Uranium

L’uranium naturel

Le minerai d’uranium exploité dans des gisements sédimentaires ou granitiques contient en moyenne 0,1 à 2 % de cet élément chimique. Cette teneur peut exceptionnellement aller jusqu’à 20 %. L’uranium est composé de trois isotopes présents à l’état naturel dans des proportions stables, quel que soit le minerai depuis lequel il est extrait. On parle notamment de l’U 238 (99,2743 %), de l’U 235 (0,7202 %) et de l’U 234 (0,0055 %).

Découverte de l’uranium

L’uranium a été découvert en 1789 par le chimiste, apothicaire et minéralogiste prussien Martin Heinrich Klaproth. À la base, il menait des expériences sur la pechblende, un morceau de roche extrait de la mine de Saint-Joachimsthal qui contenait essentiellement de l’U₃O₈. Après chauffage de ce minéral, Klaproth put en extraire un corps gris métallique qu’il baptisa « urane » ou « uranite ». Cette dénomination faisait référence à la découverte de la planète Uranus réalisée par l’astronome germano-britannique William Herschel en 1781. Ce composé fraîchement identifié fut concrètement l’oxyde d’uranium, et non le corps pur. Il fut rebaptisé uranium en 1790, nom tiré lui-même d’Ouranos (le dieu grec qui personnifie le ciel). Ce métal avait la particularité de rendre les verres fluorescents et les émaux jaune verdâtre.

En 1841, Eugène-Melchior Péligot réussit à l’isoler à l’état de pureté après réduction du tétrachlorure d’uranium (UCl₄) par le potassium. Ce chimiste français établit que l’urane comporte deux atomes d’oxygène ainsi qu’un métal qu’il réussit à isoler. Selon lui, la masse volumique de cet élément est à 19 g/cm³. À ce moment-là, l’uranium entra dans la nomenclature chimique.

Bien des années plus tard, plus précisément le 28 février 1896, Antoine Henri Becquerel découvrit la radioactivité de l’élément U. Ce physicien français est arrivé à cette conclusion quand il constata que des plaques photographiques avaient été impressionnées alors qu’elles n’ont pas été exposées à la lumière. Celles-ci étaient placées à côté de sels d’uranium extraits d’un échantillon de pechblende de Saint-Joachimsthal. Concrètement, les rayonnements des sels ont noirci ces plaques. Bien qu’il fût inconnu jusque-là, ce phénomène physique est la radioactivité naturelle. Le radium et le polonium furent ensuite les premiers éléments naturellement radioactifs découverts par le couple de physiciens Pierre et Marie Curie en 1898.

Exploitation et gisements

On appelle « pechblende », « pechurane », « uranochre » ou « uranirite » le minerai d’uranium. Le Canada, le Niger, l’Australie, le Kazakhstan et la Namibie sont les cinq plus gros producteurs de cet élément chimique. Près des mines, l’élément U se présente sous forme de concentré orange dénommé yellowcake. Cependant, il ne peut pas être employé directement dans les centrales nucléaires de type réacteur à eau pressurisée (PWR). Et pour cause, sa faible concentration en isotope fissile. C’est la raison pour laquelle ce métal est souvent enrichi en U 235 par centrifugation ou diffusion gazeuse. Les centrales de type réacteur CANDU, quant à elles, utilisent l’uranium non enrichi à condition d’employer une grosse quantité d’eau lourde comme modérateur.

Dans les années quatre-vingt, le CREGU (Centre de REcherche sur la Géologie de l’Uranium) a été créé à Vandœuvre-lès-Nancy. Ses travaux étaient structurés en deux axes : faciliter l’accès des prospecteurs à l’uranium et mieux connaître sa géochimie et sa géologie.

En 2019, 57 % de l’uranium extrait dans le monde provenait de la lixiviation in situ (LIS). Également appelée extraction par solution ou récupération in situ (ISR), cette méthode consiste à laisser le minerai là où il se situe dans le sol. Puis, il convient de récupérer les minéraux en les dissolvant, puis de pomper la solution mère acide par un autre puits. En effet, il est plus facile de récupérer les minéraux une fois la solution à la surface.

Abondance et répartition

La désintégration des U 235 et U 238 ainsi que d’autres radionucléides (potassium 40, thorium 232…) entretient en énergie thermique le noyau terrestre. L’uranium est très répandu dans le manteau rocheux terrestre, c’est-à-dire la couche intermédiaire entre le noyau et la croûte. Cette dernière, surtout dans les terrains sédimentaires et granitiques, en contient aussi à une teneur moyenne de 2 à 3 g/t. Également appelée écorce terrestre, elle contient un millier de milliards de tonnes d’uranium. On peut dire, par exemple, qu’un sous-sol de jardin sur un carré de 20 m de côté et une profondeur de 10 m est composé d’environ 24 kg de cet élément.

