Extraction minière et raffinage : uranium et plutonium

Quand j’étais enfant, nous allions dans un endroit que nous appelions simplement « The Book Barn ». C'était assez descriptif, car c'était juste une grange remplie de vieux livres. Cela sentait à peu près l’odeur que l’on pourrait attendre d’une grange remplie de vieux livres, et c’était un endroit fantastique pour parcourir – tout le charme d’une vieille bibliothèque sans aucune organisation. Lors d'une visite, j'ai trouvé une pile de vieux magazines, dont quelques Mécaniques populaires de la fin des années 40. La pochette ressemblait toujours à de la science-fiction, avec un père fumeur de pipe rentrant du travail dans sa maison de banlieue dans une voiture volante.

Mais le numéro qui a attiré mon attention était une couverture montrant deux hommes robustes dans une Jeep, rebondissant dans le désert avec un compteur Geiger. « Construisez votre propre détecteur d’uranium », implorait la légende, suggérant que la prochaine ruée vers l’or était en cours et que n’importe qui pouvait participer à l’action. Le monde était alors beaucoup plus optimiste, attendant avec impatience un avenir alimenté par l’énergie nucléaire et une électricité « trop bon marché pour être mesurée ». Le fait que la mort subite dans une boule de plasma radioactif en expansion était potentiellement le revers de la médaille n’a jamais semblé avoir beaucoup d’importance ; on a tendance à faire abstraction des réalités trop vastes pour être comprises.

Les choses sont plus compliquées aujourd’hui, mais l’uranium reste important. Non seulement elle est nécessaire pour construire de nouvelles armes nucléaires et entretenir les stocks existants, mais elle constitue également un élément important de la gamme d’options en matière d’électricité non fossile dont nous aurons besoin à l’avenir. Et l’extraire du sol et le transformer en matériaux utiles, y compris son plutonium radioactif, est tout sauf facile.

Lixiviants et lixiviats

Malgré sa rareté dans la vie quotidienne, l’uranium est étonnamment abondant. C'est littéralement aussi courant que la saleté ; enfoncez une pelle dans le sol presque n'importe où sur Terre et vous obtiendrez probablement une quantité détectable d'uranium. Il en va de même pour l’eau de mer, qui contient en moyenne environ 3,3 microgrammes d’uranium dissous dans chaque litre. Mais comme pour la plupart des éléments, l’uranium n’est pas réparti uniformément, ce qui donne lieu à des gisements bien plus faciles à exploiter commercialement que d’autres. L'Australie est la gagnante de cette loterie atomique, avec plus de 2 millions de tonnes de réserves prouvées, suivie du Kazakhstan avec près d'un million de tonnes et du Canada avec 873 000.

Si l’essentiel de l’attention que suscite l’uranium est lié aux propriétés de son gros noyau à peine stable, l’élément participe également à de nombreuses réactions chimiques, grâce à ses 92 électrons. Les composés d'uranium les plus courants sont les oxydes comme l'oxyde d'uranium (IV) ou le dioxyde d'uranium (UO2), le principal minéral du minerai, l'uranite, également connu sous le nom de pitchblende. L'uranite contient également de l'octoxyde de triuranium (U3Ô8), qui se forme lorsque UO2 réagit avec l'oxygène de l'air. Les oxydes constituent la majeure partie des minerais commercialement importants, avec au moins une douzaine d'autres minéraux, notamment des silicates d'uranium, des titanates, des phosphates et des vanadates, extraits quelque part dans le monde.

Autrefois, l'extraction de l'uranium du sol se faisait grâce à des techniques traditionnelles d'extraction de roches dures, où le minerai était récolté dans des mines à ciel ouvert ou via des puits et des tunnels menant à des veines concentrées. Le minerai est ensuite soumis aux méthodes d'extraction habituelles que nous avons vues auparavant dans cette série, telles que le concassage et le broyage, suivis d'étapes de séparation physique telles que la centrifugation, la flottation par mousse et la filtration. Cependant, les propriétés chimiques uniques de l'uranium, en particulier sa solubilité immédiate, font de la lixiviation in situ (LIS) une alternative intéressante à l'extraction traditionnelle.

L'ISL est un procédé hydrométallurgique qui est devenu la méthode d'extraction prédominante de l'uranium. ISL commence par forer des trous de forage dans une couche minéralisée, soit à partir d'appareils de forage en surface, soit via des tunnels et des puits creusés par des méthodes minières traditionnelles. Les forages sont ensuite reliés à des puits d'injection qui pompent un agent de lixiviation chimique ou un lixiviant dans les trous. Pour l'uranium, le lixiviant est basé sur les minéraux du minerai et de la roche environnante et ressemble généralement à un acide sulfurique dilué ou à une solution aqueuse de bicarbonate de sodium. L'oxygène est souvent ajouté à la solution, soit via l'ajout de peroxyde d'hydrogène, soit en faisant barboter de l'air à travers le lixivant. La solution réagit avec les minéraux d'uranium présents dans la couche de minerai et les solubilise.

