Isotopes de l'uranium

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L'uranium (U) possède 26 isotopes connus, de nombre de masse variant de 217 à 242. Il possède également sept isomères nucléaires. L'uranium est un élément radioactif naturel et il ne possède donc aucun isotope stable, mais il possède deux isotopes primordiaux (l'uranium 238 et l'uranium 235) qui possèdent une longue demi-vie et sont présents en quantité appréciable dans la croûte terrestre, avec leur produit de désintégration, l'uranium 234.

L'uranium naturel est composé de trois principaux isotopes, l'uranium 238 (99,2739 à 99,2752 % d'abondance naturelle), l'uranium 235 (0,7198 - 0,7202 %) et l'uranium 234 (0,0050 - 0,0059 %) suivant le site web "GlobalSecurity.org"[1]. Les valeurs de la teneur en uranium 235 fournies par le site web référencé, sont physiquement admissibles et compréhensibles même si la teneur la plus couramment admise est de 0,7202 % (les chaînes de désintégrations de 235U et 238U sont distinctes) . En revanche les valeurs données pour l'uranium 234 sont manifestement erronées; 234U est fils de 238U; la demi-vie de 234U (245 000 a) est courte en valeur relative devant celle de 238U et devant la durée nécessaire à la formation d'un gisement, donc le rapport 234U / 238U est nécessairement constant. Une variation relative du rapport de la teneur en 234U par rapport à la teneur en 238U de 0,847 à 1,18; c'est impossible. La teneur en uranium 234 ne peut servir à arrondir le total à 100 %, comme semble l'avoir fait le site web en question. On retient les valeurs suivantes:

uranium 238 (99,27435% à 99,27475% d'abondance naturelle )
uranium 235 (0,7198 à 0,7202 %)
et uranium 234 (0,005454 %)

Compte tenu de ces proportions, sa masse atomique moyenne est de 238,02891(3) u.

Parmi les trois isotopes naturels le plus abondant et le plus stable est l'uranium 238 avec une demi-vie de 4,4688 × 109 a (soit proche de l'âge de la Terre), L'uranium 235 a une demi-vie de 703,8 × 106 a, l'uranium 234 fils du 238 a une demi-vie de 245 000 a. D'autres isotopes artificiels sont produits, tels que par exemple l'uranium 232 ou l'uranium 236 formés dans les réacteurs à fission ordinaires ou surgénérateurs. L'uranium 233 est lui préparé à partir du thorium 232 par bombardement de neutrons.

À l'époque du début du fonctionnement des réacteurs naturels d'Oklo il y a 1,95 × 109 ans la teneur en uranium 235 de l'uranium terrestre était de 3,66 %; à la formation de la Terre elle était de près de 32 %. Au moment de l'explosion de la supernova -supposée unique- ayant produit les matériaux lourds existants sur la Terre et dans le système solaire il y a 1,65 fois plus d'atomes d'uranium 235 que d'uranium 238 de formés dans l'explosion suivant la modélisation de l'explosion. Ceci correspond à un "enrichissement" en uranium 235 par rapport au total 235U + 238U de: 1,65 / (1 + 1,65) = 62,3 %. L'explosion peut dès lors être datée: il y a 5,366 × 109 ans.

L'uranium 238 est un émetteur α, et il se désintègre via les 18 membres de la chaîne de désintégration de l'uranium 238 en plomb 206. La chaîne de désintégration de l'uranium 235 (historiquement appelé actino-uranium) comporte 15 membres et se termine sur le plomb 207. Les taux constant de désintégration de ces séries permet en comparant les ratio d'isotopes parent/fils la datation radiométrique.

L'isotope 235U est important, aussi bien pour le nucléaire civil que militaire, car c'est le seul isotope fissile naturel en quantité appréciable. L'isotope 238U est aussi important car il peut absorber des neutrons et former un radioisotope qui se désintègre par la suite en plutonium 239, qui est aussi fissile.

Isotopes notables[modifier | modifier le code]

Uranium 232[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Uranium 232.

L'uranium 232 (232U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 140 neutrons. Il possède une demi-vie de 68,9 années et est un sous produit du cycle du thorium.

Uranium 233[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Uranium 233.

L'uranium 233 (233U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 141 neutrons. Il possède une demi-vie de 159 200 années.

Uranium 234[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Uranium 234.