Classé 48^e parmi les éléments naturels les plus abondants, l’uranium est plus présent que certains métaux rares comme l’argent et l’or. Le CEA et la COGEMA affirment que l’eau de mer en contient environ 3,3 mg/m³. Ce chiffre équivaut à 4,5 milliards de tonnes d’uranium dissous dans les océans. Cet élément chimique compose également les eaux douces en diverses concentrations. En ce qui concerne le Rhône, la concentration moyenne en uranium est de 0,5 μg/l, soit un demi-milligramme par mètre cube. Ainsi, la quantité d’uranium traversant quotidiennement le Rhône est estimée à environ 88 kg, soit près de 30 t/an. Cette masse provient essentiellement du ruissellement des roches uranifères de la chaîne de montagnes des Alpes.

En 2019, les ressources « identifiées » récupérables à un prix inférieur à 260 $ par kilogramme d’uranium étaient évaluées à 8 070 kt. Ces réserves se répartissent comme suit : 4 724 kt sont « raisonnablement assurées » et 3 346 kt, « présumées ». Les ressources récupérables à un coût inférieur à 130 $/kg étaient estimées à 6 148 kt. Elles se répartissent comme suit : 27,5 % sont en Australie, 14,7 % au Kazakhstan et 9,2 % au Canada. Puis, 7,9 % sont en Russie, 7,3 % en Namibie, 5,2 % en Afrique du Sud et 4,5 % au Brésil. Enfin, 4,5 % sont au Niger, 4 % en Chine, 2,3 % en Mongolie, 2,2 % en Ouzbékistan, 0,8 % aux États-Unis… Des réserves « présagées » et « spéculatives » d’élément U sont évaluées à 5 614 kt et se trouvent essentiellement en Mongolie (23 %). On en retrouve aussi au Canada (12,5 %), en Afrique du Sud (12 %) et en Russie (9,6 %). On en voit aussi au Brésil (9 %), en Ukraine (6,7 %), au Vietnam (5,7 %), etc.

Ressources mondiales récupérables d’uranium par pays (en milliers de tonnes)

Liste des pays producteurs d’uranium (production en tonne d’uranium)

En 2017, la production mondiale d’uranium avoisine les 60 000 t. À cela s’ajoutent 17 000 t de réserves de deuxième main, dont l’uranium de qualité militaire et celui servant de combustible MOX. Pourtant, la consommation de ce métal stagne autour de 65 000 t/an. En 2016, les principaux pays producteurs réduisent considérablement leur production et le cours du minerai a diminué de moitié.

La production industrielle connaît des hauts et des bas depuis son lancement après les années quarante-cinq. Elle est de 10 000 t/an en 1953, atteint 50 000 t/an en 1958 et redescend à 30 000 t/an en 1965. Puis, elle remonte à 65 000 t/an en 1980, redescend à 30 000 t/an dans les années quatre-vingt-dix pour remonter encore dans les années 2000.

Selon l’AIEA (Agence internationale de l’énergie atomique), la production mondiale d’uranium est de 58 816 t en 2012. Les trois plus gros producteurs sont le Kazakhstan (36 %), le Canada (15 %) et l’Australie (12 %). Viennent ensuite le Niger (8,2 %), la Namibie (7,9 %), la Russie (5 %), l’Ouzbékistan (4 %) et les États-Unis (3 %).

En ce qui concerne le Kazakhstan, sa production d’uranium a connu un pic dans les années 2000. Elle était de 17 803 t en 2003 alors qu’elle était de 3 300 t en 2001. Comme cette hausse s’est poursuivie, cet État d’Asie centrale est devenu le leader du marché en 2010. Il détenait 33 % de la production mondiale grâce à une exploitation de 17 803 t d’uranium. Il détient également 17 % de la réserve minière du monde. L’OCDE affirme que cette forte exploitation réalisée par le Kazakhstan permit une hausse de plus de 25 % de la production mondiale de 2008 à 2010.

Selon l’AIEA et l’OCDE, bien que les réserves facilement accessibles soient moins exploitées, l’uranium reste l’une des ressources les plus coûteuses qui soient accessibles pour 135 ans. Elles estiment qu’il est possible de multiplier l’énergie provenant de l’uranium naturel par 100 grâce à la surgénération et au retraitement. Ces deux spécificités permettraient de fissionner l’U 238, métal largement plus répandu que l’U 235.

Dans les eaux naturelle et l’eau de mer

La teneur en uranium dans les eaux naturelles diffère d’un endroit à un autre. Elle est notamment de :

• 7,5 µg/l dans le fleuve Jaune (Chine) ;
• 7 µg/l dans le fleuve indo gangétique Gange ;
• 4,94 µg/l dans l’Indus (fleuve d’Asie) ;
• 3,3 µg/l dans l’eau de mer (cela fait référence aux océans et aux mers de la Terre) ;
• 0,56 µg/l dans le Rhône (Europe).

Les concentrations en uranium dans l’eau de Vichy est de 20 µg/l. Par contre, l’eau de Badoit en contient 58 µg/l à la source et 5,45 µg/l, après traitement. Concernant les eaux de boisson en général, l’OMS a fixé le seuil à 15 µg/l jusqu’en 2011, puis à 30 µg/l à partir de cette année-là.

