Thorium

Les propriétés de la substance

Plusieurs points sont à mettre en exergue sur les caractéristiques physiques et chimiques du thorium.

Propriétés physiques et chimiques de la substance

Le thorium à l’état pur se présente comme un métal de couleur gris-blanc. Il peut garder son lustre pendant quelques mois en raison de la présence d’un oxyde qui le protège. L’oxygène est notamment l’élément qui le ternit. Ainsi, une fois exposé à l’air, il devient gris, puis noircit totalement.

Le dioxyde de thorium (ThO2) constitue l’un des meilleurs matériaux rétractiles. Il dispose d’une température de fusion de 3 300 °C.

En principe, la poudre de Th métal est pyrophorique, d’où la nécessité de le manipuler avec soin. Une fois chauffés dans l’air, les copeaux de Th peuvent s’enflammer et brûler tout en brillant avec une lumière blanche.

Le thorium est l’élément ayant la température de plage la plus élevée pour son état liquide. En l’occurrence, à pression atmosphérique, on a 3 033 K entre son point d’ébullition et son point de fusion.

Isotopes du thorium

Les isotopes du Th sont tous radioactifs. À l’état naturel, le thorium se compose uniquement de ²³²Th disposant d’une très longue demi-vie de 14 milliards d’années. L’abondance considérable du ²³⁰Th ne rend pas cet élément mononucléidique. Le ²³²Th constitue un isotope fertile qui se transmute en ²³³Th radioactif après l’absorption d’un neutron. Suite à cela, l’élément se désintègre en protactinium 233 qui se décompose et devient de l’uranium 233 (fissile).

L’activité massique de la substance est de 4,10 × 103 Bq/g.

Radiotoxicité de l’élément

Par rapport aux autres matières radioactives, le thorium naturel se désintègre plus lentement. En outre, les rayonnements α émis ne peuvent pas pénétrer la peau humaine.

Même en petite quantité, il est dangereux de détenir et de manipuler cet élément comme celles présentes dans un manchon à incandescence. Il est donc préférable de ne pas inhaler ou avaler la substance, par exemple à la suite d’un feu de Th dans l’industrie nucléaire.

Le Th constitue un danger radiologique pour les poumons et les autres organes internes une fois inhalé ou ingéré en grande quantité. Les rayonnements α sont notamment les principales menaces qui agissent sur ces parties du corps humain. Ainsi, le risque de cancer du poumon, du pancréas ou du sang s’accroît à la suite d’une exposition massive à un aérosol de Th. L’ingestion d’une dose importante de l’élément augmente aussi le risque de maladies du foie.

Étant consommée, la radiotoxicité du thorium 232 (unique isotope naturel) est de 2,3 × 10^-7 Sv/Bq. Elle est de 1,1 × 10^-4 Sv/Bq lorsqu’on l’inhale. Il faut noter que l’activité massique du Th est de 4,1 kBq/g. À cet effet, on peut atteindre une dose efficace d’un sievert par inhalation de 2,22 g ou par ingestion de 1,06 kg de Th. Cela reste, cependant, dangereux à réaliser en une seule fois.

La valeur limite d’exposition des travailleurs nucléaires par an est de 20 mSv. Cela correspond à 4,44 mg de ²³²Th inhalé. On ne compte ici que la valeur d’exposition annuelle du ²³²Th. Le Th naturel est, néanmoins, en équilibre séculaire avec ses descendants. Ainsi, on peut considérer la radiotoxicité de ceux-ci. Cet élément se trouve alors parmi les radionucléides les plus nocifs qui existent.

Le thorium ne joue aucun rôle connu dans la biologie. En revanche, il sert parfois d’agent de contraste pour les radiographies.

On peut obtenir du « thoron » (²²⁰Rn), un émetteur α, dans la chaîne de désintégration du thorium. Il présente un risque radiologique théorique au même titre que tous les isotopes du radon. Il se présente à l’état gazeux. On peut donc l’inhaler facilement. En pratique, il est très peu mobile en raison de sa demi-vie très faible (55,6 s). Il convient alors de bien ventiler les endroits où l’on stocke et manipule le Th en grande quantité.

