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Thorium

élément chimique de numéro atomique 90 et de symbole Th

Lethoriumest l'élément chimiquedenuméro atomique90, de symbole Th. C'est unmétalde la famille desactinides.

Thorium
Image illustrative de l’article Thorium
Échantillon de thorium dans une ampoule.
Actinium←Thorium→Protactinium
Ce
Structure cristalline cubique

90		 Th
↑
Th
↓
?
Tableau complet•Tableau étendu
Position dans letableau périodique
Symbole Th
Nom Thorium
Numéro atomique 90
Groupe –
Période 7epériode
Bloc Bloc f
Famille d'éléments Actinide
Configuration électronique [Rn]6d27s2
Électronsparniveau d’énergie 2, 8,18,32,18,10, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 232,037 7± 0,000 4u
Rayon atomique(calc) 179pm
Rayon de covalence 206± 6pm[1]
État d’oxydation 4
Électronégativité(Pauling) 1,3
Oxyde Base faible
Énergies d’ionisation[2]
1re:6,306 7eV 2e:11,9eV
3e:20,0eV 4e:28,8eV
Isotopes les plus stables
IsoANPériodeMDEdPD
MeV
228Th{syn.}1,911 6aα5,520224Ra
229Th{syn.}7 340aα5,168225Ra
230Th0,02%75 380aα4,770226Ra
231Thtraces25,5hβ0,39231Pa
232Th99,98%14,05×109aα4,083228Ra
233Th{syn.}22,3minβ–1,24233Pa
234Thtraces24,1jβ–0,199234mPa
Propriétés physiques ducorps simple
État ordinaire solide
Masse volumique 11,72g·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 16,1kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 514,4kJ·mol-1
Volume molaire 19,80×10-6m3·mol-1
Vitesse du son 2 490m·s-1à20°C
Chaleur massique 120J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 6,53×106S·m-1
Conductivité thermique 54W·m-1·K-1
Divers
NoCAS 7440-29-1[4]
NoECHA 100.028.308
Précautions
Élément radioactif
Radioélémentà activité notable
Unités duSI&CNTP,sauf indication contraire.
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Il a été découvert en 1829 par le chimiste suédoisJöns Jacob Berzeliuset nommé d'aprèsThor,dieu nordique dutonnerre.

Ses principales applications sont dans les alliages demagnésiumutilisés pour les moteurs d'aéronefs. Il aurait un énorme potentiel commecombustible nucléaire,présentant des risques d'accident nucléaireet une production de déchets très fortement réduits. Cette voie est encore en cours d'exploration, divers types de réacteurs étant conçus:réacteur nucléaire piloté par accélérateur,à sels fondus,à très haute température…

Historique

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Le thorium a été découvert sous forme d'unminéralnoir sur l'île deLøvøya,enNorvège,parMorten Thrane Esmark.Esmark en envoya un échantillon à son père, le professeurJens Esmark,minéralogistedistingué, qui ne fut pas en mesure de l'identifier et en envoya un échantillon au chimiste suédoisJöns Jacob Berzeliuspour examen en 1829. Berzelius en fit l'analyse, et nomma le nouvel élémentthorium,d'aprèsThor,dieu scandinavedu tonnerre[5].

Ce nouveau métal resta pratiquement inutilisé jusqu'à l'invention dumanchon à incandescenceen 1885. Le thorium sera beaucoup utilisé dans ces lampes jusqu’à ce que le marché s’effondre à la fin de laPremière Guerre mondiale[6].

La radioactivité du thorium a été découverte en 1898 indépendamment par la physicienneMarie Curieet le chimisteGerhard Carl Schmidt[7].

Entre 1900 et 1903,Ernest RutherfordetFrederick Soddydémontrèrent que le thorium se désintègre suivant une loi dedécroissance exponentielleen une série d'autres éléments. Ce constat conduisit à identifier lademi-viecomme l'une des caractéristiques importantes associées auxparticules α,et ces expériences les conduisirent à leur théorie de laradioactivité[8].

Laméthode de la zone fondue,découverte parEduard van ArkeletJan Hendrik de Boeren 1925, permit de produire du thorium métallique de haute pureté[9].