ISL offre d’énormes avantages par rapport au minage conventionnel. Bien que l'uranium soit abondant, il ne représente encore qu'un petit pourcentage du volume de la roche qui le contient, et l'exploitation minière conventionnelle nécessite que d'énormes quantités de matériaux soient forées, extraites du sol et transportées à la surface pour être traitées. ISL, quant à elle, met l'uranium en solution aqueuse alors qu'il est encore dans le sol, ce qui signifie qu'il peut être pompé vers l'usine de traitement. Cela fait de l'ISL un processus à flux plus continu, par opposition aux méthodes de traitement plus par lots de l'exploitation minière conventionnelle. De plus, le lixiviant peut être adapté aux minéraux du minerai afin que seul l'uranium soit dissous, laissant la matrice rocheuse et les minéraux indésirables sous terre.

Réagir avec Hex

Le Yellow Cake est un mélange de divers oxydes d'uranium. Source : Commission de réglementation nucléaire, domaine public.

Dioxyde d'uranium (UO2) est le principal objectif du raffinage de l'uranium. C'est une poudre gris foncé ; la poudre dite de « gâteau jaune », également produite par lixiviation chimique, est une forme intermédiaire dans le traitement de l'uranium et contient un mélange d'oxydes, notamment d'U.3Ô8. L'oxyde d'uranium naturel n'est cependant pas particulièrement utile comme combustible nucléaire ; seuls quelques réacteurs dans le monde, comme le réacteur Canada Deutérium Uranium (CANDU), peuvent utiliser directement l'uranium naturel. Toute autre application nécessite un enrichissement du dioxyde d'uranium dans une certaine mesure.

L'enrichissement est le processus d'augmentation de la concentration de l'isotope fissile rare 235U dans le dioxyde d'uranium brut par rapport à l'isotope non fissile le plus abondant 238U. L'uranium naturel est d'environ 99,7% 238U, qui ne peut pas supporter une réaction en chaîne dans des conditions normales, mais avec trois neutrons de moins dans son noyau, 235U est juste assez instable pour être fissible dans de bonnes conditions.

Contrairement au raffinage, qui tire parti des propriétés chimiques de l’uranium, l’enrichissement repose sur ses propriétés nucléaires. Séparer un isotope d’un autre, surtout lorsqu’ils ne diffèrent que par trois neutrons, n’est pas un processus simple. La grande majorité des efforts consacrés au projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale visaient à trouver des moyens de trier les atomes d’uranium, et bon nombre de ces méthodes sont encore utilisées à ce jour.

Pendant la majeure partie de la guerre froide, la principale méthode d’enrichissement de l’uranium était la méthode de diffusion gazeuse. L'oxyde d'uranium est d'abord transformé en gaz en le faisant réagir avec de l'acide fluorhydrique pour former du tétrafluorure d'uranium, qui est ensuite traité avec du fluor pour produire d'abord du pentafluorure d'uranium et enfin de l'hexafluorure d'uranium :

UO{_2} + 4HF \rightarrow UF{_4} + 2H{_2}O

2UF{_4} + F{_2} \rightarrow 2UF{_5}

2UF{_5} + F{_2} \rightarrow 2UF{_6}

Cascade de centrifugeuses à gaz utilisées pour enrichir l'uranium, vers 1984. Source : Nuclear Regulatory Commission, domaine public.

Le gaz hexafluorure d'uranium, ou hex, hautement volatil et incroyablement corrosif, est pompé à haute pression dans un récipient sous pression contenant un séparateur semi-perméable en nickel ou en aluminium fritté. La taille des pores est minuscule, seulement environ 20 nanomètres. Puisque la vitesse à laquelle une molécule de gaz traverse un pore dépend de sa masse, le poids légèrement plus léger 235UF6 a tendance à traverser la barrière plus rapidement, laissant le côté haute pression de la chambre légèrement dépourvu de l'eau désirée. 235U6. Plusieurs étapes sont mises en cascade, la production légèrement enrichie de chaque étape agissant comme entrée pour l'étape suivante, aboutissant finalement à l'enrichissement souhaité – soit de l'uranium faiblement enrichi (UFE), qui se situe dans la fourchette de 2 à 3 % 235Gamme U nécessaire pour le combustible des réacteurs nucléaires civils, ou l'uranium hautement enrichi (UHE), qui est enrichi à plus de 20 %, y compris les 85 à 90 % requis pour les armes nucléaires.

