Thorium

Thorium
Actinium ← Thorium → Protactinium Ce   90 Th                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Th ↓ Uqn Table complète • Table étendue
Informations générales
Nom, symbole, numéro	Thorium, Th, 90
Série chimique	actinide
Groupe, période, bloc	L/A, 7, f
Masse volumique	11,72 g·cm-3 [1]
Dureté	3
Couleur	blanc argenté
No CAS	7440-29-1 [2]
Propriétés atomiques
Masse atomique	232,03806 ± 0,00002 u[1]
Rayon atomique (calc)	179 pm
Rayon de covalence	2,06 ± 0,06 Å [3]
Configuration électronique	[Rn] 6d2 7s2
Électrons par niveau d’énergie	2, 8,18,32,18,10, 2
État(s) d’oxydation	4
Oxyde	base faible
Structure cristalline	cubique face centrée
Propriétés physiques
État ordinaire	solide
Point de fusion	1 750 °C [1]
Point d’ébullition	4 788 °C [1]
Énergie de fusion	16,1 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	514,4 kJ·mol-1
Volume molaire	19,80×10-6 m3·mol-1
Vitesse du son	2 490 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	1,3
Chaleur massique	120 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	6,53×106 S·m-1
Conductivité thermique	54 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation[4]
1re : 6,3067 eV	2e : 11,9 eV
3e : 20,0 eV	4e : 28,8 eV
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD MeV 228Th {syn.} 1,9116 a α 5,520 224Ra 229Th {syn.} 7 340 a α 5,168 225Ra 230Th {syn.} 75 380 a α 4,770 226Ra 231Th traces 25,5 h β 0,39 231Pa 232Th 100 % 14,05×109 a α 4,083 228Ra 233Th {syn.} 22,3 min β- 1,24 233Pa 234Th traces 24,1 j β- 0,199 234Pa
Précautions
Élément radioactif
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le thorium est un élément chimique, un métal de la famille des actinides, de symbole Th et de numéro atomique 90.

Il a été découvert en 1829 par Jöns Jacob Berzelius et nommé d'après Thor, dieu scandinave du tonnerre.

Ses principales applications sont dans les alliages de magnésium utilisés pour les moteurs d'aéronefs. Il a un énorme potentiel comme combustible nucléaire, mais cette voie est encore en cours d'exploration (avec divers types de réacteurs : réacteur nucléaire piloté par accélérateur, réacteur à sel fondu, réacteur à haute température (HTR), …).

Sommaire 1 Historique 2 Propriétés 2.1 Physique et chimie 2.2 Isotopes 2.3 Radiotoxicité 3 Géologie et minéralogie 3.1 Abondance et gisements 3.2 Extraction minière 4 Utilisation 5 Industrie nucléaire 5.1 Isotope fertile 5.2 Cycle du thorium 5.3 Contrôle des matières nucléaires 6 Références 7 Liens externes

Historique

Le thorium a été découvert sous forme d'un minéral noir sur l'île de Løvøy, en Norvège, par M. T. Esmark. Il en envoya un échantillon au professeur Jens Esmark, minéralogiste distingué, qui ne fut pas en mesure de l'identifier, et en envoya un échantillon au chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius pour examen en 1828^[5]. Berzelius en fit l'analyse, et nomma le nouvel élément thorium, d'après Thor, dieu scandinave du tonnerre.

Ce nouveau métal resta pratiquement inutilisé jusqu'à l'invention du manchon à incandescence en 1885.

La radioactivité du thorium a été découverte en 1898, par la physicienne polonaise naturalisée française Marie Curie et le chimiste allemand Gerhard Carl Schmidt.

Entre 1900 et 1903, Ernest Rutherford et Frederick Soddy démontrèrent que le thorium se désintègre suivant une loi de décroissance exponentielle en une série d'autres éléments. Ce constat conduisit à identifier la demi-vie comme l'une des caractéristiques importantes associées aux particules α, expériences qui les conduisirent à leur théorie de la radioactivité^[6].

