Thorium

Modèle:Infobox Élément/Thorium Le thorium est un élément chimique, un métal de la famille des actinides, de symbole Th et de Modèle:Nobr.

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, présentant des risques d'accident nucléaire et 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

Le thorium a été découvert sous forme d'un minéral noir sur l'île de Løvøya, 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 Jacob Berzelius pour examen en 1829. Berzelius en fit l'analyse, et nomma le nouvel élément thorium, d'après Thor, dieu scandinave du tonnerre<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

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<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

La radioactivité du thorium a été découverte en 1898 indépendamment par la physicienne Marie Curie et le chimiste Gerhard Carl Schmidt<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

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, et ces expériences les conduisirent à leur théorie de la radioactivité<ref>Simmons, John, Le scientifique 100, 1996, Seacaucus NJ, Carol.</ref>.

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<ref>van Arkel, AE, et Boer, JH : Préparation de titane, de zirconium, hafnium, et le thorium métal. Modèle:Lang, Modèle:Vol., Modèle:P., 1925.</ref>.

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

Propriétés

Physique et chimie

Fichier:Thorium sample 0.1g.jpg

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 dioxyde de thorium (Modèle:Fchim) est l'un des meilleurs matériaux réfractaires avec une température de fusion de Modèle:Tmp<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

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 : Modèle:Unité 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 Modèle:Nobr, de très longue demi-vie (Modèle:Nobr d'années). En raison de l'abondance significative du Modèle:Nobr (fraction molaire de l'ordre de Modèle:Val), le thorium n'est cependant pas un élément mononucléidique<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Le Modèle:Nobr est un isotope fertile : en absorbant un neutron, il se transmute en Modèle:Nobr (radioactif), qui se désintègre ensuite en Modèle:Nobr (radioactif), qui se désintègre à son tour en Modèle:Nobr, fissile.

Son activité massique est de Modèle:Unité<ref>Fiche Tritium Modèle:Pdf, IRSN.</ref>.

Radiotoxicité

Le thorium naturel se désintègre plus lentement que la plupart des autres matières radioactives, et les [[Radioactivité α|Modèle:Nobr]] 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<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Saenger E.L (1959) Modèle:Lang. Modèle:Lang, 20(6), 482-487 (résumé).</ref>.

Il ne représente un danger radiologique que par inhalation ou ingestion massive Modèle:Incise. 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 Modèle:Nobr (seul isotope naturel) est évaluée à Modèle:Unité en ingestion et Modèle:Unité en inhalation<ref>Arrêté du Modèle:Date- définissant les modalités de calcul des doses efficaces et des doses équivalentes.</ref>. L'activité massique du thorium étant de Modèle:Unité, une dose efficace de un sievert (ordre de grandeur objectivement dangereux en une fois) serait atteinte par l'inhalation de Modèle:Unité de thorium ou par l'ingestion de Modèle:Unité de métal. Cependant, d'une part la valeur limite d'exposition annuelle des travailleurs du nucléaire est de Modèle:Unité (Modèle:Unité de Modèle:Nobr inhalé), d'autre part ces valeurs sont celles du Modèle:Nobr 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<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

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 (Modèle:Nombre) 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

Fichier:MonaziteUSGOV.jpg

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

Abondance et gisements

Modèle:Section à sourcer L'abondance terrestre du Modèle:Nobr est trois à quatre fois plus grande que celle de l'Modèle:Nobr<ref>Modèle:Lien brisé.</ref>

Faiblement radioactif, le Modèle:Nobr se désintègre très lentement (sa demi-vie, Modèle:Unité, 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 Modèle:Nobr. Le Modèle:Nobr est par ailleurs le terme de plus longue demi-vie de la chaîne de désintégration du Modèle:Nobr, 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 Modèle:Unité (parties par million) de thorium.

Le thorium se rencontre dans plusieurs minéraux. Les minerais de thorium sont la thorite Modèle:Fchim, la thorianite Modèle:Fchim et surtout la monazite Modèle:Fchim, 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<ref>http://www.mindat.org/min-2751.html.</ref>Modèle:Référence non conforme.

D'autres isotopes du thorium se rencontrent à l'état de traces. Dans la chaîne de désintégration du thorium (le ²²⁸Th ; Modèle:Nobr) ; de l'Modèle:Nobr (le ²³⁰Th ; Modèle:Unité) ; et de l'Modèle:Nobr (le ²³¹Th ; 25,6 heures). 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 (Modèle:Fchim). 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 impure, et recueilli<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} David Crouse, Keith Brown, « l'AMEX processus d'Extraction de minerais de thorium avec Alkyl Amines Modèle:Pdf », Modèle:Lang, 51 (12), Modèle:Date-, Modèle:P. Modèle:Consulté le.</ref><ref name="brit" /> puis converti en nitrate de thorium<ref name="brit" />.