Au début de l'étude de la radioactivité, le nom d’ionium(symbole Io) a été donné à l'isotope230Th,trouvé dans lachaîne de désintégrationde l'uranium 238,avant que l'on ne se rendît compte que thorium et ionium étaient chimiquement identiques.

Propriétés

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Physique et chimie

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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'oxydequi le protège. Toutefois, quand il est exposé à l'oxygène,le thorium ternit lentement dans l'air, devient gris et finalement noir.

Ledioxyde de thorium(ThO2) est l'un des meilleursmatériaux réfractairesavec unetempérature de fusionde3 300°C[10].

Le thorium métal en poudre est souventpyrophoriqueet 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 033Kentre son point de fusion et sonpoint d'ébullitionàpression atmosphérique.

Isotopes

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Article détaillé:Isotopes du thorium.

Tous lesisotopesdu thorium sont radioactifs. Le thoriumnaturelest constitué presque exclusivement duthorium 232,de très longuedemi-vie(14 milliardsd'années). En raison de l'abondance significative duthorium 230(fraction molairede l'ordre de 2,2-4), le thorium n'est cependant pas unélément mononucléidique[11].

Lethorium 232est unisotope fertile:en absorbant unneutron,il se transmute enthorium 233(radioactif), qui se désintègre ensuite enprotactinium 233(radioactif), qui se désintègre à son tour enuranium 233,fissile.

Sonactivité massiqueest de 4,10 × 103Bq/g[12].

Radiotoxicité

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Le thorium naturel se désintègre plus lentement que la plupart des autres matières radioactives, et lesrayonnements αémis ne peuvent pas pénétrer la peau humaine. La détention et la manipulation de petites quantités de thorium, comme celles contenues dans unmanchon 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[13].

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 decancerdu poumon,du pancréasetdu sang.Une ingestion massive de thorium conduit à une augmentation du risque demaladies du foie.

La radiotoxicité duthorium 232(seulisotope naturel) est évaluée à 2,3 × 10−7Sv/Bqen ingestion et 1,1 × 10−4Sv/Bqen inhalation[14].L'activité massique du thorium étant de 4,1kBq/g,une dose efficace de unsievert(ordre de grandeur objectivement dangereux en une fois) serait atteinte par l'inhalation de 2,22gde thorium ou par l'ingestion de 1,06kgde métal. Cependant, d'une part la valeur limite d'exposition annuelle des travailleurs du nucléaire est de 20mSv(44,4mgdethorium 232inhalé), d'autre part ces valeurs sont celles duthorium 232seul, or le thorium naturel est enéquilibre séculaireavec ses descendants, ce qui impose de considérer les radiotoxicités de ceux-ci. Il est pour cette raison classé parmi les radionucléides les plus dangereux[15].

Cet élément n'a pas de rôle biologique connu. Il est parfois utilisé commeagent de contrastepour lesradiographies.

Lachaîne de désintégrationdu thorium produit du « thoron » (220Rn), qui est un émetteur alpha et présente un risque radiologique théorique comme pour tous les isotopes duradon,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

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Lamonazite,un phosphate de thorium et deterres rares,principal minerai de thorium.

Abondance et gisements

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L'abondance terrestre duthorium 232est trois à quatre fois plus grande que celle de l'uranium 238[16]

Faiblement radioactif, lethorium 232se désintègre très lentement (sademi-vie,1,405 × 1010années, 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 dechaîne radioactive,duplomb 208.Lethorium 232est par ailleurs le terme de plus longue demi-vie de lachaîne de désintégrationduplutonium 244,uneradioactivité éteinte.

Le thorium se trouve en petites quantités dans la plupart des roches etsols,il est quatre fois plus abondant que l'uranium,à peu près aussi fréquent que leplomb.Un terrain normal contient en moyenne environ 12ppm(parties par million) de thorium.

Le thorium se rencontre dans plusieursminéraux.Les minerais de thorium sont lathoriteThSiO4,lathorianiteThO2et surtout lamonazite(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), enAustralie,enIndeet enTurquie.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][réf. non conforme].

