Thorium

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Thorium
ActiniumThoriumProtactinium
Ce
   
 
90
Th
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Th
Uqn
Tableau completTableau étendu
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 232,0377 ± 0,0004 u
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 à faces centrées
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 234mPa
Précautions
Élément radioactif
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 aurait 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), …) dans la lignée du projet de centrale nucléaire au thorium conçue et développée par l'ingénieur français Edgard Nazare dans les années 50[5].

Historique[modifier | modifier le code]

Le thorium a été découvert sous forme d'un minéral noir sur l'île de Løvøy, en Norvège, par Morten Thrane Esmark. Esmark en envoya un échantillon à son père, le 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[6]. 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 Marie Curie et le chimiste 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[7].

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[8].

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[modifier | modifier le code]

Physique et chimie[modifier | modifier le code]

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[9].

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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Isotopes du thorium.

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[10] est de 4,10.103 Bq.g-1

Radiotoxicité[modifier | modifier le code]

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 ne va pas inhaler ou ingérer le thorium.

Il ne représente un danger radiologique potentiel que par inhalation ou ingestion massive - les poumons et les autres organes internes peuvent être atteints par les rayonnements alpha. Une exposition massive à un aérosol de thorium peut conduire à une augmentation du risque de cancer du poumon, du pancréas et du sang. Une ingestion massive de thorium conduit à une augmentation du risque de maladies du foie.

La radiotoxicité du thorium 232 (seul isotope naturel) est évaluée à 2,3×10-7 Sv⋅Bq-1 en ingestion et 1,1×10-4 Sv⋅Bq-1 en inhalation[11]. L'activité massique du thorium étant de 4,1 kBq/g, une dose efficace de un sievert (ordre de grandeur objectivement dangereux) serait atteinte par l'inhalation de 2,22 g de thorium ou par l'ingestion de 1,06 kg de métal : de telles expositions ne sont pas réalistes dans des scénarios d'emploi courants.

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 théorique comme pour tous les isotopes du radon, son état gazeux le rendant susceptible d'être facilement inhalé. Sa très faible demi-vie (55,6 secondes) le rend très peu mobile en pratique. Il reste cependant souhaitable de bien ventiler les zones où le thorium est stocké ou manipulé en quantités importantes.

Géologie et minéralogie[modifier | modifier le code]

La monazite, un phosphate de thorium et de terres rares, principal minerai de thorium.

Abondance et gisements[modifier | modifier le code]

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 terres rares, qui peut contenir jusqu'à environ 12 % d'oxyde de thorium.

Il en existe de grands gisements en France (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[12].

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[modifier | modifier le code]

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[13].

Utilisation[modifier | modifier le code]

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[14](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[modifier | modifier le code]

Isotope fertile[modifier | modifier le code]

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 lent) pour produire après deux émissions bêta un atome d'uranium 233, qui est fissile. Le mécanisme est le suivant : le 232Th absorbe un neutron pour devenir 233Th qui, en principe, émet un électron et un antineutrino (\bar{\nu}_e) par désintégration β- pour se transformer en protactinium 233 (233Pa), lequel émet encore un électron et un anti-neutrino par une deuxième désintégration β- pour se transformer en uranium 233 (233U) avec une période de 27 jours environ :

\mathrm{n + {}^{232}_{\ 90}Th \rightarrow {}^{233}_{\ 90}Th \rightarrow {}^{233}_{\ 91}Pa + e^- + \bar{\nu}_e}
\mathrm{^{233}_{\ 91}Pa \rightarrow {}^{233}_{\ 92}U + e^- + \bar{\nu}_e}

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[modifier | modifier le code]

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'exploitation du thorium par des réacteurs nucléaires à sels fondus paraît aujourd'hui être la voie la plus prometteuse ; elle est à l'étude dans plusieurs pays comme la France, les États-Unis, la Chine[15], l'Inde et le Japon. Des recherches complémentaires ainsi que des moyens financiers et industriels importants sont encore nécessaires pour la réalisation de réacteurs commerciaux. La faisabilité de la technologie paraît cependant presque acquise, l'horizon 2025 étant avancé par les équipes de développement les plus en pointe. En janvier 2012, un avis de l'Académie des Sciences de Paris[16] souligne l'importance pour l'industrie nucléaire de soutenir les recherches sur les technologies émergentes telles que les réacteurs de quatrième génération et la filière du thorium.

Contrôle des matières nucléaires[modifier | modifier le code]

En tant qu'isotope fertile, le thorium est une des matières visées par le traité sur la non-prolifération des armes nucléaires.

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

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Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC,‎ 2009, 89e éd., p. 10-203
  5. cf. "Savants maudits, chercheurs exclus", tome 1, Pierre Lance, Ed. Trédaniel
  6. Thorium, BBC.co, 2007-01-18
  7. Simmons, John, Le scientifique 100, 1996, Seacaucus NJ: Carol.
  8. van Arkel, AE, et Boer, JH: Préparation de titane, de zirconium, hafnium, et le thorium métal. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, vol. 148, p. 345-350, 1925
  9. Emsley John, Nature's Building Blocks, Oxford University Press 2001 (ISBN 0-19-850340-7)
  10. Fiche Tritium de l'IRSN
  11. Arrêté du 1er septembre 2003 définissant les modalités de calcul des doses efficaces et des doses équivalentes.
  12. Http://www.mindat.org/min-2751.html
  13. Crouse, David Brown, Keith (Décembre 1959) "sessid = 6006l3 l'AMEX processus d'Extraction de minerais de thorium avec Alkyl Amines ". Industrial & Engineering Chemistry51 '(12): 1461. Récupérée sur 2007-03-09
  14. Actualités - Le Thorium
  15. [1], China bets on thorium, brand new nuclear programme within 20 years
  16. [2], Avis de l'Académie des Sciences sur la filière nucléaire française

Liens externes[modifier | modifier le code]

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