La géologie et la minéralogie du thorium

Il faut aussi parler de la présence de l’élément sur Terre. Ci-après les détails.

Abondance et gisements de l’élément

Le thorium 232 est trois à quatre fois plus abondant que l’uranium 238 sur la planète. Il est peu radioactif et se désintègre tout en douceur. Sa demi-vie est de 1 405 × 1010 années. Cela correspond à trois fois l’âge de la Terre. Seulement un cinquième du Th présent sur cette dernière s’est désintégré pour donner du plomb 208 en fin de chaîne radioactive. Le ²³²Th est l’élément possédant la plus longue demi-vie dans la chaîne de désintégration du ²⁴⁴Pu. Il s’agit d’une radioactivité éteinte.

Le thorium est présent en petite quantité dans la majorité des roches et des sols. Par rapport à l’uranium, il est quatre fois plus abondant. Cependant, il est presque aussi fréquent que le plomb. Dans un terrain normal, il existe 12 ppm (parties par million) de Th.

On peut trouver cet élément dans plusieurs minéraux. Les minerais de Th sont la thorianite ThO₂ et la monazite (Ce,La,Nd,Th)PO₄. Ce dernier est le plus commun. On a aussi le phosphate de thorium et de terres rares contenant 12 % ThO₂.

Les gisements majeurs de Th se situent en France, en Australie, en Inde et en Turquie. Par ailleurs, de la monazite avec une teneur importante en Th est présente en Afrique, en Antarctique et en Australie. On peut aussi trouver cela en Europe, en Amérique du Nord et en Amérique du Sud.

Il est possible de distinguer des isotopes du thorium à l’état de traces. En l’occurrence, dans la chaîne de désintégration de l’élément (²²⁸Th, 1,91 an). De plus, on a celle de l’uranium 238 (le ²³⁰Th, 75 000 ans) et de l’uranium 235 (le ²³¹Th, 25,2 h). En raison de leur courte durée de vie, leur activité massique est importante. Cela les rend plus radioactifs que le ²³²Th. Pourtant, en termes de masse, ils sont peu abondants.

Extraction minière du thorium

Le thorium provient de la monazite et son traitement se fait en plusieurs étapes. D’une part, on dissout le sable de monazite dans un acide inorganique, dont l’acide sulfurique (H₂SO₄). D’autre part, on extrait le Th dans une phase organique se composant d’une amine. On le sépare ensuite avec des ions tels que les nitrates, le chlorure, l’hydroxyde et le carbonate. Cela fait passer l’élément en phase aqueuse. On précipite le Th sous forme impure et on le recueille pour le convertir en nitrate de thorium.

Il est aussi possible d’exploiter la réaction entre la monazite et une solution concentrée d’hydroxyde de sodium (NaOH). Une fois traité avec un acide inorganique tel que l’acide chlorhydrique (HCl), il produit un hydroxyde solide. On peut aussi ajouter de l’hydroxyde de sodium à la solution pour obtenir de l’hydroxyde de thorium relativement impur. Il est possible de séparer ce dernier de la solution. Lorsque l’hydroxyde obtenu se trouve au contact d’acide nitrique (HNO₃), on obtient du Th(NO₃)₄.

On peut purifier le nitrate résultant par dissolution dans du phosphate de tributyle dilué dans un hydrocarbure adapté. Il convient ensuite d’exposer la solution à de l’acide nitrique. En conséquence, on peut éliminer la majorité des terres rares résiduelles et d’autres impuretés métalliques. L’U reste dans la même solution que le Th. Pour les séparer, il faut exposer le phosphate de tributyle à de l’acide nitrique. Cela laisse l’uranium dans cette solution. Le Th est alors extrait.

Une fois purifié, on peut thermolyser le nitrate de thorium pour obtenir du ThO₂.

