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4.2. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES, CHIMIQUES ET RADIOLOGIQUES

Les propriétés physiques de l’uranium et des composés d’uranium importants pour le cycle du combustible nucléaire et les programmes de défense sont énumérées dans le tableau 4-2. Le pourcentage d’occurrence et les propriétés radioactives des isotopes naturels de l’uranium sont indiqués dans le tableau 4-3. Les deux séries de désintégration des isotopes naturels de l’uranium sont indiquées au tableau 4-4.

Métallurgiquement, l’uranium métal peut exister sous trois formes allotropiques : orthorhombique, tétragonal ou cubique centré (Lide 2008), et peut être allié à d’autres métaux pour modifier ses propriétés structurelles et physiques en fonction de l’application. Comme la poudre d’aluminium métallique, la poudre d’uranium métallique est autopyrophorique et peut brûler spontanément à température ambiante en présence d’air, d’oxygène et d’eau. De la même manière, la surface du métal en vrac, lorsqu’elle est exposée pour la première fois à l’atmosphère, s’oxyde rapidement et produit une fine couche superficielle d’UO2, qui résiste à la pénétration de l’oxygène et protège le métal interne de l’oxydation. À des températures de 200 à 400 °C, la poudre d’uranium peut s’auto-inflammer dans des atmosphères de CO2 et de N2. Afin d’éviter l’auto-inflammation, les copeaux d’usinage d’uranium peuvent être stockés dans des récipients ouverts et sous l’huile de la machine ou sous l’eau pour éviter l’accumulation de gaz d’hydrogène. L’uranium en combustion peut être placé sous l’eau jusqu’à son extinction, qui peut être retardée par l’hydrolyse de l’eau, qui fournit un peu d’oxygène et d’hydrogène pour la poursuite de la combustion. L’eau pulvérisée, le CO2 et le halon sont inefficaces, et la décharge de halon peut être explosive et produire des gaz toxiques (DOE 2001).

L’uranium peut exister dans cinq états d’oxydation : +2, +3, +4, +5 et +6 (Lide 2008) ; cependant, seuls les états +4 et +6 sont suffisamment stables pour avoir une importance pratique. L’uranium tétravalent est raisonnablement stable et forme des hydroxydes, des fluorures hydratés et des phosphates de faible solubilité. L’uranium hexavalent est l’état le plus stable, et l’état le plus courant est U3O8, bien qu’il existe quelques sites de stockage localisés pour l’hexafluorure d’uranium (UF6) anthropique aux États-Unis (DOE 2011a). Les principaux composés de l’uranium comprennent les oxydes, les fluorures, les carbures, les nitrates, les chlorures, les acétates et autres. L’une des caractéristiques des ions UO2+2 est leur capacité à être fluorescents sous la lumière ultraviolette.

Bien que l’élément uranium ait été découvert en 1789 par Klaproth, qui l’a nommé « uranium » d’après la planète Uranus nouvellement découverte, ce n’est qu’en 1896 que Becquerel a découvert que l’uranium est radioactif. Il existe 22 isotopes connus de l’uranium, dont seulement 3 se produisent naturellement (NNDC 2011). Ces trois isotopes, 234U, 235U et 238U, ont des abondances massiques relatives dans la roche crustale terrestre non perturbée de 0,005, 0,72 et 99,275 %, respectivement. Un gramme d’uranium naturel ayant cette abondance isotopique relative a une activité de 0,69 µCi. Sur ces 0,69 µCi, 49,0 % de l’activité est attribuable au 234U, 2,27 % de l’activité est attribuable au 235U et 48,7 % de l’activité est attribuable au 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Ce rapport concerne uniquement les roches crustales non perturbées. Bien que l’abondance massique relative de 234U ne soit que de 0,005 %, elle représente environ la moitié de l’activité totale. Les abondances isotopiques relatives données ci-dessus peuvent être modifiées dans une certaine mesure par des processus naturels qui ne sont pas entièrement compris, mais qui peuvent entraîner des rapports différents dans l’air, l’eau et le sol, comme le démontrent les rapports de l’EPA (EPA 1994a, 2007).