D'autresisotopes du thoriumse rencontrent à l'état detraces.Dans lachaîne de désintégrationdu thorium (le228Th;1,91 an); de l'uranium 238(le230Th; 75 000 ans); et de l'uranium 235(le231Th; 25,6 heures). Leur courte durée de vie entraîne uneactivité massiqueimportante, et les rend beaucoup plus radioactifs que232Th; mais en masse, ils sont d'une abondance négligeable.

Extraction minière

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Le thorium est principalement extrait de lamonazite,par un traitement en plusieurs étapes.

Dans un premier temps, le sable de monazite est dissous dans unacide inorganiquetel que l'acide sulfurique(H2SO4). Dans un deuxième temps, le thorium est extrait dans une phase organique contenant uneamine.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 impure, et recueilli[18],[19]puis converti ennitrate 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 thoriumrelativement 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 duphosphate de tributyledilué dans unhydrocarbureadapté et exposition de la solution obtenue à de l'acide nitrique, ce qui a pour conséquence d'éliminer une grande partie desterres raresrésiduelles et d'autres impuretés métalliques. L'uraniuméventuellement 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 êtrethermolysépour donner ledioxyde de thorium(ThO2)[19]

La réduction de ThO2passe par l'intermédiaire dufluorure de thorium(ThF4) formé lors de la réaction entre le dioxyde de thorium et lefluorure d'hydrogènegazeux (HF). ThF4est ensuite mélangé avec ducalciumet unhalogénuredezinc(chlorure ou fluorure), l'ensemble étant sous forme pulvérulente. Le mélange, porté à environ650°Cdans 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 de907°C,point d'ébullitiondu zinc, mais en dessous dupoint de fusiondu thorium, laissant uneépongede thorium qui est ensuite fondue et moulée en lingots[19].

Utilisation

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

Le thorium a de nombreuses applications industrielles.

  • Électrode,cathode:le thorium possède untravail de sortiebas, ce qui permet une intense émission d'électrons parémission 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 de4 000°C.On utilise également du thorium pour les électrodes de tubes à décharge en revêtement des filaments detungstène,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 unindice de réfractionélevé et une faibledispersion,ce qui diminue l'aberration optique.
  • Manchon à incandescence:on utilise la très mauvaiseconductivité thermiquede l'oxyde de thorium (en mélange avec l'oxyde decérium) pour augmenter la température des manchons d'éclairage et donc leur luminosité.
  • Produitréfractaire(creuset): Pour les applications à haute température de matériau céramique, par addition d'oxyde de thorium, on obtient un type deporcelainetrès 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 lecrackinget l'extraction d'hydrocarbures de carbone, et pour la production industrielle d'acide sulfurique.
  • L'oxyde de thorium a été utilisé dans lesannées 1930et 1940 pour préparer lethorotrast,une suspension colloïdale injectable utilisée commeproduit de contrasteenradiologieà cause de ses qualités d'absorption desrayons X.Le produit sans effet secondaire immédiat s'est révélécancérogèneà long terme sous l'effet desparticules αémises par lethorium 232.La substance est inscrite sur laliste des produits cancérogènes pour l'homme.Depuis lesannées 1950,ce produit a été remplacé par des molécules iodées hydrophiles, universellement utiliséesaujourd'hui[Quand?]comme agents de contraste pour les examens auxrayons X.

Industrie nucléaire

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Isotope fertile

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Le thorium, ainsi que l'uraniumet leplutonium,peut être utilisé comme combustible dans unréacteur nucléaire.Bien qu'il ne soit pasfissiblelui-même,232Th est unisotope fertilecomme l'uranium 238.En réacteur, il est susceptible d’absorber unneutron(thermique ou lent) pour produire après deux émissions bêta un atome d'uranium 233,qui est fissile. Le mécanisme est le suivant: le232Th absorbe un neutron pour devenir233Th qui, en principe, émet unélectronet unantineutrino(νe) pardésintégration β−pour se transformer enprotactinium 233(233Pa), lequel émet encore un électron et un anti-neutrino par une deuxième désintégration β−pour se transformer enuranium 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 233séparé du thorium (ce qui est un processus relativement simple puisqu'il s'agit d'une séparation chimique et non d'uneséparation isotopique), et réinjecté dans un autre réacteur dans le cadre d'uncycle du combustible nucléairefermé.