La méthode de la zone fondue, découverte par Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer en 1925, permit de produire du thorium métallique de haute pureté^[7].

Au début de l'étude de la radioactivité, le nom de ionium avait été donné à l'isotope ²³⁰Th, trouvé dans la chaîne de désintégration de l'uranium 238, avant que l'on ne réalise que ionium et thorium sont chimiquement identiques. Cet hypothétique élément reçut le symbole Io.

Propriétés

Physique et chimie

Lorsqu’il est pur, le thorium est un métal gris-blanc qui conserve son lustre pendant plusieurs mois, grâce à l'oxyde qui le protège. Toutefois, quand il est exposé à l'oxygène, le thorium ternit lentement dans l'air, devient gris et finalement noir.

• L'oxyde de thorium (ThO₂) est un des meilleurs matériaux réfractaires avec une température de fusion de 3 300 °C^[8].

Le thorium métal en poudre est souvent pyrophorique et doit être manipulé avec soin. Chauffé dans l'air, des copeaux de thorium peuvent s'enflammer et brûler brillamment avec une lumière blanche.

Le thorium est l'élément qui a la plus grande plage de température pour son état liquide : 3033 K entre son point de fusion et son point d'ébullition (à pression atmosphérique).

Isotopes

Tous les isotopes du thorium sont radioactifs. Le thorium naturel n'est constitué que du seul isotope, le thorium 232, à très longue période radioactive (14 milliards d'années), ce qui fait du thorium un élément mononucléidique.

Le thorium 232 est un isotope fertile : en absorbant un neutron, il se transmute en thorium 233 (radioactif), qui se désintègre ensuite en protactinium 233 (radioactif), qui se désintègre à son tour en uranium 233, fissile.

Son activité massique^[9] est de 4,10.10³ Bq.g^-1

Radiotoxicité

Le thorium naturel se désintègre plus lentement que la plupart des autres matières radioactives, et les rayonnements alpha émis ne peuvent pas pénétrer la peau humaine. La détention et la manipulation de petites quantités de thorium, comme celles contenues dans un manchon à incandescence, sont considérées comme non dangereuses tant que l'on prend soin de ne pas ingérer le thorium - les poumons et les autres organes internes peuvent être atteints par les rayonnements alpha. Une exposition à un aérosol de thorium peut conduire à une augmentation du risque de cancer du poumon, du pancréas et du sang. Une ingestion de thorium conduit à une augmentation du risque de maladies du foie.

Cet élément n'a pas de rôle biologique connu. Il est parfois utilisé comme médium de contraste pour les radiographies.

La chaîne de désintégration du thorium produit du « thoron » (²²⁰Rn), qui est un émetteur alpha et présente un risque radiologique ; comme pour tous les isotopes du radon, son état gazeux le rend susceptible d'être facilement inhalé. Une bonne ventilation des zones où le thorium est stocké ou manipulé est donc essentielle.

Géologie et minéralogie

Abondance et gisements

Faiblement radioactif, le thorium 232 se désintègre très lentement (sa demi-vie est environ trois fois l'âge de la Terre, 14,05×10⁹ années). Le thorium se trouve en petites quantités dans la plupart des roches et sols, il est quatre fois plus abondant que l'uranium, à peu près aussi fréquent que le plomb. Un terrain normal contient en moyenne environ 12 parties par million (ppm) de thorium.

Le thorium se rencontre dans plusieurs minéraux. Les minerais de thorium sont la thorite ThSiO₄, la thorianite ThO₂ et surtout la monazite (Ce,La,Nd,Th)PO₄, le plus commun, phosphate de thorium et de terre rare, qui peut contenir jusqu'à environ 12 % d'oxyde de thorium.

Il en existe de grands gisements en Bretagne, en Australie, en Inde et en Turquie. On trouve de la monazite à forte teneur en thorium en Afrique, en Antarctique, en Australie, en Europe, en Amérique du Nord et en Amérique du Sud^[10].