Pour réduire ce dernier, il faut passer par le ThF₄ qui se forme grâce à la réaction entre le ThO₂ et le HF gazeux. On mélange ensuite du ThF₄ avec du calcium et un halogénure de zinc, le tout sous forme pulvérulente. On expose le mélange à une température avoisinant les 650 °C pour donner un alliage de thorium et de zinc. On peut aussi obtenir du chlorure ou du fluorure de calcium en fonction des réactions.

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

ThF₄ + ³Ca + ZnF₂ ⟶ Th + Zn + ³CaF₂. On porte ensuite l’alliage obtenu à une température supérieure à 907 °C. Il s’agit du point d’ébullition du Zn, mais le point de fusion du Th est en dessous. Cela laisse une éponge de Th fondue et moulée en lingots.

L’élément dans l’industrie nucléaire

Le Th joue un rôle important dans l’industrie nucléaire. Ses propriétés sont en effet très utiles dans ce domaine.

Isotope fertile

Il est possible d’utiliser le thorium, l’uranium et le plutonium comme combustible dans un réacteur nucléaire. Au même titre que le ²³⁸U, le ²³²Th constitue un isotope fertile malgré le fait qu’il n’est pas fissile. En réacteur, il peut absorber un neutron et produire un atome d’uranium 233 fissile après deux émissions β.

En absorbant un neutron, le ²³²Th devient du ²³³Th. Ce dernier émet un électron et un antineutrino par désintégration β. Il se transforme alors, par une seconde désintégration β, en protactinium 233 (²³³Pa) qui émet un électron et un antineutrino. Puis, au bout d’une période d’environ 27 jours, il devient du ²³³U.

Ensuite, il est possible d’irradier le combustible du réacteur. On peut alors séparer le ²³³U du Th. Ce processus est relativement simple, car il convient de réaliser une séparation chimique et non isotopique. On injecte alors le combustible dans un autre réacteur pour le cycle du combustible nucléaire fermé.

Cycle du thorium

Le ²³³U est un produit fissile. Cependant, ses propriétés sont plus avantageuses que les deux autres isotopes fissiles utilisés dans l’industrie nucléaire (le ²³⁵U et le ²³⁹Pu).

L’élément fissionne une fois avec des neutrons lents. Il produit alors plusieurs neutrons dès qu’il en absorbe un. On peut s’en servir dans un cycle surgénérateur plus efficace que celui qui est possible avec l’uranium ou le plutonium. Cela se fait avec des matières fissibles telles que le ²³⁵U et le ²³⁹Pu.

Divers moyens permettent d’exploiter l’énergie du thorium. Par exemple, on a les réacteurs nucléaires à sels fondus qui constituent la voie la plus prometteuse. Plusieurs pays dont la France, les États-Unis, la Chine, l’Inde et le Japon étudient déjà cette option. Il faut, cependant, davantage de recherches ainsi que des moyens financiers et industriels considérables pour réaliser des réacteurs commerciaux. Il semble que la faisabilité de la technologie est presque acquise. Les équipes de développement les plus actives avancent d’ailleurs l’horizon 2025.

En janvier 2012, l’Académie des sciences de Paris a émis un avis concernant l’importance de soutenir les recherches sur les technologies émergentes pour l’industrie nucléaire. Il s’agit principalement des réacteurs de quatrième génération et de la filière du Th.

Contrôle des matières nucléaires

Le thorium est un isotope fertile. À cet effet, il fait partie des matières visées par le traité sur la non-prolifération des armes nucléaires.

En France, cet élément constitue une matière nucléaire que l’on ne peut pas détenir à son gré. Sa possession est soumise à une réglementation.

Thorium : prospective, recherche et développement

Les Chinois comptent mener des recherches sur le Th, car ils ont constaté une pollution croissante de l’air due aux énergies fossiles. Ils prévoient notamment de construire un prototype de réacteur à sel fondu alimenté au thorium en 2028. En théorie, cela produirait moins de déchets radioactifs qu’une centrale à uranium. Sa durée de vie est aussi plus courte (500 ans).

Ils envisagent de développer un pôle de recherche à Shanghai, mais les chercheurs restent prudents. En octobre 2021, les scientifiques ont démarré un réacteur expérimental, à sels fondus. Il s’agit du modèle TMSR-LF.