Traitement de l'uranium, préparation du minerai pour utilisation dans divers produits.
L'uranium (U), bien que très dense (19,1 grammes par centimètre cube), est un métal non réfractaire relativement faible. En effet, les propriétés métalliques de l'uranium semblent être intermédiaires entre celles de l'argent et d'autres vrais métaux et celles des éléments non métalliques, de sorte qu'il n'est pas valorisé pour les applications structurales. La valeur principale de l'uranium réside dans les propriétés radioactives et fissiles de ses isotopes. Dans la nature, la quasi-totalité (99,27%) du métal est constituée d'uranium 238; le reste est constitué d'uranium 235 (0,72%) et d'uranium 234 (0,006%). De ces isotopes naturels, seul l'uranium 235 est directement fissile par irradiation neutronique. Cependant, l'uranium-238, en absorbant un neutron, forme de l'uranium-239, et ce dernier isotope finit par se désintégrer en plutonium-239 - une matière fissile de grande importance dans l'énergie nucléaire et les armes nucléaires. Un autre isotope fissile, l'uranium-233, peut être formé par irradiation neutronique du thorium-232.
Même à température ambiante, l'uranium métal finement divisé réagit avec l'oxygène et l'azote. À des températures plus élevées, il réagit avec une grande variété de métaux d'alliage pour former des composés intermétalliques. La formation de solutions solides avec d'autres métaux ne se produit que rarement, en raison des structures cristallines singulières formées par des atomes d'uranium. Entre la température ambiante et son point de fusion de 1132 ° C (2070 ° F), l'uranium métal existe sous trois formes cristallines appelées phases alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). La transformation de la phase alpha à la phase bêta se produit à 668 ° C (1 234 ° F) et de la phase bêta à la phase gamma à 775 ° C (1 427 ° F). L'uranium gamma a une structure cristalline cubique centrée sur le corps, tandis que l'uranium bêta a une structure tétragonale. La phase alpha, cependant, se compose de feuilles d’atomes ondulées dans une structure orthorhombique hautement asymétrique. Cette structure anisotrope ou déformée rend difficile pour les atomes de métaux d'alliage de se substituer aux atomes d'uranium ou d'occuper des espaces entre les atomes d'uranium dans le réseau cristallin. Seuls le molybdène et le niobium ont été observés pour former des alliages en solution solide avec l'uranium.
Histoire
Le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth aurait découvert l'élément uranium en 1789 dans un échantillon de pitchblende. Klaproth a nommé le nouvel élément d'après la planète Uranus, découverte en 1781. Ce n'est cependant qu'en 1841 que le chimiste français Eugène-Melchior Péligot a montré que la substance métallique noire obtenue par Klaproth était en réalité le dioxyde d'uranium composé. Péligot a préparé de l'uranium métal réel en réduisant le tétrachlorure d'uranium avec du potassium métal.
Avant la découverte et l'élucidation de la fission nucléaire, les quelques utilisations pratiques de l'uranium (et elles étaient très petites) étaient dans la coloration des céramiques et comme catalyseur dans certaines applications spécialisées. Aujourd'hui, l'uranium est très apprécié pour les applications nucléaires, tant militaires que commerciales, et même les minerais à faible teneur ont une grande valeur économique. L'uranium métal est produit de façon routinière au moyen du procédé Ames, développé par le chimiste américain FH Spedding et ses collègues en 1942 à l'Iowa State University, Ames. Dans ce procédé, le métal est obtenu à partir de tétrafluorure d'uranium par réduction thermique avec du magnésium.
Minerais
La croûte terrestre contient environ deux parties par million d'uranium, reflétant une large distribution dans la nature. On estime que les océans contiennent 4,5 × 10 9 tonnes de l'élément. L'uranium est un constituant important de plus de 150 minéraux différents et un composant mineur de 50 autres minéraux. Les minéraux d'uranium primaires, trouvés dans les veines hydrothermales magmatiques et dans les pegmatites, comprennent l'uraninite et la pitchblende (cette dernière une variété d'uraninite). L'uranium contenu dans ces deux minerais se présente sous forme de dioxyde d'uranium, qui, en raison de l'oxydation, peut varier dans la composition chimique exacte de UO 2 à UO 2,67. D'autres minerais d'uranium d'importance économique sont l'autunite, un phosphate d'uranyle de calcium hydraté; la tobernite, un phosphate d'uranyle de cuivre hydraté; coffinite, un silicate d'uranium hydraté noir; et la carnotite, un vanadate d'uranyle de potassium jaune hydraté.
On estime que plus de 90% des réserves connues d'uranium à bas prix se trouvent au Canada, en Afrique du Sud, aux États-Unis, en Australie, au Niger, en Namibie, au Brésil, en Algérie et en France. Environ 50 à 60% de ces réserves se trouvent dans les formations rocheuses de conglomérat d'Elliot Lake, situées au nord du lac Huron en Ontario, au Canada, et dans les champs aurifères de Witwatersrand en Afrique du Sud. Les formations de grès du plateau du Colorado et du bassin du Wyoming dans l'ouest des États-Unis contiennent également d'importantes réserves d'uranium.
Extraction et concentration
Les minerais d'uranium se trouvent dans des gisements à la fois proches de la surface et très profonds (par exemple de 300 à 1 200 mètres ou 1 000 à 4 000 pieds). Les minerais profonds se produisent parfois dans des filons aussi épais que 30 mètres. Comme c'est le cas pour les minerais d'autres métaux, les minerais d'uranium de surface sont facilement exploités avec de gros engins de terrassement, tandis que les gisements profonds sont exploités par des méthodes traditionnelles de puits vertical et de dérive.
Les minerais d'uranium ne contiennent généralement qu'une petite quantité de minéraux contenant de l'uranium, et ceux-ci ne peuvent pas être fondus par des méthodes pyrométallurgiques directes; au lieu de cela, des procédures hydrométallurgiques doivent être utilisées pour extraire et purifier les valeurs d'uranium. La concentration physique réduirait considérablement la charge des circuits de traitement hydrométallurgique, mais aucune des méthodes conventionnelles d'enrichissement généralement utilisées dans le traitement des minéraux - par exemple, la gravité, la flottation, l'électrostatique et même le tri manuel - n'est généralement applicable aux minerais d'uranium. À quelques exceptions près, les méthodes de concentration entraînent une perte excessive d'uranium dans les résidus.