D'autres isotopes du thorium se rencontrent à l'état de traces. Dans la chaîne de désintégration du thorium (le ²²⁸Th ; 1,91 an) ; de l'uranium 238 (le ²³⁰Th ; 75 000 ans) ; et de l'uranium 235 (le ²³¹Th ; 25,2 h). Leur courte durée de vie entraîne une activité massique importante, et les rend beaucoup plus radioactifs que ²³²Th ; mais en masse, ils sont d'une abondance négligeable.

Extraction minière

Le thorium est principalement extrait de la monazite, par un traitement en plusieurs étapes.

Dans un premier temps, le sable de monazite est dissous dans un acide inorganique tel que l'acide sulfurique (H ₂SO₄). Dans un deuxième temps, le thorium est extrait dans une phase organique contenant une amine. Ensuite, il est séparé à l'aide d'ions tels que les nitrates, chlorure, hydroxyde ou carbonate, ce qui fait passer à nouveau le thorium en phase aqueuse. Enfin, le thorium est précipité et recueilli^[11].

Utilisation

Le thorium a de nombreuses applications industrielles :

• électrode, cathode : le thorium possède un travail de sortie bas, ce qui permet une intense émission d'électrons par émission thermoïonique. Pour cette raison, on l'utilise dans les électrodes de tubes à décharge en revêtement des filaments de tungstène, ainsi que pour les cathodes de nombreux dispositifs électroniques.
• verres optiques : dans la fabrication de lentilles de qualité pour les appareils photo et des instruments scientifiques. Le verre contenant de l'oxyde de thorium a un indice de réfraction élevé et une faible dispersion, ce qui diminue l'aberration optique.
• manchon à incandescence : on utilise la très mauvaise conductivité thermique de l'oxyde de thorium (en mélange avec l'oxyde de cérium) pour augmenter la température des manchons d'éclairage et donc leur luminosité.
• produit réfractaire (creuset) : Pour les applications à haute température de matériau céramique, par addition d'oxyde de thorium, on obtient un type de porcelaine très dure et résistante aux températures élevées.
• Comme agent d'alliage dans les structures en acier. On l'utilise également pour faire des électrodes de soudage, en alliage de tungstène qui a le plus grand point de fusion connu, près de 4 000 °C.
• Il est utilisé dans l'industrie électronique comme détecteur d'oxygène.
• Il est utilisé en chimie comme catalyseur dans la transformation de l'ammoniac en acide nitrique, dans l'industrie pétrolière pour le cracking et l'extraction d'hydrocarbures de carbone, et pour la production industrielle d'acide sulfurique.
• L'oxyde de thorium a été utilisé dans les années 1930 et 1940 pour préparer le thorotrast, une suspension colloïdale injectable utilisée comme produit de contraste en radiologie à cause de ses qualités d'absorption des rayons X. Le produit sans effet secondaire immédiat s'est révélé cancérogène à long terme sous l'effet des particules α émises par le thorium 232. La substance est inscrite sur la liste des produits cancérogènes pour l'homme. Depuis les années 1950, ce produit a été remplacé par des molécules iodées hydrophiles, universellement utilisées aujourd'hui comme agents de contraste pour les examens aux rayons X.

De plus, il est prometteur pour ses applications à l'énergie nucléaire : l'abondance (terrestre) du thorium 232 est 3 à 4 fois plus grande que celle de l'uranium 238^[12](l'autre isotope naturel fertile). Le thorium constitue ainsi une importante réserve d'énergie nucléaire, en raison de son abondance ; il pourrait ainsi fournir plus d'énergie que l'uranium, le charbon et le pétrole réunis. Son utilisation nécessite la mise au point d'une nouvelle filière de réacteurs nucléaires surgénérateurs.

