Pourquoi l’uranium a-t-il une masse atomique alors qu’il n’a aucun isotope stable ?
Pour la plupart des éléments radioactifs, cette page affiche la masse atomique entre crochets : le nombre de masse de l’isotope à plus longue vie, plutôt qu’une moyenne mesurée. Le technétium, le prométhium et tout ce qui suit le bismuth sont traités ainsi.
L’uranium fait exception. L’IUPAC lui attribue une masse atomique standard conventionnelle de 238,02891 u, valeur mesurée précise comme celle de n’importe quel élément stable.
La raison est qu’une masse atomique n’a de sens que si le mélange isotopique est assez constant pour être moyenné. Pour la plupart des éléments radioactifs, il ne l’est pas — ils n’existent qu’à l’état de traces dont la composition dépend entièrement de leur mode de production.
L’uranium diffère parce qu’il est primordial. Ses deux isotopes principaux ont des demi-vies comparables à l’âge de la Terre : environ 4,47 milliards d’années pour l’uranium 238, environ 704 millions d’années pour l’uranium 235. Tous deux ont survécu depuis la formation de la planète, et tous deux sont soigneusement mêlés dans la croûte.
La composition qui en résulte est remarquablement uniforme : 99,274 % d’uranium 238, 0,720 % d’uranium 235 et 0,0055 % d’uranium 234 dans pratiquement tout échantillon naturel. C’est cette constance qui donne un sens à la moyenne.
Le thorium et le protactinium sont traités de la même façon, pour la même raison.
L’uniformité est assez précise pour que les écarts soient diagnostiques. Un échantillon contenant moins de 0,72 % d’uranium 235 a subi un prélèvement, ce qui permet d’identifier l’uranium appauvri. Et la seule exception naturelle terrestre — un uranium mesurablement appauvri à Oklo — a révélé qu’un réacteur à fission naturel y avait fonctionné.
Pourquoi la différence entre U 235 et U 238 compte-t-elle autant ?
Trois neutrons séparent les deux isotopes. Chimiquement, ils sont identiques. Leur comportement nucléaire ne l’est pas, et cette différence décide si l’uranium est un combustible ou un simple métal lourd.
L’uranium 235 est fissile. L’absorption d’un neutron lent le place dans un état excité au-dessus de sa barrière de fission, et il se scinde en libérant de l’énergie et deux à trois neutrons supplémentaires. Ces neutrons peuvent déclencher d’autres fissions — une réaction en chaîne.
L’uranium 238 n’est pas fissile par neutrons lents. L’absorption d’un neutron le laisse sous la barrière, et au lieu de se scinder il se transforme en plutonium 239. Il est fertile plutôt que fissile.
L’origine de la différence est l’appariement nucléaire. L’uranium 235 possède un nombre impair de neutrons : un neutron ajouté s’apparie et libère une énergie d’appariement, qui fournit l’élan supplémentaire pour franchir la barrière. L’uranium 238 en possède un nombre pair, aucun bonus d’appariement n’est disponible, et la barrière n’est pas franchie.
Puisque seuls 0,72 % de l’uranium naturel sont l’isotope fissile, la plupart des réacteurs exigent une concentration de 3 à 5 %. Les isotopes étant chimiquement identiques, la séparation doit exploiter la différence de masse de 1,3 % — ce que l’on fait industriellement en convertissant l’uranium en hexafluorure gazeux qu’on fait tourner dans des cascades de centrifugeuses.
Ce procédé est la charnière de la politique de non-prolifération. Les mêmes centrifugeuses qui atteignent 5 % pour les réacteurs atteignent 90 % pour les armes, avec davantage d’étages et de temps. La technologie n’est pas séparable par finalité.
Une minorité de conceptions évite entièrement l’enrichissement. Le réacteur CANDU à eau lourde fonctionne à l’uranium naturel, ce que permet la faible absorption neutronique du deutérium, laquelle préserve assez de neutrons pour entretenir la réaction à 0,72 %.
Comment lire la configuration électronique de l’uranium ?
L’état fondamental de l’uranium est [Rn] 5f³ 6d¹ 7s² : un cœur de radon, trois électrons en 5f, un en 6d, deux en 7s. Électrons par couche : 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2.