235U est un isotope d’un intérêt particulier parce qu’il est fissile (capable d’être fissionné) et, par conséquent, peut entretenir une réaction nucléaire en chaîne en présence de neutrons d’énergie appropriée. L’isotope prédominant de l’uranium que l’on trouve dans la nature, le 238U, n’est pas facilement fissile, mais une petite partie de ses transformations donne lieu à une fission spontanée plutôt qu’à la désintégration alpha typique ; ces neutrons peuvent être suffisants pour amorcer une réaction en chaîne dans des conditions appropriées de concentration, de masse et de thermalisation des neutrons. Par conséquent, pour que l’uranium puisse être utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires, le rapport entre 235U et 238U est porté de 0,72 à 2-4% par un procédé appelé enrichissement. Le procédé d’enrichissement le plus utilisé aux États-Unis est la diffusion gazeuse, mais d’autres procédés d’enrichissement faisant appel à des méthodes thermiques, à la centrifugation et au laser peuvent être utilisés, et d’autres pays participent activement à la production d’uranium enrichi. Le minerai d’uranium est transformé en oxyde d’uranium (U3O8) puis fluoré en UF6 ; ensuite, un flux d’UF6 gazeux contenant les trois composés isotopiques passe par une longue série d’étages de diffusion à travers lesquels le 234U et le 235U passent plus rapidement que le 238U. Ainsi, l’extrémité avant du flux présente une concentration accrue en 235U et est appelée hexafluorure d’uranium enrichi, tandis que l’extrémité arrière du flux présente une concentration réduite en 235U et est appelée hexafluorure d’uranium appauvri. Le pourcentage d’enrichissement est une mesure du pourcentage massique de 235U dans le produit final, et le degré d’enrichissement est déterminé par l’utilisation. L’UF6 enrichi est généralement converti en uranium métal ou en oxyde d’uranium pour le combustible des réacteurs de puissance ou en métal pour les applications d’armement. L’UF6 appauvri est soit converti en uranium métal pour diverses applications civiles et militaires, soit stocké pour une utilisation ultérieure. L’uranium faiblement enrichi (2-4% d’enrichissement) est utilisé dans les réacteurs nucléaires civils (DOE 2000), tandis que l’uranium hautement enrichi (>90% d’enrichissement) est utilisé dans les réacteurs de recherche spéciaux (dont la plupart ont été retirés du service), les cœurs de réacteurs de sous-marins nucléaires et les armes nucléaires. L’uranium métal appauvri est utilisé comme blindage contre les radiations, projectiles de missiles, éléments cibles dans les réacteurs de production de plutonium, composant de gyroscope et contrepoids ou stabilisateurs dans les avions.

L’uranium subit continuellement des transformations par le processus de désintégration par lequel il libère de l’énergie pour devenir finalement un élément stable ou non radioactif. Pour les isotopes de l’uranium, il s’agit d’un processus complexe impliquant la production en série d’une chaîne de produits de désintégration, appelés produits de filiation, jusqu’à la formation d’un élément stable final. Les produits de désintégration des isotopes de l’uranium, qui sont également radioactifs, sont présentés dans le tableau 4-4. Le 238U est l’isotope parent de la série de l’uranium (le 234U est un produit de désintégration du 238U), tandis que le 235U est l’isotope parent de la série de l’actinium. Tous les isotopes de l’uranium naturel et certains de leurs descendants se désintègrent par émission de particules alpha ; les autres membres des deux séries se désintègrent par émission de particules bêta et de rayons gamma (NNDC 2011). Les séries de désintégration de l’uranium et de l’actinium ont trois caractéristiques en commun. Chaque série commence par un parent à longue durée de vie, 235U ou 238U, chaque série contient un isotope du gaz noble radon, et chaque série se termine par un isotope stable du plomb, 207Pb ou 206Pb.

Le temps nécessaire à la transformation de la moitié des atomes d’un radionucléide est appelé sa période radioactive. Le taux de désintégration, et donc la demi-vie, de chaque radionucléide est unique. La demi-vie de 238U est très longue, 4,5×109 ans ; les demi-vies de 235U et 234U sont des ordres de grandeur inférieurs, respectivement 7,0×108 et 2,5×105 ans. Comme l’activité d’une masse donnée d’uranium dépend de la masse et de la demi-vie de chaque isotope présent, plus l’abondance relative du 234U et du 235U, qui se désintègrent plus rapidement, est grande, plus l’activité sera élevée. Ainsi, l’uranium appauvri est moins radioactif que l’uranium naturel et l’uranium enrichi est plus radioactif.

L’uranium est inhabituel parmi les éléments car il est à la fois une matière chimique et radioactive. Les dangers associés à l’uranium dépendent de la forme chimique et physique de l’uranium, de la voie d’absorption et du niveau d’enrichissement. La forme chimique de l’uranium détermine sa solubilité et, par conséquent, sa transportabilité dans les fluides corporels ainsi que sa rétention dans le corps et les différents organes. La toxicité chimique de l’uranium est le principal problème de santé, car les composés solubles de l’uranium causent des dommages aux métaux lourds dans les tissus rénaux. Les dangers radiologiques de l’uranium peuvent être une préoccupation principale lorsque les composés d’uranium inhalés, enrichis (DOE 2001) et insolubles sont retenus à long terme dans les poumons et les lymphatiques associés.