ENRICHISSEMENT DE L’URANIUM

INTRODUCTION

De nos jours de nombreuses sources d’énergies sont à la disposition de l’homme notamment l’énergie nucléaire, une énergie puissante et utilisable dans de nombreux domaines.

Cette énergie s’obtient après de multiple opération tel que l’extraction de l’uranium et l’enrichissement de celui ci. Ces opérations nécessitent de nombreux moyens techniques et parfois complexe et un effort financiers important.

Qu’est ce que l’énergie nucléaire ?
L’énergie nucléaire est localisée dans les noyaux des atomes. Ces noyaux, 100 000 fois plus petits que les atomes eux-mêmes, sont constitués de particules plus élémentaires – les protons et les neutrons – très fortement liés entre eux. De même que la liaison des atomes en molécules est la source de l’énergie chimique, la liaison des protons et neutrons en noyaux par des forces nucléaires est la source de l’énergie nucléaire. Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s’accompagne ainsi d’un dégagement de chaleur. C’est ce mécanisme qui produit au cœur du Soleil, par fusion des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium, la chaleur qui sera ensuite rayonnée. Dans les centrales électronucléaires, les scientifiques utilisent une autre réaction nucléaire, la fission des noyaux d’uranium, qui les transforme chacun en deux autres noyaux environ deux fois plus petits ; une partie de la chaleur produite est convertie en électricité.

Qu’est ce que l’uranium enrichi ?

L'uranium naturel, tel qu'il est extrait du sol, est constitué essentiellement de deux isotopes : l'uranium 238 pour 99,3% et l'uranium 235 pour 0,7%. Or seule cette toute petite fraction, l'uranium 235, donne lieu à fission sous l'impact des neutrons et constitue ainsi la source d'énergie des centrales nucléaires. On sait réaliser des réactions en chaîne avec de l'uranium naturel, au sein d'empilements de graphite ou dans des cuves emplies d'eau lourde. Par contre, les réacteurs les plus répandus dans le monde actuellement, qui utilisent l'eau ordinaire (l'eau légère) comme modérateur, ne peuvent fonctionner que si l'uranium de leur combustible contient au moins 3 % d'uranium 235. Leur alimentation nécessite donc d'augmenter au préalable la proportion de l'isotope 235 dans l'uranium.
Il est clair que ceci ne peut être fait facilement, puisque, par définition, des isotopes se comportent de façon identique dans toutes les réactions chimiques aux quelles ils sont soumis. Il faut donc avoir recours à des procédés physiques particuliers, tels que la diffusion gazeuse ou l'ultracentrifugation. C'est l'opération d'enrichissement. Cette opération d'enrichissement qui produit de l' uranium enrichi entre 3 et 5 % se fait en France à l'usine Georges Besse du Tricastin.
Il ne faut pas confondre cet uranium enrichi avec l'uranium très enrichi (plus de 90% d'uranium 235) utilisé dans les armes nucléaires et fabriqué dans des installations spécialisées.

Ou trouve t’on l’uranium ?

L'uranium est présent dans différents types de minerais, notamment dans les massifs granitiques. A l'échelle de notre planète il est environ 50 fois plus abondant que le mercure et 1000 fois plus que l'or. Par contre, sa concentration dans un gisement donné est généralement faible, de l'ordre, sauf exception, du %.
On l'extrait de carrières à ciel ouvert ou de galeries souterraines. En France, les gisements sont en voie d'épuisement ou n'offrent pas actuellement de conditions d'exploitation satisfaisantes économiquement. Aujourd'hui les principaux gisements exploités se situent au Niger, en Australie, au Canada et au Kazakhstan. Des quantités importantes d'uranium existent dans l'eau des océans. Mais cet uranium ne pourrait être extrait qu'à des coûts nettement plus élevés que les prix actuels.

Il ne faut pas confondre cet uranium enrichi avec l'uranium très enrichi (plus de 90% d'uranium 235) utilisé dans les armes et fabriqué dans des installations spécialisées.

de l’uranium

L'Uranium, à l'état naturel ou légèrement enrichi dans son isotope 235, est le combustible des centrales nucléaires. Le plutonium, qui résulte de la fission et des transformations de l'uranium, peut être également défini comme un combustible nucléaire. Mais il est beaucoup moins utilisé, à l'heure actuelle, que l'uranium.
Métal gris et dur, l'uranium est relativement répandu dans l'écorce terrestre.