Industrie nucléaire

Isotope fertile

Le thorium, ainsi que l'uranium et le plutonium, peut être utilisé comme combustible dans un réacteur nucléaire. Bien qu'il ne soit pas fissible lui-même, ²³²Th est un isotope fertile comme l'uranium 238. En réacteur, il est susceptible d’absorber un neutron (thermique ou rapide) pour produire un atome d'uranium 233, qui est fissible.

Le ²³²Th absorbe un neutron pour devenir ²³³Th qui, en principe, émet un électron et un antineutrino () par désintégration β^- pour se transformer en protactinium 233 (²³³Pa), lequel émet encore électron et anti-neutrinos par une deuxième désintégration β^- pour se transformer en uranium 233 (²³³U) avec une période de 27 jours environ :

Le combustible irradié peut ensuite être déchargé du réacteur, l'uranium 233 séparé du thorium (ce qui est un processus relativement simple puisqu'il s'agit d'une séparation chimique et non d'une séparation isotopique), et réinjecté dans un autre réacteur dans le cadre d'un cycle du combustible nucléaire fermé.

Cycle du thorium

En tant que produit fissile, l'uranium 233 (²³³U) présente de meilleures propriétés que les deux autres isotopes fissiles utilisés dans l'industrie nucléaire, l'uranium 235 et le plutonium 239. Avec des neutrons lents, il fissionne en donnant plus de neutrons par neutron absorbé (en revanche, dans les réacteurs à neutrons rapides, le rendement neutronique du plutonium 239 augmente considérablement, dépassant celui du thorium). À partir de matières fissibles (²³⁵U ou ²³⁹Pu), il est possible de l'utiliser dans un cycle surgénérateur plus efficace que celui actuellement possible avec le plutonium ou l'uranium.

Différentes voies ont été proposées pour exploiter l'énergie du thorium. L'une d'entre elles, popularisée au début des années 1990 par Carlo Rubbia, consiste à utiliser une source externe de neutrons pour créer l'²³³U (réacteur hybride ou Réacteur nucléaire piloté par accélérateur, en anglais ADS « Accelerator driven system », ou encore « Rubbiatron »). Cette voie comporte cependant un certain nombre de difficultés de mise au point :

• le coût élevé de l'accélérateur et des infrastructures constituant la source de neutrons externe ;
• des problèmes sévères pour la résistance des matériaux soumis à des flux intenses de particules ;
• des problèmes techniques dans le retraitement et dans le recyclage non encore résolus de façon satisfaisante, en raison du thorium hautement radioactif ²²⁸Th (qui n'est pas transformé en ²³³U et s'accumule au fil des cycles) ;
• un caractère proliférant éventuel de ²³³U (ce qui est le cas de toutes les matières fissibles), mais il serait toutefois difficile de le purifier suffisamment pour qu'il puisse servir à la fabrication d'armes nucléaires.

Une autre voie possible pour l'exploitation du thorium consiste à mettre en œuvre des réacteurs à sels fondus, où ceux-ci jouent à la fois le rôle de combustible et de fluide caloporteur. L'un des premiers essais a eu lieu à Oak Ridge dans les années 1960. Un réacteur à sel fondu expérimental a été construit pour étudier la faisabilité d'un tel cycle, en utilisant un sel de fluorure de thorium suffisamment chaud pour être liquide, ce qui élimine en particulier le besoin de fabriquer des éléments combustibles. L'expérience, qui a fonctionné de manière satisfaisante de 1965 à 1969, utilisait du thorium 232 comme élément fertile et de l'uranium 233 comme combustible fissile. Le programme a été définitivement interrompu en 1976 faute de crédits et faute d'intérêt suffisant des milieux militaires.