Cinétique hydrogéologique

La capacité de l’uranium à se dissoudre varie selon les conditions d’oxydoréduction du milieu. Cet élément est plus facilement soluble dans des conditions oxydantes, c’est-à-dire lorsque la concentration en oxygène dissous est élevée. La valence IV passe ainsi à VI. Ces conditions favorisent la complexation de l’élément U en solution avec certains ligands. Par ordre d’affinité croissante, on peut citer les phosphates, les nitrates, les groupes hydroxyle et les carbonates. L’adsorption de l’uranium sur les oxyhydroxydes de fer (III) est particulièrement rapide lors de la modification des conditions d’oxydoréduction. Cela renvoie à une baisse de la teneur en oxygène qui provoque une précipitation rapide de l’élément sous forme d’oxyde (UO₂). Ce genre de précipitation est à l’origine de la formation de certains gisements d’uranium tels que la mine d’Oklo.

Synthèse chimique des fluorures d’uranium (UFx)

La synthèse chimique des fluorures d’uranium s’effectue selon deux méthodes distinctes : le raffinage et la conversion.

Effectuée dans le cadre de la voie humide, la première consiste au raffinage préalable par extraction liquide-liquide suivi de la conversion en UF₆. Concrètement, il convient de dissoudre l’oxyde d’uranium dans de l’acide nitrique. Cette opération engendre une solution de nitrate d’uranyle connue sous la formule UO₂(NO₃)₂ qui sera extraite sélectivement par un solvant en milieu acide. Après réextraction et dénitration, l’oxyde d’uranium sera réduit en UO₂, hydrofluoré en UF₄ et fluoré en UF₆. Plusieurs réacteurs d’hydrofluoration ou de fluoration peuvent être utilisés, dont les lits fluidisés, les fours tournants, les réacteurs à flamme et les fours à lit coulant.

La deuxième technique correspond à la voie sèche et consiste à convertir directement l’uranium en UF₆. Pour ce faire, on procède à la précipitation du nitrate d’uranyle par l’ammoniac gazeux afin d’obtenir du diuranate d’ammonium (NH₄)₂U₂O₇. Puis, on réalise la calcination de ce dernier vers 400 °C pour produire de l’UO₃. Ce dernier sera ensuite réduit en UO₂ par l’hydrogène. L’UO₂ sera transformé en UF₄ et en UF₆ dans une succession de lits fluides (par hydrofluoration). Enfin, l’UF₆ liquide subit une distillation sous pression dans deux colonnes en série.

L’U 238 est un isotope fertile, c’est-à-dire qu’il peut produire un isotope fissile à la suite de la capture d’un neutron par ou après désintégration bêta.

L’U 234 n’est ni fertile ni fissile. Il découle de la décomposition radioactive de l’U 238.

Lors de sa fission, l’uranium 235 libère une énergie récupérable en réacteur d’une valeur de 193,2 MeV. Il peut aussi produire 9,6 MeV d’énergie communiquée aux neutrinos inutiles et pratiquement indétectables. Tel est également le cas lors de la fission du plutonium 239. L’atome libère 198,6 MeV d’énergie récupérable ainsi que 8,6 MeV d’énergie communiquée aux neutrinos. Si on compare ces valeurs avec celles des énergies fossiles chimiques, on constate que l’énergie libérée par les combustibles nucléaires est un million de fois plus importante. L’énergie de la combustion de carburants fossiles est de l’ordre de 5 eV par molécule de gaz carbonique produit.

Bien que son potentiel ne soit pas actuellement entièrement exploité, l’uranium naturel produit nettement plus d’énergie que d’autres ressources. En effet, 1 kg de cet élément peut être à l’origine d’environ 500 000 MJ dans un réacteur conventionnel. Pourtant, 1 kg de gaz naturel en produit seulement 49 MJ, 1 kg de pétrole fournit 45 MJ et 1 kg de charbon, 20 à 30 MJ.

Isotopes de l’uranium naturel

L’uranium possède 26 isotopes connus, dont trois uniquement sont présents à l’état naturel (²³⁴U, ²³⁵U et ²³⁸U). Dans une tonne d’uranium naturel pur par exemple, il existe 936,8 kg d’U 238, 7,2 kg d’U 235 et 56 g d’U 234.

Uranium 235 et uranium 238

Les U 235 et U 238 ont respectivement des nombres de masse égaux à 235 et à 238. Ces deux isotopes sont utilisés dans le domaine militaire, mais pas que. Ils peuvent aussi servir dans un processus de datation radiométrique dans le secteur civil.

Comme il a été vu plus haut, l’uranium naturel contient 99,28 % d’U 238, 0,72 % d’U 235 et 0,005 % d’U 234. Ces taux sont pratiquement les mêmes, quelle que soit la teneur en uranium du milieu.

À l’échelle des temps géologiques, la proportion d’uranium 235 diminue. Leur rapport de formation dans une supernova est de 1 à 1,65. Ces chiffres correspondent à la proportion de l’uranium présent sur Terre environ 4,5 milliards d’années auparavant, à peine inférieur à l’âge de la création de ces isotopes.