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 (Modèle:Fchim), donnant du nitrate de thorium<ref name="brit">Modèle:Lien web.</ref>.

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 (Modèle:Fchim)<ref name="brit" />

La réduction de Modèle:Fchim passe par l'intermédiaire du fluorure de thorium (Modèle:Fchim) formé lors de la réaction entre le dioxyde de thorium et le fluorure d'hydrogène gazeux (HF). Modèle:Fchim 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 Modèle:Unité dans une enceinte spécifique, donne un alliage de thorium et de zinc et du chlorure ou du fluorure de calcium suivant les réactions<ref name="brit" /> :

Modèle:Fchim + 3 Ca + Modèle:Fchim ⟶ Th + Zn + 2 Modèle:Fchim + Modèle:Fchim ;

Modèle:Fchim + 3 Ca + Modèle:Fchim ⟶ Th + Zn + 3 Modèle:Fchim.

L'alliage résultant est ensuite porté au-dessus de Modèle:Tmp, 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<ref name="brit" />.

Utilisation

Fichier:Yellowing of thorium lenses.jpg

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 Modèle:Tmp. 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 Modèle:Nobr 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 [[Rayon X|Modèle:Nobr]]. Le produit sans effet secondaire immédiat s'est révélé cancérogène à long terme sous l'effet des [[Particule α|Modèle:Nobr]] émises par le Modèle:Nobr. La substance est inscrite sur la liste des produits cancérogènes pour l'homme. Depuis les Modèle:Nobr, ce produit a été remplacé par des molécules iodées hydrophiles, universellement utilisées Modèle:Quand comme agents de contraste pour les examens aux Modèle:Nobr.

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'Modèle:Nobr. En réacteur, il est susceptible d’absorber un neutron (thermique ou lent) pour produire après deux émissions bêta un atome d'[[Isotopes de l'uranium#Uranium 233|Modèle:Nobr]], 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 ([[Antineutrino électronique|Modèle:Surligner_e]]) par désintégration β⁻ pour se transformer en Modèle:Nobr (²³³Pa), lequel émet encore un électron et un anti-neutrino par une deuxième désintégration β⁻ pour se transformer en Modèle:Nobr (²³³U) avec une période de Modèle:Unité environ :

Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + e⁻ + [[Antineutrino électronique|Modèle:Surligner_e]] ;

Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + e⁻ + [[Antineutrino électronique|Modèle:Surligner_e]].

Le combustible irradié peut ensuite être déchargé du réacteur, l'Modèle:Nobr 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'Modèle:Nobr (²³³U) présente de meilleures propriétés que les deux autres isotopes fissiles utilisés dans l'industrie nucléaire, l'Modèle:Nobr (²³⁵U) et le Modèle:Nobr (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 du Modèle:Nobr 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 Modèle:Quand être la voie la plus prometteuse ; elle est à l'étude dans plusieurs pays dont la France, les États-Unis, la Chine<ref>Modèle:Lien web.</ref>, 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 Modèle:Date-, un avis de l'Académie des sciences de Paris 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<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

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 (Modèle:Nobr 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 Modèle:Nobr et non Modèle:Nobr comme annoncé auparavant), qui pourrait théoriquement produire moins de déchets radioactifs qu'une centrale à uranium, avec une durée de vie plus courte (Modèle:Nobr). Un pôle de recherche devrait être développé à Shanghai avec des chercheurs qui se montrent encore prudents : Modèle:Citation rappelle le Professeur Li Zhong (notamment sur la gestion de la corrosivité des sels fondus)<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Cependant en Modèle:Date-, la Chine annonce avoir démarré un réacteur expérimental<ref>Modèle:Lien web.</ref>, à sels fondus le modèle Modèle:Lien<ref>Modèle:Article.</ref>.

Voir aussi

Articles connexes

• Datation par l'uranium-thorium
• Modèle:Lang, une série télévisée norvégienne dans laquelle la production d'énergie à partir du thorium est au cœur de l'intrigue.

Liens externes

• {{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} IThEO.org, Modèle:Lang
• {{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Images du thorium sous différentes formes
• Modèle:Lien web : en sous-pages, les données connues pour chaque isotope