1°) LES DIFFÉRENTES TECHNIQUES

a. Par laser

b. L’ultracentrifugation

c. La diffusion gazeuse

Introduction

Pour utiliser l’uranium dans la plupart des centrales nucléaires de puissance, on doit préalablement l’enrichir, c’est-à-dire augmenter la proportion de l’isotope 235 (l’Uranium à l’état naturel contient environ 99,3% d’Uranium 238 et 0,7% d’Uranium 235). Il faut que l’uranium soit enrichi à 3,5 % d’Uranium 235. Les principaux procédés d’enrichissement sont la diffusion gazeuse d’un composé chimique de l’uranium à travers une paroi poreuse, l’ultracentrifugation (rotation à grande vitesse d’un cylindre contenant un composé chimique gazeux de l’uranium) et l’enrichissement par laser (illumination de la vapeur d’uranium par un faisceau laser ajusté pour ioniser sélectivement l’isotope 235). Ce sont ces différentes techniques que nous allons étudier et développer dans cette partie.

a. Par laser (voir le schéma à la fin de cette partie.)

Les recherches sur le procédé d’enrichissement de l’uranium par laser ont été menées à partir du milieu des années 1980, en parallèle aux Etats-Unis (programme Avlis) . En France (programme SILVA –Séparation Isotopique par Laser de la Vapeur Atomique) Et au Japon, en vue de développer une technologie plus compétitive et moins consommatrice d’énergie que la diffusion gazeuse, procédé mis en œuvre industriellement en France à l’usine Eurodif depuis 1979. L'enrichissement par laser est une technologie très complexe, «qui ne sera pas utilisée industriellement», explique le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) français. Nous allons cependant présenter cette technique. Voici la description du projet SILVA dont les recherches ont été effectuées par le CEA et se sont achevées en 2003 :

Tout d’abord la vaporisation de l’uranium impose que l’uranium métallique soit porté à 3000 °C. On effectue ce chauffage à l’aide d’un canon à électrons dont on incurve le faisceau, afin qu’il atteigne le lingot d’uranium qui se trouve dans le creuset (voir schéma).

Les atomes d’uranium qui sont émis dans un vide poussé se propagent jusqu’à une zone où ils sont éclairés (afin de les exciter ou pour les ioniser par transfert d’énergie) : soit on excite sélectivement l’uranium 235 en irradiant le gaz à l’aide de flashes laser, puis on ionise les atomes excités souvent avec d’autres flashes laser, soit on ionise directement les atomes d’uranium 235. Cette manipulation est réalisable car, les deux isotopes : U₂₃₅ U₂₃₈ n’ont pas les mêmes écarts entre leurs niveaux d’énergie. Les réglages en longueur d’onde doivent être très précis (l’écart entre les longueurs d’onde est de 25 pm). De plus, la puissance laser doit être suffisante : le rendement industriel du séparateur en dépend. Cette ionisation obtenue, l’uranium U devient l’ion U⁺, un champ électrique attire donc les ions sur des plaques collectrices chargés négativement. Les lingotières comme la plaque de toit sont à une température supérieure à 1100°C. Les mélanges d’uranium 235 et 238 y sont recueillis à l’état liquide : mélange enrichi en 235 dans les lingotières situées sous les plaques collectrices, mélange appauvri en 235 au niveau de la plaque de toit.

Dans ce procédé, on ne cherche pas à collecter de l’uranium 235 pur car cette collecte supposerait qu’aucun atome de 238 ne puisse atteindre les lingotières ce qui est impossible. D’autre part, le bon fonctionnement des centrales nécessite un mélange à 3,5% en 235.

Malgré avoir démontrer la fiabilité de cette technique, le CEA n’a pas jugé suffisant le développement technologique du procédé SILVA pour garantir la compétitivité industrielle de l’enrichissement de l’uranium. En effet, la mise au point du laser à été jugé trop coûteuse.

Cependant, malgré le refus de produire cette technique industriellement, le CEA a effectué des essais. En effet, quelque 200 kg d’uranium enrichi à teneur isotopique significative ont été produits en novembre 2003, avec environ une tonne d’uranium appauvri obtenue en parallèle, et l’ensemble des paramètres clés du procédé ont été mesurés conformes aux valeurs attendues.

La technique la plus en vue pour le moment reste l’ultracentrifugation, technique que nous allons maintenant expliquer.