L'uranium 234 (234U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 142 neutrons. Il possède une demi-vie de 245 500 années, et constitue une très faible partie de l'uranium naturel.

Uranium 235[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Uranium 235.

L'uranium 235 (235U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 143 neutrons. Il possède une demi-vie de 7,038x108} années. Il sert dans les réacteurs nucléaires, pour produire de l'énergie par fission. Il constitue 0,711 % de l'uranium naturel.

Uranium 236[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Uranium 236.

L'uranium 236 (236U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 144 neutrons. Émetteur alpha de la chaîne de désintégration du thorium 4 n + 0. Il possède une demi-vie de 23,42 millions d'années.

Uranium 237[modifier | modifier le code]

L'uranium 237 (237U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 145 neutrons. Il possède une demi-vie de 6,75 jours.

Uranium 238[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Uranium 238.

L'uranium 238 (238U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 146 neutrons. C'est le le plus commun des isotopes de l'uranium, constituant 99,284 % de l'uranium naturel. C'est aussi le plus stable, avec une demi-vie de 4,4688 milliards d'années.

Quand on le bombarde avec un neutron, il se transforme, au bout de plusieurs étapes, en plutonium 239 :

\mathrm{^1_0n+{}^{238}_{\ 92}U\to{}^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow [23,45\ min] {\beta^-\ 1,265\ MeV} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow [2,3565\ jours] {\beta^-\ 0,722\ MeV} \ ^{239}_{\ 94}Pu}

Uranium 239[modifier | modifier le code]

Uranium 239

table

Général
Nom Uranium 239
Symbole 239U
Neutrons 147
Protons 92
Données Physiques
Demi-vie 23,45 min
Isotope parent Désintégration
Plutonium 236 α
Neptunium 232 β+
Protactinium 232 β-
Désintégration Produit Énergie (MeV)
désintégration β- (20 %) Neptunium 239 1,28
désintégration β- (80 %) Neptunium 239 1,21

L'uranium 239 (239U) est l'isotope dont le noyau est constitué de 92 protons et de 147 neutrons. Il est habituellement produit en exposant de l'238U à un faisceau de neutrons dans un réacteur nucléaire. 239U a une demi-vie d'environ 23,45 minutes et se désintègre en neptunium 239 par désintégration β-, avec une énergie de désintégration totale d'environ 1,29 MeV[2]. La désintégration gamma la plus commune à 74,660 keV représente la différence d'énergie entre les deux canaux principaux d'émission bêta, à 1,28 et 1,21 MeV[3].

239Np se désintègre ensuite en plutonium 239, fissile (utilisé en nucléaire civil et militaire).

Table des isotopes[modifier | modifier le code]