De nos jours, la diffusion gazeuse est considérée comme largement obsolète et a cédé la place à l’enrichissement par centrifugation gazeuse. Dans cette méthode, l'hexagone gazeux est pompé dans un cylindre haut et étroit tournant sous vide à très grande vitesse, souvent supérieure à 50 000 tours par minute. Le plus lourd 238UF6 est projeté contre la paroi extérieure de la centrifugeuse tandis que le briquet 235UF6 migre vers le centre. L'hexagone légèrement enrichi est pompé depuis le centre de la centrifugeuse et introduit dans l'étape suivante en cascade, ce qui donne l'enrichissement souhaité. L'hexagone enrichi peut ensuite être reconverti chimiquement en dioxyde d'uranium pour être transformé en combustible.

Fabriqué, introuvable

Contrairement à tous les autres éléments que nous avons abordés jusqu'à présent dans la série « Exploitation minière et raffinage », le plutonium n'est ni extrait ni raffiné, du moins pas au sens traditionnel du terme. Des traces de plutonium existent dans la nature, mais à un niveau de parties par billion. Ainsi, pour obtenir des quantités proches de celles utilisables, le plutonium, le combustible principal des armes nucléaires, doit être synthétisé dans un réacteur nucléaire.

Le principal isotope fissile du plutonium, 239Pu, est fabriqué par bombardement 238U avec des neutrons. Chaque atome de 238U qui absorbe un neutron devient 239U, un isotope radioactif avec une demi-vie de seulement 23,5 minutes. Celui-ci se désintègre via le rayonnement bêta en neptunium-239 (239Np), un autre isotope à courte demi-vie (52 heures) qui se désintègre en 239Pu :

Série de désintégration de l'uranium. L’ajout d’un neutron à l’uranium 238 dans un réacteur « engendre » du plutonium 239.

Le processus de création 239Le Pu issu de l’uranium est appelé « reproduction ». D’après la réaction ci-dessus, il semble qu’un réacteur nucléaire civil, avec son flux de neutrons élevé et ses barres de combustible composées à environ 96 % d’uranium non enrichi, serait l’endroit idéal pour fabriquer du plutonium. Il y a cependant des raisons pratiques pour lesquelles cela ne fonctionnera pas, et cela concerne un petit neutron.

Les « boutons » de plutonium élémentaire sont récupérés au fond des creusets après réduction. Les boutons sont la matière première qui est ensuite forgée et usinée pour former les fosses des armes nucléaires. Source : Laboratoire national de Los Alamos, domaine public.

Le plutonium n’est pas vraiment enrichi comme l’uranium. Le plutonium est plutôt classé en fonction de la quantité de 240Pu qu'il contient ; plus la concentration est faible par rapport à 239Pu, plus la note est élevée. C'est parce que 240Le Pu a tendance à subir une fission spontanée, libérant des neutrons qui pourraient faire exploser le noyau de plutonium de la bombe avant qu'elle n'implose complètement. Le plutonium de qualité militaire doit contenir moins de 7 % 240Pu, et plus la réaction se poursuit longtemps, plus elle s’accumule. Le plutonium de qualité militaire ne peut cuire que pendant quelques semaines, ce qui signifie qu’un réacteur civil devrait être arrêté beaucoup trop souvent pour pouvoir à la fois produire de l’électricité et synthétiser du plutonium. Ainsi, des réacteurs de production spéciaux sont utilisés pour créer du plutonium fissile.

Une fois que les barres de combustible d'un réacteur de production sont terminées, le plutonium est chimiquement séparé de tout reste. 238U et autres sous-produits de fission contaminants utilisant un processus d’extraction long et compliqué. L’un de ces procédés, PUREX (extraction par réduction de l’uranium et du plutonium), utilise de l’acide nitrique et une combinaison de solvants organiques comme le kérosène pour dissoudre l’uranium, ainsi que des solvants aqueux et des agents réducteurs pour solubiliser le plutonium. Le dioxyde de plutonium peut ensuite être réduit en plutonium métallique, par exemple en le chauffant avec de la poudre d'aluminium. Le métal obtenu est notoirement difficile à usiner et est donc souvent allié au gallium pour stabiliser sa structure cristalline et le rendre plus facile à manipuler.

François Zipponi
Je suis François Zipponi, éditorialiste pour le site 10-raisons.fr. J'ai commencé ma carrière de journaliste en 2004, et j'ai travaillé pour plusieurs médias français, dont le Monde et Libération. En 2016, j'ai rejoint 10-raisons.fr, un site innovant proposant des articles sous la forme « 10 raisons de... ». En tant qu'éditorialiste, je me suis engagé à fournir un contenu original et pertinent, abordant des sujets variés tels que la politique, l'économie, les sciences, l'histoire, etc. Je m'efforce de toujours traiter les sujets de façon objective et impartiale. Mes articles sont régulièrement partagés sur les réseaux sociaux et j'interviens dans des conférences et des tables rondes autour des thèmes abordés sur 10-raisons.fr.