Lorsque le réacteur nucléaire naturel d’Oklo fonctionnait encore il y a deux milliards d’années, le taux d’uranium 235 était de 4 % environ. Cette proportion a permis à ce gisement d’atteindre la criticité au moment de la précipitation des composés dissous à l’origine de la formation du nouveau minerai.

Uranium 234

L’U 234 est un isotope dont le nombre de masses est égal à 234. Il appartient à la chaîne de désintégration radioactive de l’uranium 238 qui comprend plusieurs étapes. On cite la transition alpha engendrant du thorium 234, puis deux transitions bêta moins donnant du protactinium 234 et enfin de l’uranium 234.

Malgré une demi-vie de 245 500 ans, cet isotope est toujours présent sur Terre à l’état de traces. Lorsqu’il remplit les conditions pour être en équilibre séculaire, la proportion entre ²³⁴U et ²³⁸U est identique au rapport des demi-vies (soit 0,0056 %). Toutefois, il est possible que les rapports isotopiques changent d’un gisement à un autre. Cela est dû à la petite différence de comportement dans la transformation U⁶⁺ en U⁴⁺. Le rapport ²³⁵U/²³⁸U demeure assez constant, alors que le rapport isotopique ²³⁴U/²³⁸U peut être troublé par divers processus environnementaux.

Autres isotopes de l’uranium

Deux autres isotopes de l’uranium sont aussi produits par l’industrie nucléaire. Artificiels, ils sont relativement stables à échelle humaine. On parle en premier lieu de l’isotope 236 qu’on obtient après irradiation du ²³⁵U en réacteur.Il a tendance à s’accumuler dans l’uranium de recyclage. Cet isotope augmente considérablement la radioactivité et baisse le potentiel énergétique de ce dernier. Malgré sa demi-vie de 23 millions d’années qui est presque cinq fois supérieure à celle du ²³⁴U, il a disparu de la Terre depuis longtemps. Il a produit du thorium 232 qui a souvent été confondu avec le ²³²Th initial. De nos jours, il se trouve majoritairement sous cette forme et sous forme d’éléments de sa chaîne de désintégration.

Le second isotope artificiel est un élément fissile produit en réacteur par irradiation du thorium : l’U 233. Il possède une demi-vie de 159 000 ans qui est largement supérieure à celle du plutonium.   

Activité massique

On entend par activité massique ou activité spécifique d’une substance radioactive son activité par unité de masse. Celle de l’uranium dépend à la fois de l’enrichissement de l’élément ainsi que de la fraîcheur de sa purification chimique. Parmi ses isotopes purs, on retient le ²³⁸U ayant une activité spécifique de 12,4 Bq/mg, le ²³⁵U avec 80 Bq/mg et le ²³⁴U, 230 Bq/mg.

Lorsque l’uranium naturel est chimiquement purifié, il a une activité massique de 25 Bq/mg. La radioactivité d’un minerai est naturellement trois à sept fois plus importante lorsqu’il est en équilibre avec tous les éléments radioactifs de sa chaîne de désintégration.

L’uranium enrichi est toujours présent à l’état de traces dans la chaîne de désintégration de l’U 238. Il est plus actif pour deux raisons : la concentration différentielle en ²³⁴U et l’activité plus importante de l’U 235. En effet, il est 10 000 fois plus radioactif que l’U 238. Son activité massique est de l’ordre de 2 500 Bq/mg si l’uranium est de qualité militaire (enrichissement à 90 %). Elle est de 60 Bq/mg pour les enrichissements de 3 %, cas de l’uranium destiné aux centrales nucléaires.

À l’inverse, l’uranium appauvri est presque débarrassé de son descendant (²³⁴U) et de sa fraction de l’isotope 235. Une fois enrichi, il a une activité spécifique de 12,5 Bq/mg, valeur qui se rapproche de celle du ²³⁸U pur. Toutefois, l’équilibre entre l’uranium 238 et ses deux premiers descendants (le ²³⁴Th et le ²³⁴Pa) est rapidement atteint en deux mois. La radioactivité spécifique à l’équilibre est de l’ordre de 41,5 Bq/mg.   

Sections efficaces

En physique des particules ou en physique nucléaire, la section efficace est une grandeur reliée à la probabilité d’interaction d’une particule pour une réaction donnée. On distingue le « σa » qui est la section efficace d’absorption (= capture + fission le cas échéant) et le « σf », la section efficace de fission.Voici les sections efficaces de l’uranium :

Propriétés chimiques

L’uranium est le dernier élément chimique naturel du tableau périodique. Chacun de ses atomes possède entre 125 et 150 neutrons ainsi que 92 protons. Il constitue ainsi l’atome le plus lourd qui existe naturellement sur Terre vu qu’il contient le plus de nucléons. Dur et très dense, l’uranium pur est un métal solide radioactif de couleur grise à blanche.

Cet élément a une propriété pyrophorique, c’est-à-dire que sa température d’auto-inflammation est inférieure à la température ambiante. Par conséquent, il peut s’enflammer spontanément dans cette dernière condition lorsqu’il se présente sous forme de microparticules.

