Thorium

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

Thorium

Échantillon de thorium dans une ampoule.
Actinium ← Thorium → Protactinium
Ce
 
 
90		 Th
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
↑
Th
↓
?
Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Th
Nom Thorium
Numéro atomique 90
Groupe –
Période 7e période
Bloc Bloc f
Famille d'éléments Actinide
Configuration électronique [Rn] 6d2 7s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8,18,32,18,10, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 232,037 7 ± 0,000 4 u
Rayon atomique (calc) 179 pm
Rayon de covalence 206 ± 6 pm[1]
État d’oxydation 4
Électronégativité (Pauling) 1,3
Oxyde Base faible
Énergies d’ionisation[2]
1re : 6,306 7 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.}1,911 6 aα5,520224Ra
229Th{syn.}7 340 aα5,168225Ra
230Th0,02 %75 380 aα4,770226Ra
231Thtraces25,5 hβ0,39231Pa
232Th99,98 %14,05×109 aα4,083228Ra
233Th{syn.}22,3 minβ–1,24233Pa
234Thtraces24,1 jβ–0,199234mPa
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire solide
Masse volumique 11,72 g·cm-3[3]
Système cristallin Cubique à faces centrées
Dureté (Mohs) 3
Couleur Argentée, souvent ternie de noir
Point de fusion 1 750 °C[3]
Point d’ébullition 4 790 °C[3]
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
Chaleur massique 120 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 6,53×106 S·m-1
Conductivité thermique 54 W·m-1·K-1
Divers
No CAS 7440-29-1[4]
No ECHA 100.028.308
Précautions

Radioélément à activité notable
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Il a été découvert en 1829 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius et nommé d'après Thor, dieu nordique 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, avec des risques d'accident nucléaire et une production de déchets très fortement réduits. 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 1950[5].

Historique

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 1829. Berzelius en fit l'analyse, et nomma le nouvel élément thorium, d'après Thor, dieu scandinave du tonnerre[6].

Ce nouveau métal resta pratiquement inutilisé jusqu'à l'invention du manchon à incandescence en 1885. Le thorium sera beaucoup utilisé dans ces lampes jusqu’à ce que le marché s’effondre à la fin de la Première Guerre mondiale[7].

La radioactivité du thorium a été découverte en 1898 indépendamment par la physicienne Marie Curie et le chimiste Gerhard Carl Schmidt[8].

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[9].

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[10].

Au début de l'étude de la radioactivité, le nom d'ionium (symbole Io) avait été donné à l'isotope 230Th, trouvé dans la chaîne de désintégration de l'uranium 238, avant que l'on ne se rendît compte que thorium et ionium étaient chimiquement identiques.

Propriétés

Physique et chimie
Échantillon de thorium dans une ampoule d'argon.

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.

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 : 3 033 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 est constitué presque exclusivement du thorium 232, de très longue demi-vie (14 milliards d'années). En raison de l'abondance significative du thorium 230 (fraction molaire de l'ordre de 2,2-4), le thorium n'est cependant pas un élément mononucléidique[12].

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[13] est de 4,10 × 103 Bq/g.

Radiotoxicité

Le thorium naturel se désintègre plus lentement que la plupart des autres matières radioactives, et les rayonnements α 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, par exemple à la suite d'un feu de thorium dans le contexte de l'industrie nucléaire[14].

Il ne représente un danger radiologique 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 en ingestion et 1,1 × 10−4 Sv/Bq en inhalation[15]. L'activité massique du thorium étant de 4,1 kBq/g, une dose efficace de un sievert (ordre de grandeur objectivement dangereux en une fois) serait atteinte par l'inhalation de 2,22 g de thorium ou par l'ingestion de 1,06 kg de métal. Cependant, d'une part la valeur limite d'exposition annuelle des travailleurs du nucléaire est de 20 mSv (44,4 mg de thorium 232 inhalé), d'autre part ces valeurs sont celles du thorium 232 seul, or le thorium naturel est en équilibre séculaire avec ses descendants, ce qui impose de considérer les radiotoxicités de ceux-ci, il est pour cette raison classé parmi les radionucléides les plus dangereux[16].