Symbole
de l'isotope
Nom
historique
Z (p) N (n) Masse isotopique Demi-vie Mode(s) de
désintégration[4],[n 1]
Isotope(s)-fils[n 2] Spin nucléaire Composition isotopique
représentative
(fraction molaire)
Gamme de
variations naturelles
(fraction molaire)
Énergie d'excitation
217U 92 125 217,02437(9) 26(14) ms
[16(+21-6) ms]
1/2-#
218U 92 126 218,02354(3) 6(5) ms α 214Th 0+
219U 92 127 219,02492(6) 55(25) ms
[42(+34-13) ms]
α 215Th 9/2+#
220U 92 128 220,02472(22)# 60# ns α 216Th 0+
β+ (rare) 220Pa
221U 92 129 221,02640(11)# 700# ns α 217Th 9/2+#
β+ (rare) 221Pa
222U 92 130 222,02609(11)# 1,4(7) us
[1,0(+10-4) us]
α 218Th 0+
β+ (10−6%) 222Pa
223U 92 131 223,02774(8) 21(8) us
[18(+10-5) us]
α 219Th 7/2+#
224U 92 132 224,027605(27) 940(270) us α 220Th 0+
225U 92 133 225,02939# 61(4) ms α 221Th (5/2+)#
226U 92 134 226,029339(14) 269(6) ms α 222Th 0+
227U 92 135 227,031156(18) 1,1(1) min α 223Th (3/2+)
β+ (0,001%) 227Pa
228U 92 136 228,031374(16) 9,1(2) min α (95%) 224Th 0+
CE (5%) 228Pa
229U 92 137 229,033506(6) 58(3) min β+ (80%) 229Pa (3/2+)
α (20%) 225Th
230U 92 138 230,033940(5) 20,8 j α 226Th 0+
FS (1,4×10−10%) (divers)
β+β+ (rare) 230Th
231U 92 139 231,036294(3) 4,2(1) j CE 231Pa (5/2)(+#)
α (0,004%) 227Th
232U 92 140 232,0371562(24) 68,9(4) a α 228Th 0+
DC (8,9×10−10%) 208Pb
24Ne
DC (5×10−12%) 204Hg
28Mg
FS (10−12%) (divers)
233U 92 141 233,0396352(29) 1,592(2)×105 a α 229Th 5/2+
FS(6×10−9%) (divers)
DC (7,2×10−11%) 209Pb
24Ne
DC (1,3×10−13%) 205Hg
28Mg
234U[n 3],[n 4] Uranium II 92 142 234,0409521(20) 2,455(6)×105 a α 230Th 0+ [0,000054(5)][n 5] 0,000050-
0,000059
FS (1,73×10−9%) (divers)
DC (1,4×10−11%) 206Hg
28Mg
DC (9×10−12%) 184Hf
26Ne
24Ne
234mU 1421,32(10) keV 33,5(20) ms 6-
235U[n 6],[n 7],[n 8] Actin Uranium
Actino-Uranium
92 143 235,0439299(20) 7,04(1)×108 a α 231Th 7/2- [0,007204(6)] 0,007198-
0,007207
FS (7×10−9%) (divers)
DC (8×10−10%) 186Hf
25Ne
24Ne
235mU 0,0765(4) keV ~26 min TI 235U 1/2+
236U 92 144 236,045568(2) 2,342(3)×107 a α 232Th 0+
FS (9,6×10−8%) (divers)
236m1U 1052,89(19) keV 100(4) ns (4)-
236m2U 2750(10) keV 120(2) ns (0+)
237U 92 145 237,0487302(20) 6,75(1) j β- 237Np 1/2+
238U[n 4],[n 6],[n 7] Uranium I 92 146 238,0507882(20) 4,468(3)×109 a α 234Th 0+ [0,992742(10)] 0,992739-
0,992752
FS (5,45×10−5%) (divers)
β-β- (2,19×10−10%) 238Pu
238mU 2557,9(5) keV 280(6) ns 0+
239U 92 147 239,0542933(21) 23,45(2) min β- 239Np 5/2+
239m1U 20(20)# keV >250 ns (5/2+)
239m2U 133,7990(10) keV 780(40) ns 1/2+
240U 92 148 240,056592(6) 14,1(1) h β- 240Np 0+
α (10−10%) 236Th
241U 92 149 241,06033(32)# 5# min β- 241Np 7/2+#
242U 92 150 242,06293(22)# 16,8(5) min β- 242Np 0+
  1. Abréviations :
    DC : Désintégration par émission de cluster
    CE : Capture électronique
    TI : Transition isomérique
    FS : Fission spontanée
  2. Isotopes stables en gras
  3. Utilisé en datation par l'uranium-thorium
  4. a et b Utilisé en datation par l'uranium-uranium (en)
  5. Produit de désintégration l'238U
  6. a et b radioisotope Primordial
  7. a et b Utilisé en datation par l'uranium-plomb
  8. Important dans les réacteurs nucléaires

Remarques[modifier | modifier le code]

  • L'évaluation de la composition isotopique est valable pour la plupart des échantillons commerciaux, mais pas tous.
  • La précision de l'abondance isotopique et de la masse atomique est limitée par des variations. Les échelles de variations données sont normalement valables pour tout matériel terrestre normal.
  • Des matériaux disponibles dans le commerce peuvent avoir été soumis à un fractionnement isotopique involontaire ou non indiqué. Il est possible d'avoir des écarts importants entre la masse et la composition données.
  • Il existe des échantillons géologiques exceptionnels dont la composition isotopique est en dehors de l'échelle donnée. L'incertitude sur la masse atomique de tels spécimens peut excéder les valeurs données.
  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont donnée de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent incertitudes élargies.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Uranium Isotopes » (consulté le 14 mars 2012)
  2. CRC Handbook, 57th Ed. p. B-345
  3. CRC Handbook, 57th Ed. p. B-423
  4. http://www.nucleonica.net/unc.aspx