L’uranium possède quatre valences possibles :

• la valence III (rouge) ;
• la valence IV (verte) ;
• la valence V (instable) ;
• la valence VI (jaune).

Les valences IV et VI sont les plus présentes dans les minerais. Le passage de la valence IV à la VI dépend du potentiel redox du milieu. De ce fait, l’uranium est toujours combiné à d’autres éléments chimiques tels que le carbone, l’azote, le soufre et l’oxygène. Ils se présentent sous forme de carbonates, de nitrates, de sulfates et d’oxydes. Par exemple, l’élément U est combiné à l’oxygène dans la pechblende et l’uraninite, deux principaux minerais constitués d’oxyde uraneux (UO₂).

En ce qui concerne les ions uranyle UO₂²⁺, ils se dissolvent facilement dans presque tous les acides tels que l’acide fluorhydrique HF et l’acide nitrique HNO₃. Ils donnent alors des sels d’uranyle comme le nitrate d’uranyle UO₂(NO₃)₂. L’équation de dissolution de l’ion uranyle en sel d’uranyle dans l’acide nitrique est : UO₂²⁺ + 2 NO₃⁻ → UO₂(NO₃)₂.

Dérivés organo-uraniens

À l’instar de la plupart des métaux, l’élément U a une chimie organométallique. En effet, il combine les aspects de la chimie inorganique et ceux de la chimie organique. Il a aussi plusieurs complexes organométalliques connus tels que l’uranocène.

Industrie nucléaire

Dans l’industrie nucléaire, le radium extrait de l’uranium a d’abord été utilisé à des fins médicales. La principale utilisation contemporaine de l’élément U exploite plutôt ses propriétés nucléaires. Comme l’U 235 est un isotope fissile, il est employé dans les réacteurs nucléaires après un éventuel enrichissement. Il a aussi une place importante dans la fabrication d’armes nucléaires une fois qu’il est fortement enrichi. L’U 238 est à la fois fissile (dans les réacteurs à neutrons rapides) et fertile (puisqu’il se transforme en ²³⁹Pu). Ainsi, cette double caractéristique est exploitée dans le cycle du combustible nucléaire si les cycles sont fondés sur la combustion du plutonium. Enfin, l’uranium 233 est fissile en neutrons thermiques, ce qui est à la base d’un cycle surgénérateur fondé sur le thorium.

Médecine nucléaire

La médecine nucléaire fait référence à toutes les applications médicales de la radioactivité en médecine. On parle surtout des sources radioactives non scellées. Parmi les domaines d’application figure l’imagerie fonctionnelle in vivo (scintigraphies et tomographes par émission de positons). On retrouve aussi la radiothérapie métabolique (traitant les maladies bénignes et malignes) ainsi que la radio-immunologie (diagnostic biologique in vitro). Ainsi, la médecine nucléaire est une spécialité à la fois thérapeutique et diagnostique.

Contrôle des matières nucléaires

L’article R1333-1 du Code de la défense vise à protéger les matières nucléaires et les activités associées contre les pertes et les actes de malveillance. Cette réglementation a aussi pour but d’éviter la prolifération nucléaire et de prévenir tout inconvénient ou risque pour l’environnement, la santé, la salubrité et la sécurité publique. Les matières soumises à ces dispositions sont le lithium 6, le tritium, le thorium, le plutonium et l’uranium.

Uranium appauvri

L’uranium appauvri est un sous-produit (résidu apparaissant lors d’une opération chimique) de l’enrichissement de l’élément. Il se démarque par sa dureté et sa densité.

Usage militaire

Dans le domaine militaire, l’uranium appauvri est très apprécié pour ses propriétés mécaniques. Pyrophorique, il est employé comme arme antichar grâce à ses capacités incendiaires et pénétrantes. Lorsqu’il est projeté à très haute vitesse, il traverse facilement les blindages. Il s’enflamme lors de l’impact, ce qui provoque un incendie pouvant exploser le véhicule touché. C’est la raison pour laquelle des obus de 20 à 30 mm des hélicoptères et des avions-chasseurs de chars ont été utilisés pendant les guerres du Golf et du Kosovo. Ce type d’uranium a aussi servi de plaque de blindage.

Selon l’Organisation mondiale de la Santé, les populations se trouvant dans les zones de conflit où de l’uranium appauvri a été employé n’ont pas besoin de dépistage. Elles ne passent pas non plus de contrôle généralisé des éventuels effets de cet élément sur leur santé. Les individus ayant été exposés à des doses excessives sont tenus de consulter leur médecin. Ce dernier les examinera, les traitera s’ils ont des symptômes et assurera le suivi de leur état. En ce qui concerne les militaires blessés par des fragments d’uranium appauvri, l’élément n’a aucun effet indésirable apparent sur leur santé. Des concentrations décelables d’uranium appauvri apparaissent seulement dans leur urine. Plus de 95 % de l’uranium entrant dans l’organisme est éliminé via les urines et les selles.   