Cet élément n'a pas de rôle biologique connu. Il est parfois utilisé comme agent 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
La monazite, un phosphate de thorium et de terres rares, principal minerai de thorium.

Abondance et gisements
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Faiblement radioactif, le thorium 232 se désintègre très lentement (sa demi-vie, 1,405 × 1010 années, égale environ trois fois l'âge de la Terre). Un cinquième seulement du thorium initialement présent sur Terre s'est désintégré pour former, en fin de chaîne radioactive, du plomb 208. Le thorium 232 est par ailleurs le terme de plus longue demi-vie de la chaîne de désintégration du plutonium 244, une radioactivité éteinte.

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 ppm (parties par million) 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[17].

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 (H2SO4). 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 sous forme relativement impur et recueilli[18],[19] puis converti en nitrate de thorium[19].

La réaction entre la monazite et une solution concentrée d'hydroxyde de sodium (NaOH) peut également être exploitée. Celle-ci donne comme produit un hydroxyde solide qui peut ensuite être traité avec un acide inorganique comme l'acide chlorhydrique (HCl). L'addition d'hydroxyde de sodium à la solution obtenue après traitement conduit à la précipitation d'hydroxyde de thorium relativement impur qui peut ainsi être séparé de la solution. L'hydroxyde obtenu est placé au contact d'acide nitrique (HNO3), donnant du nitrate de thorium[19].

Le nitrate obtenu par ces deux procédés est purifié par dissolution dans du phosphate de tributyle dilué dans un hydrocarbure adapté et exposition de la solution obtenue à de l'acide nitrique, ce qui a pour conséquence d'éliminer une grande partie des terres rares résiduelles et d'autres impuretés métalliques. L'uranium éventuellement présent demeure dans la même solution que le thorium. Pour les séparer, la solution de phosphate de tributyle est à nouveau exposée à de l'acide nitrique, laissant l'uranium dans cette solution et entraînant le thorium hors de celle-ci.

Le nitrate de thorium purifié obtenu peut éventuellement être thermolysé pour donner le dioxyde de thorium (ThO2)[19]

La réduction de ThO2 passe par l'intermédiaire du fluorure de thorium (ThF4) formé lors de la réaction entre le dioxyde de thorium et le fluorure d'hydrogène gazeux (HF). ThF4 est ensuite mélangé avec du calcium et un halogénure de zinc (chlorure ou fluorure), l'ensemble étant sous forme pulvérulente. Le mélange, porté à environ 650 °C dans une enceinte spécifique, donne un alliage de thorium et de zinc et du chlorure ou du fluorure de calcium suivant les réactions[19] :

ThF4 + 3 Ca + ZnCl2 ⟶ Th + Zn + 2 CaF2 + CaCl2 ;
ThF4 + 3 Ca + ZnF2 ⟶ Th + Zn + 3 CaF2.

L'alliage résultant est ensuite porté au-dessus de 907 °C, point d'ébullition du zinc, mais en dessous du point de fusion du thorium, laissant une éponge de thorium qui est ensuite fondue et moulée en lingots[19].

Utilisation
Lentille au thorium jaunie par les radiations (à gauche), lentille au thorium similaire après avoir subi un traitement aux ultraviolets (au centre) et lentille sans jaunissement pour comparaison (à droite).

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. C'est la raison pour laquelle certaines électrodes en tungstène utilisées dans les procédés de soudages sous gaz inerte (TIG) sont additionnées d'oxyde de thorium dans des proportions variant entre 0,35 % et 4,20 %. L’amorçage de l'arc électrique s'en trouve facilité tandis que les propriétés réfractaires de l'oxyde augmente la longévité de l'électrode en lui conférant un point de fusion à près de 4 000 °C. On utilise également du thorium pour les électrodes de tubes à décharge en revêtement des filaments de tungstène, ainsi que dans 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.
  • 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[20](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 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 (νe) 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 :

1
0n + 232
90Th ⟶ 233
90Th ⟶ 233
91Pa + e− + νe ;
233
91Pa ⟶ 233
92U + e− + νe.