L'exploitation du thorium par des réacteurs nucléaires à sels fondus paraît néanmoins aujourd'hui être la voie la plus prometteuse ; elle est à l'étude dans plusieurs pays comme la France, les États-Unis, la Chine^[13], l'Inde et le Japon. À l'exception de la France, tous ces pays ont récemment décidé d'engager des efforts industriels significatifs dans cette direction. En France, des scénarios théoriques prometteurs ont été étudiés intensivement par le CNRS depuis le début des années 2000. En particulier, le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) ^[14] a développé un concept de réacteur à sels fondus « non modéré », dit MSFR (pour Molten Salt Fast Reactor, un type de réacteur à neutrons rapides), qui paraît susceptible d'offrir des caractéristiques de fonctionnement très favorables remplissant tous les critères des réacteurs de quatrième génération (cf. Forum International Génération IV) :

• utilisation optimale du thorium comme matériau fertile abondant, permettant de faire de la surgénération - compte tenu des réserves connues, les ressources énergétiques disponibles seraient au moins 500 fois supérieures à celles que peuvent procurer les réacteurs actuels de deuxième génération (PWR, filière canadienne CANDU à uranium naturel, RBMK russes, …). Au rythme actuel de production d'énergie nucléaire, les réserves potentielles se chiffrent en dizaines de milliers d'années.
• le cycle du combustible ne crée que peu de plutonium et d'actinides mineurs et génère par conséquent des déchets radioactifs beaucoup plus faciles à gérer ; certains groupes de promotion de la technologie^[15] qualifient même cette voie « d'énergie nucléaire verte », dans la mesure où elle pourrait contribuer significativement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre sans présenter les inconvénients des réacteurs nucléaires actuels.
• une grande sûreté intrinsèque de fonctionnement, du fait de coefficients de vide et de contre-réaction thermiques très négatifs empêchant la réaction de s'emballer d'elle-même, et ce malgré l'absence de modérateur ;
• le circuit primaire du réacteur à sels fondus opère à la pression atmosphérique ambiante et ne met en œuvre que des substances chimiquement stables ; le risque de contamination radioactive ou d'incendie en cas de fuite est donc très faible ;
• l'utilisation de combustibles nucléaires liquides permet d'envisager un traitement chimique in situ des matières fissiles ; on éviterait ainsi d'avoir à décharger le cœur et à effectuer un retraitement externe, avec comme corollaire la nécessité du transport des matières radioactives ;
• la contamination inévitable de la matière fissile ²³³U par des traces de ²³²U, émetteur de rayonnement gamma très énergétique, rend celle-ci très délicate à exploiter pour des armes nucléaires ; en même temps de tels émetteurs gamma sont facilement détectables, ce qui facilite le contrôle de la non-prolifération nucléaire ;
• en fonction des schémas retenus et de la composition du mélange de sels d'actinides utilisés comme combustible, le réacteur à sel fondu est capable d'offrir une vaste plage de modes de fonctionnement ; il serait donc susceptible de valoriser comme combustible les matières nucléaires issues des centrales actuelles, alors qu'une partie importante de ces matières aboutit aujourd'hui en bout de chaîne de retraitement sous la forme de déchets de haute activité à vie longue (HAVL), difficiles à gérer. Le fonctionnement d'une fraction des réacteurs comme incinérateurs de déchets est envisageable, ce qui réduirait encore considérablement la quantité de déchets produite par l'ensemble du parc.

Des recherches complémentaires ainsi que des moyens financiers et industriels importants sont encore nécessaires pour la réalisation de réacteurs commerciaux. Il reste en particulier à développer des cuves en alliages spéciaux capables de résister à la corrosion pendant les décennies que durera l'exploitation des réacteurs. La faisabilité de la technologie paraît cependant presque acquise, l'horizon 2025 étant avancé par les équipes de développement les plus en pointe, bien que cela dépende très certainement du niveau des investissements et de l'intérêt que les états, les industriels et les sociétés y porteront. En août 2010, trois éminents physiciens français^[16] ont rédigé une tribune contestant le programme ITER de recherche sur la fusion nucléaire, jugé hors de prix et irréalisable à court ou moyen terme, et préconisant plutôt l'intensification des recherches et des développements concernant les réacteurs à sels fondus et la filière du thorium.

Contrôle des matières nucléaires

En France, le thorium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).

Références

Liens externes

• (en) Images du thorium sous différentes formes

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