Cycle du thorium

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Article détaillé:Cycle du combustible nucléaire au 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(235U) et leplutonium 239(239Pu). 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 duplutonium 239augmente considérablement, dépassant celui du thorium). À partir de matières fissibles (235U ou239Pu), il est possible de l'utiliser dans un cyclesurgénérateurplus 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 desréacteurs nucléaires à sels fondusparaîtaujourd'hui[Quand?]être la voie la plus prometteuse; elle est à l'étude dans plusieurs pays dont la France, les États-Unis, la Chine[20],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 Parissouligne 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[21].

Contrôle des matières nucléaires

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Article détaillé:Contrôle des matières nucléaires.

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

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

Prospective, recherche et développement

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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'unprototypederéacteur à sel fondualimenté au thorium vers 2028 (c'est-à-dire en10 anset non25 anscomme 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 àShanghaiavec 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)[22].

Cependant en,la Chine annonce avoir démarré un réacteur expérimental[23],à sels fondus le modèleTMSR-LF1(en)[24].

Notes et références

modifier
  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(DOI10.1039/b801115j)
  2. ↑(en)David R. Lide,CRC Handbook of Chemistry and Physics,CRC,,89eéd.,p.10-203
  3. ↑abetc(en)David R. Lide,CRC Handbook of Chemistry and Physics,CRC Press Inc,,90eéd.,2804p.,Relié(ISBN978-1-420-09084-0)
  4. ↑Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  5. ↑«90 - Thorium», sursagascience.com,CNRS(consulté le).
  6. ↑(en)Gabrielle Hecht(en),Entangled geographies: empire and technopolitics in the global Cold War,Cambridge (Mass.),MIT Press,,337p.(ISBN978-0-262-51578-8,lire en ligne).
  7. ↑Bernard Fernandez,De l'atome au noyau: Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire,Ellipses,,597p.(ISBN978-2-7298-2784-7),I,chap.3 (« Le polonium et le radium »),p.26.
  8. ↑Simmons, John,Le scientifique 100,1996, Seacaucus NJ, Carol.
  9. ↑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.
  10. ↑(en)JohnEmsley,Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements,Oxford New York,Oxford University Press,,538p.(ISBN978-0-19-850340-8,OCLC957020130,lire en ligne).
  11. ↑(en)«Thorium», surciaaw.org(consulté le).
  12. ↑Fiche Tritium[PDF],IRSN.
  13. ↑(en)Saenger E.L (1959)Planning for a radiation accident.American Industrial Hygiene Association Journal,20(6), 482-487 (résumé).
  14. ↑Arrêté dudéfinissant les modalités de calcul des doses efficaces et des doses équivalentes.
  15. ↑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,,262p.(ISBN2-86883-864-2).
  16. ↑«Actualités - Le Thorium»(Archive.org•Wikiwix•Archive.is•Google•Que faire?),surCogema.
  17. ↑http://www.mindat.org/min-2751.html.
  18. ↑(en)David Crouse, Keith Brown, «l'AMEX processus d'Extraction de minerais de thorium avec Alkyl Amines[PDF]»,Industrial & Engineering Chemistry,51 (12),,p.1461(consulté le).
  19. ↑abcdeetf(en)Wallace W. Schulz, «Thorium processing», surEncyclopædia Britannica Online.
  20. ↑(en)Andrew Orlowski(en),«China bets on thorium», surThe Register(consulté le).
  21. ↑«https://www.academie-sciences.fr/fr/Rapports-ouvrages-avis-et-recommandations-de-l-Academie/avis-de-l-academie-des-sciences-sur-la-filiere-nucleaire-francaise.html»[PDF],.
  22. ↑«Thorium: la face gâchée du nucléaire», surLa Tribune,(consulté le).
  23. ↑(en)«China Opens Reactor That Doesn't Use Uranium»,(consulté le).
  24. ↑(en)SmritiMallapaty,«China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor»,Nature,vol.597,no7876,‎,p.311–312(DOI10.1038/d41586-021-02459-w,lire en ligne,consulté le).

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
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7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
8 119 120 *
* 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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