Usage civil

Lorsqu’il est complété par du plutonium, l’uranium appauvri devient ce qu’on appelle un combustible MOX. Comme l’U 238 se transforme en plutonium 239 fissile par irradiation, ce combustible nucléaire sert d’élément fertile dans les réacteurs. Il contribue ainsi au recyclage de l’élément Pu.

En aviation, l’uranium appauvri a été utilisé comme contrepoids sur les McDonnell Douglas DC-10, les premiers Boeing 747, les Lockheed L-1011 Tristar… Un contrepoids sert à équilibrer, à amortir ou à ajuster les forces autour d’un axe de rotation. Dans ce domaine, il est progressivement remplacé par l’élément chimique tungstène. Autrefois, la quille de certains voiliers de compétition a aussi contenu ce type d’uranium. Son usage est désormais interdit par la réglementation. Enfin, l’uranium appauvri témoigne une plus grande efficacité en matière de protection radiologique des écrans par rapport au plomb.

Les professionnels ne devraient pas être victimes d’exposition excessive par ingestion d’uranium appauvri si les mesures de sécurité étaient prises sur leur lieu de travail. Les études à long terme démontrent que les troubles de la fonction rénale pouvant apparaître sont temporaires. De ce fait, la fonction rénale revient à la normale une fois la source de l’exposition excessive éliminée.

Imprégnation des populations humaines

Apparemment, l’imprégnation des populations humaines est plus élevée dans les mines d’uranium. Tel est également le cas chez les personnes travaillant dans l’industrie nucléaire, particulièrement dans le raffinage, l’extraction et la production de combustible nucléaire ainsi que son retraitement. Certains militaires ont été potentiellement exposés aux vapeurs ou aux particules de munitions à uranium appauvri dans le golfe Persique en 1990-1991. Ils sont ainsi susceptibles d’avoir développé le « syndrome de la guerre du Golfe ». Toutefois, le rôle de l’uranium appauvri dans le développement de ce syndrome n’a pas encore été prouvé.

Ces individus ont plutôt incorporé de l’uranium à la suite d’une blessure, par inhalation ou par ingestion. Il convient de retourner dans le passé pour connaître leur niveau d’exposition à l’uranium pur et/ou aux composés suivants. On parle du nitrate d’uranyle, de l’hexafluorure d’uranium, du tétrafluorure d’uranium, du tributylphosphate d’uranium, du diuranate d’ammonium, du fluorure d’uranyle et du dioxyde d’uranium. On cite aussi le trioxyde d’uranium, le tétraoxyde d’uranium, l’hexafluorure d’uranium, les effluents uranifères acides, le sesquioxyde d’uranium et le fluorure d’uranyle.

L’épidémiologique à grande échelle a déjà permis d’explorer les effets de l’irradiation externe au milieu des années 2000-2010. Les effets de l’exposition interne, particulièrement le risque de cancer, par l’incorporation des particules d’uranium sont encore mal évalués. C’est la raison pour laquelle la multinationale française Areva (actuelle Orano) a mené le projet Alpha risk project. L’intégration de l’uranium peut aussi passer par l’ingestion de boissons alcoolisées et le tabagisme.

Une évaluation de l’imprégnation d’uranium, de douze autres métaux ou métalloïdes et de quelques polluants organiques par des femmes enceintes a été publiée en 2018. Cette étude a été menée dans le cadre du programme national de biosurveillance. Son volet périnatal a permis de constater que seuls 28 % du panel présentaient une quantité détectable d’uranium dans leurs urines. Le panel comprenait 990 femmes enceintes arrivant à la maternité et ayant accouché en 2011, et ce, sur le territoire français (hors Corse et TOM). Cette étude n’a pas recherché les facteurs d’imprégnation.

Toxicité

Toxicité chimique

La toxicité chimique de l’uranium est identique à celle du plomb. La dose létale pour l’être humain est de quelques grammes.

Le système digestif d’un adulte en bonne santé absorbe généralement entre 0,2 et 2 % de l’uranium contenu dans les aliments et l’eau. Le corps humain absorbe plus facilement les composés solubles de cet élément chimique. Plus de 95 % de l’uranium ingéré sont éliminés dans les selles, car ils ne sont pas absorbés par la muqueuse intestinale. Environ 67 % de l’uranium arrivant dans le sang sont filtrés par les reins et évacués dans les urines dans les 24 heures suivantes. L’organisme intégrera les deux tiers restants, notamment par accumulation dans les os, le foie (16 %), les reins (8 %) et les autres tissus (10 %).

L’OMS recommande un apport journalier en uranium de 1 à 2 µg à travers l’alimentation et l’eau courante. Il est conseillé pour un corps humain en équilibre avec son environnement d’avoir un taux d’uranium d’environ 90 à 150 µg.