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'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[21], 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 , un avis de l'Académie des Sciences de Paris[22] 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

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).

Prospective, recherche et développement

En 2018 la Chine, confrontée à une pollution croissante de l'air, notamment due aux énergies fossiles, a annoncé vouloir, parmi d'autres pistes de solutions, développer la recherche sur le thorium dans le pays, visant la construction d'un prototype de réacteur à sel fondu alimenté au thorium vers 2028 (c'est-à-dire en 10 ans plutôt qu'en 25 ans comme annoncé auparavant), qui pourrait théoriquement produire moins de déchets radioactifs qu'une centrale à uranium, avec une durée de vie plus courte (500 ans). Un pôle de recherche devrait être développé à Shanghai avec des chercheurs qui se montrent encore prudents : « nous ignorons encore beaucoup de choses sur les caractéristiques physiques et chimiques du thorium. Il y a tant de problèmes à résoudre en si peu de temps » rappelle le Professeur Li Zhong (notamment sur la gestion de la corrosivité des sels fondus)[23]. Cependant en octobre 2021, la Chine annonce avoir démarré un réacteur expérimental[24], à sels fondus le modèle TMSR-LF1[25].

Notes et références
  1. (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,‎ , p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  2. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., p. 10-203
  3. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
  4. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  5. cf. Pierre Lance, Savants maudits, chercheurs exclus, t. 1, Guy Trédaniel, , 360 p. (ISBN 978-2-84445-457-7).
  6. « 90 - Thorium », sur sagascience.fr, CNRS (consulté le ).
  7. (en) Hecht, Gabrielle, Entangled geographies : empire and technopolitics in the global Cold War, Cambridge (Mass.), MIT Press, , 337 p. (ISBN 978-0-262-51578-8, lire en ligne).
  8. Bernard Fernandez, De l'atome au noyau : Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire, Ellipses, , 597 p. (ISBN 978-2-7298-2784-7), partie I, chap. 3 (« Le polonium et le radium »), p. 26.
  9. Simmons, John, Le scientifique 100, 1996, Seacaucus NJ: Carol.
  10. 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.
  11. (en) John Emsley, Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements, Oxford New York, Oxford University Press, , 538 p. (ISBN 978-0-19-850340-8, OCLC 957020130, lire en ligne).
  12. (en) « Thorium », sur ciaaw.org (consulté le ).
  13. Fiche Tritium de l'IRSN.
  14. Saenger E.L (1959) Planning for a radiation accident. American Industrial Hygiene Association Journal, 20(6), 482-487 (résumé).
  15. Arrêté du 1er septembre 2003 définissant les modalités de calcul des doses efficaces et des doses équivalentes.
  16. D. Delacroix, J.P. Guerre et P. Leblanc, Guide pratique radionucléides et radioprotection : manuel pour la manipulation de substances radioactives dans les laboratoires de faible et moyenne activité, Les Ulis (Essone), EDP Sciences, , 262 p. (ISBN 2-86883-864-2).
  17. Http://www.mindat.org/min-2751.html.
  18. 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 le 9 mars 2007.
  19. (en) Wallace W. Schulz, « Thorium processing », sur britannica.com.
  20. Actualités - Le Thorium.
  21. , China bets on thorium, brand new nuclear programme within 20 years.
  22. « Avis de l'Académie des Sciences sur la filière nucléaire française » [PDF].
  23. Thorium : la face gâchée du nucléaire La tribune | 11/03/2018
  24. « China Opens Reactor That Doesn't Use Uranium » (consulté le )
  25. (en) Smriti Mallapaty, « China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor », Nature, vol. 597, no 7876,‎ , p. 311–312 (DOI 10.1038/d41586-021-02459-w, lire en ligne, consulté le )

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


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  * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142  


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