C’est l’une des 21 exceptions documentées à l’ordre de remplissage de Madelung, qui prédit [Rn] 5f⁴ 7s². Un électron occupe la 6d au lieu de la 5f, parce qu’à ce point de la série des actinides les niveaux 5f et 6d sont si proches en énergie que c’est la répulsion électronique qui décide de l’arrangement, non la règle d’ordre.
Cette quasi-dégénérescence 5f–6d explique que la chimie des premiers actinides soit tellement plus riche que celle des lanthanides. Chez les lanthanides, les électrons 4f sont enfouis et participent peu à la liaison, si bien que presque tous les lanthanides sont +3 et notoirement difficiles à séparer. Les électrons 5f de l’uranium sont plus exposés et chimiquement disponibles, et l’uranium présente des degrés d’oxydation de +3 à +6.
Le degré dominant est +6, sous forme d’ion uranyle UO₂²⁺, ce qui rend l’uranium mobile dans les eaux souterraines et donne à ses composés leurs teintes jaune-vert. Le verre à l’uranium, coloré à l’oxyde d’uranium, fluoresce d’un vert vif sous ultraviolet pour la même raison.
La masse volumique de l’uranium avoisine 19 050 kg/m³, proche de celle de l’or et près du double de celle du plomb.
À quoi ressemblait l’uranium avant qu’on sache ce qu’il faisait ?
L’uranium fut identifié par Martin Klaproth en 1789 dans la pechblende, et nommé d’après la planète Uranus découverte huit ans plus tôt. Pendant le siècle suivant, il resta un colorant industriel obscur — employé pour teinter verres et émaux céramiques en jaune et en orange, apprécié pour cet effet et rien d’autre.
Son importance surgit par accident. En 1896, Henri Becquerel laissa des sels d’uranium sur une plaque photographique enveloppée, dans un tiroir, s’attendant à ce que la lumière du soleil fût nécessaire pour produire un effet. La plaque fut impressionnée quand même. La radioactivité venait d’être découverte, et elle l’était grâce à l’uranium.
Marie et Pierre Curie traitèrent ensuite des tonnes de résidus de pechblende, à la poursuite d’une activité que l’uranium seul n’expliquait pas, et isolèrent le polonium et le radium. La physique nucléaire est née de cette pechblende.
En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann trouvèrent du baryum parmi les produits de l’uranium bombardé par des neutrons — résultat incompréhensible jusqu’à ce que Lise Meitner et Otto Frisch l’interprètent comme la scission du noyau. En sept ans, cette interprétation avait produit à la fois les réacteurs et les armes nucléaires.
La verrerie à l’uranium des années 1930 se collectionne encore, et reste légèrement radioactive.
Combien d’énergie contient l’uranium ?
Les ordres de grandeur sont ce qui fait du nucléaire une catégorie distincte plutôt qu’un combustible parmi d’autres.
La fission complète d’un kilogramme d’uranium 235 libère à peu près l’énergie de la combustion de deux à trois millions de kilogrammes de charbon. En pratique les réacteurs n’atteignent pas la fission complète, mais même au taux de combustion usuel le rapport reste de l’ordre de la dizaine de milliers.
La version concrète : une pastille de combustible standard mesure environ un centimètre, pèse près de sept grammes, et délivre une énergie comparable à une tonne de charbon. Un grand réacteur type est rechargé d’un camion d’assemblages tous les dix-huit mois, là où une centrale au charbon de même puissance consomme un train de charbon tous les jours ou deux.
Cette densité est la source de l’attrait comme de la difficulté. Le déchet est proportionnellement minuscule en volume — l’ensemble du combustible usé produit par le programme civil des États-Unis couvrirait un seul terrain de football sur quelques mètres — mais il est intensément radioactif et demeure dangereux bien plus longtemps qu’aucune institution humaine n’a existé. Actinides à vie longue et produits de fission imposent une isolation de l’ordre de cent mille ans.
Aucun pays n’a encore ouvert de stockage géologique profond définitif pour le combustible usé civil, même si le site finlandais d’Onkalo est le plus avancé.