Constituant une part essentielle des voies urinaires, le rein est l’organe le plus préjudiciable pour l’organisme en matière de toxicité chimique. Ainsi, il n’est pas étonnant que les professionnels exposés à l’uranium souffrent de troubles rénaux tels que les néphrites. La gravité de ces derniers dépend de la dose ingérée. L’incorporation d’uranium à forte dose provoque, par exemple, la dégradation des tubules proximaux et l’altération des structures glomérulaires. On retrouve aussi la nécrose de l’épithélium tubulaire parmi les effets directs. Tout cela cause une néphropathie sévère, une affection du rein en général. À une époque, certaines données ont affirmé que ces troubles étaient transitoires. En effet, une expérience sur l’animal a prouvé que l’épithélium lésé peut se régénérer après élimination des apports en uranium. Sa situation rénale revient ainsi à la normale après disparition de la source de l’exposition excessive. Plusieurs injections de fluorure d’uranyle (à hauteur de 0,66 ou de 1,32 mg U/kg de poids corporel) ont également été réalisées. Cependant, l’observation histologique démontre que, chez le rat, les cellules lésées ou mortes laissent la place à des cellules peu fonctionnelles et structurellement anormales.

Selon les estimations, le seuil de toxicité chimique rénale est de 16 µg/g de rein ou de 70 µg/kg de poids corporel. Concernant la dose létale 50 par voie orale, elle est de 204 mg/kg pour le rat de laboratoire et de 242 mg/kg pour la souris. Cette dernière est ainsi un peu plus résistante. En 1959, la valeur recommandée par la CIPR (Commission Internationale de Protection Radiologique) était de 3 µg/g dans le rein. Ce seuil est désormais controversé puisque des doses bien inférieures peuvent endommager les tubules proximaux. Par exemple, 0,7 à 1,4 µg/g d’uranium dans le rein suffisent pour induire ces dégâts et causer de la protéinurie (présence de protéines dans l’urine).

Quoi qu’il en soit, la néphrite tubulaire aiguë entraîne la mort de l’animal, car l’uranium non excrété par le rein s’y accumule et se fixe sur les cellules tubulaires proximales. Le milieu devient alors acide et le complexe uranium-uranyle se dissocie afin de se combiner éventuellement avec des composants de la membrane luminale. Les ions uranyle seront ainsi aptes à pénétrer la cellule et se concentreront dans les mitochondries. Ils se regrouperont également dans les lysosomes pour former des aiguilles de phosphate d’uranyle. Des études in vitro ont montré que l’uranium à forte dose peut aussi causer l’apoptose. Il s’agit du processus par lequel les cellules déclenchent leur autodestruction en réponse à un signal. Ce suicide cellulaire est causé par l’activation des enzymes protéases à cystéine et caspases 3 et 9 via des signaux intrinsèques des mitochondries. Des anomalies fonctionnelles telles que la polyurie, la protéinurie et l’élévation sanguine de l’urée et de la créatinine s’ajoutent aux symptômes de la néphropathie. Par ailleurs, les lésions sont plus réversibles et peu conséquentes si le taux rénal d’uranium est bas et que le temps d’exposition est court.

De récentes expériences sur modèle animal de maladie ont montré qu’une exposition chronique à de faibles doses d’uranium appauvri cause la diminution du taux de 1,24,25(OH)₃D₃. On parle ici de perturbation endocrinienne, car la radiotoxicité n’est pas en cause. Des changements des récepteurs nucléaires associés et des modifications moléculaires des enzymes de type cytochromes P450 (CYPs) sont également observés. Ces enzymes protéiques sont présentes dans la plupart des espèces végétales, fongiques et animales. Elles sont importantes pour le métabolisme puisqu’elles contribuent grandement à la détoxication de l’organisme. Cette même étude atteste que l’uranium (qu’il soit appauvri ou enrichi) affecte l’expression des gènes cibles de la vitamine D qui interviennent dans le transport du calcium au niveau rénal. On parle du RXR α (retinoic X receptor alpha) et du VDR (vitamin D receptor).

Radiotoxicité

Si la radioactivité de l’uranium se mesure en becquerels, sa radiotoxicité, quant à elle, se mesure en microsievert (μSv). Elle fait référence à l’effet du rayonnement ionisant de l’élément sur l’Homme. Qu’il soit enrichi ou non, l’uranium a toujours une radioactivité de type alpha, de l’ordre de 4,5 MeV. Ainsi, sa radiotoxicité dépend faiblement de sa composition, mais surtout de son activité massique. Elle est de l’ordre de 0,05 µSv/Bq (F) à 0,008 µSv/Bq (S) en ingestion et de 0,6 µSv/Bq (F) à 7 µSv/Bq (S) en inhalation. Les os et les poumons sont alors les organes critiques.

La toxicité chimique et la radiotoxicité de l’uranium seraient du même ordre de grandeur, bien que la deuxième l’emporte en cas d’enrichissement supérieur à 6 %.

Effets sur la reproduction

L’uranium est un élément reprotoxique, c’est-à-dire qu’il peut altérer la fertilité de l’homme ou de la femme, ou encore le développement de l’enfant à naître. En effet, son effet délétère peut venir de sa chimiotoxicité ou de sa radioactivité, voire des deux.

