs. L'uranium appauvri est le résidu de l'enrichissement : il contient encore moins d'uranium-235 et présente une radioactivité plus faible. Les trois ont la même identité chimique fondamentale, mais diffèrent par leur composition isotopique, leur radioactivité et leurs applications.
Principales sources consultées : PubChem, Royal Society of Chemistry, NIST, IUPAC. Dernière révision : novembre 2026.