Chez l’animal, cet élément chimique peut impacter le système reproducteur. Chez le rongeur de laboratoire, la BHT (Barrière Hémato-Testiculaire) censée protéger le testicule peut être atteinte par le polonium, l’américium et le plutonium grâce à la sidérophiline. Également appelée transferrine, il s’agit d’une protéine sérique de type bêtaglobuline synthétisée par le foie. Une quantité considérable d’uranium est trouvée dans les testicules de rats chez lesquels un implant d’uranium a été posé dans le muscle d’une patte. Des souris abreuvées d’eau contenant de l’uranium et des rats ayant reçu des implants sous-cutanés de cet élément développent des cellules de Leydig altérées. Cela perturbe la création d’hormones stéroïdes et provoque la dégradation du sperme. Concrètement, les spermatozoïdes deviennent moins mobiles et moins nombreux. Ce phénomène explique la diminution du nombre de portées et celui des petits chez plusieurs espèces d’animaux ayant fréquemment pris de faibles doses de nitrate d’uranyle. Cette observation a été faite dès 1949. Par ailleurs, de l’uranium est détecté dans le sperme de soldats blessés par des munitions à uranium appauvri. Cela est dû à la présence des récepteurs à la transferrine dans l’épithélium des tubes séminifères humains.

Effets sur le développement

L’uranium provoque une toxicité embryonnaire et fœtale chez la souris ayant reçu un implant dans le muscle d’une de ses pattes. Cet élément chimique est tératogène (à l’origine d’une malformation fœtale) à plus fortes doses. L’embryon peut même mourir à une concentration 50 mg/kg/j pendant 9 jours, ce qui est 20 % inférieur à la dose létale pour l’adulte. Si une souris gestante boit 25 mg/kg d’uranium par jour, elle produit moins de petits. Par la suite, ces derniers auront également des problèmes de survie et de développement.

Les réglementations et les études se fondent généralement sur les effets sur l’animal. Pourtant, les nouvelles techniques de culture cellulaire utilisées lors des premières études ex vivo démontrent que les gonades humaines seraient plus sensibles à l’uranium.

Normes

Les normes et la DSENO (Dose Sans Effet Nocif Observable ou No Observable Adverse Effect Level – NOAEL – en anglais) sont intransigeantes. Certains estiment même que, du fait de sa radioactivité, l’uranium provoque des effets délétères, quelle que soit la dose.

Selon l’OMS, une eau est potable si sa teneur maximale en uranium est de 1,4 mg/l. S’il s’agit d’une eau de boisson courante, cette organisation recommande une concentration inférieure à 0,015 mg/l, notamment cent fois plus faible. Au Canada, la concentration maximale acceptable d’uranium dans de l’eau potable est de 0,02 mg/l.

Prix

Dans les années quatre-vingt, le prix de l’uranium était estimé entre 40 et 50 U$. Le cours a baissé jusque dans les années quatre-vingt-dix à la suite de la découverte de plusieurs gisements d’uranium économiquement exploitables. D’autres raisons peuvent aussi être citées telles que la limitation de la consommation d’électricité selon les politiques d’économie d’énergie. De plus, les réserves d’uranium militaire rassemblées dans le cadre de la guerre froide ont été transformées en stocks civils et employées dans les réacteurs nucléaires à cause de l’assouplissement des tensions américano-soviétiques.

Depuis 2001, le prix du kilogramme de cet élément chimique a augmenté et atteint un pic (298 $) en juin 2007. Plusieurs facteurs sont à l’origine de cette situation : la légère augmentation de production, la diminution des réserves et des évènements ponctuels. Parmi ces derniers, on retrouve l’incendie de la mine Olympic Dam se trouvant dans l’État d’Australie-Méridionale et l’inondation de celle de Cigar Lake au Canada.

En août 2010, le prix de l’uranium redescend à 102 $/kg. En janvier 2011, il était d’environ 138,9 $/kg. L’épuisement des réserves militaires prévu vers 2015 prévoyait une tendance du prix à la hausse.

En mars 2017, l’offre qui surpasse la demande et le faible coût de production des mines du Kazakhstan ont baissé considérablement le cours de l’uranium. Le kilogramme de l’U₃O₈ coûtait environ 52,9 $.

Par ailleurs, le prix de revient du kilowattheure varie moins par rapport à celui de l’uranium. Il est vrai que le coût du cycle du combustible représente près de 20 % du prix de revient du kilowattheure. Toutefois, ce cycle inclut l’ensemble des transformations chimiques et physiques que l’uranium subit pour devenir un combustible utilisable. Le coût de ce dernier constitue environ 5 % du prix final du kilowattheure nucléaire en 2014. Des études économiques montrent pourtant que le prix de cet élément chimique commence à influencer significativement le coût du kilowattheure d’électricité nucléaire. Cet effet est estimé à 110 ou à 220 €/kg d’U₃O₈.

Commerce

Selon les douanes françaises, la quantité d’uranium importée par la France est supérieure à la consommation qui lui est nécessaire. De ce fait, le surplus est exporté sous diverses formes. En 2014, le prix moyen de l’uranium exporté était de 36 000 €/t.