À noter que le canon à électrons projette des électrons sur le lingot d’uranium afin de le faire chauffer. Ce canon est alimenté par une tension continue U telle que lUl=30 kV. Ainsi qu’une vitesse d’environ 10⁸ m.s^-1

b. Par ultracentrifugation

L’ultracentrifugation est la technique la plus en vue pour le moment. En effet, la technique par laser, comme nous l’avons expliquée au-dessus, ne sera pas, pour le moment, utilisée industriellement et, la technique par diffusion gazeuse va être arrêté comme nous le verrons dans la partie suivante.

Cette technique à été appliquée pour la première fois par en 1935 par M.Beams, à la séparation des isotopes de chlore. Il faut cependant attendre les années 1958-1960 pour voir un développement significatif de l’ultracentrifugation.

L’ultracentrifugation a pour but d’utiliser la force centrifuge pour séparer, compte tenu de leur masse différente, les isotopes 238 et 235 de l'uranium. En effet, l’uranium 235 est moins lourd que l’uranium 238, comme l’indique leur nom ces deux isotopes on des masses respectives de 235 et 238 g.mol^-1 . Cette technique est réalisée à l’intérieur d’un bol tournant à grande vitesse. L’hexafluorure d’uranium (UF₆) (uranium sous forme gazeuse) est introduit a l’intérieur du bol, un effet de cascade est combiné avec la vitesse du bol. Ce bol tournant est appelé centrifugeuse. Ces machines ont la particularité de consommée très peu d’énergie. Compte tenu de leurs tailles différentes les atomes d’uranium 238 (les plus lourds) sont situés le plus à gauche dans la centrifugeuse et les atomes d’uranium 235 sont situés le plus au centre de la centrifugeuse. On peut donc récupérer facilement les atomes d’uranium 235.

Cette technique est de plus en plus utilisée, en effet le gouvernement à décidé que l’ultracentrifugation serait la technique qui remplacerait la technique par diffusion gazeuses dans un futur proche.

C’est cette technique que nous allons maintenant expliquer.

c. Par diffusion gazeuse

La technique par diffusion gazeuse est une des plus anciennes techniques de séparation, utilisé dès 1920 par Lindemann, Aston et Harkins, puis par Hertz en 1932 pour séparer les isotopes du néon. Cette technique fut appliquée à l’uranium en 1943 aux Etats-Unis, elles assure aujourd’hui 98% de la capacité d’enrichissement mondial et possède donc les références industrielles les plus complètes.

Ce procédé tire parti du passage préférentiel des molécules les plus légères d’un mélange gazeux à travers une paroi poreuse dont le diamètre des pores est petit par rapport au libre parcours moyen des molécules. Le composé utilisé est l’hexafluorure UF₆ , gazeux à la pression atmosphérique au-dessus de 56°C, relativement stable mais corrosif et réagissant avec les composés hydrogénés, et de surcroît toxique. Les atomes d’uranium 235 étant moins gros que ceux de 238, ils arrivent plus rapidement en haut de la « cheminée » utilisée par cette technique. Les usines chargées de cette technique travaillent à une température assez élevée, de l’ordre de 100 à 150°C, pour éviter la cristallisation de l’hexafluorure, cela pose donc de nombreux problèmes de conditionnement et de ventilation, il en résulte une très forte consommation d’énergie de l’ordre de 2500kWh. L’usine principale chargée de cette technique est l’usine Georges Besse, usine qui arrive au terme de son état de fonctionnement et qui va être fermée par le gouvernement dans les années à venir. Cette technique est de plus en plus remplacée au profit de l’ultracentrifugation.

L'Uranium, à l'état naturel ou légèrement enrichi dans son isotope 235, est le combustible des centrales nucléaires. Le plutonium, qui résulte de la fission et des transformations de l'uranium, peut être également défini comme un combustible nucléaire. Mais il est beaucoup moins utilisé, à l'heure actuelle, que l'uranium.
Métal gris et dur, l'uranium est relativement répandu dans l'écorce terrestre.

Enrichissement de l’uranium ( 6 points )

Pour cet exercice l’usage des calculatrices est interdit

L’uranium naturel est un mélange d’isotopes constitué à 99,3 % d’uranium 238. L’uranium 235, le seul qui soit susceptible de subir la fission, ne correspond qu’au 0,7 % restant. Pour le bon fonctionnement des centrales nucléaires, il est donc nécessaire d’enrichir l’uranium naturel en uranium 235 en faisant passer le pourcentage de ce dernier à 3,5 %.

Le texte ci-dessous décrit le nouveau procédé SILVA, Séparation Isotopique par Laser sur de la Vapeur Atomique.

Tout d’abord la vaporisation de l’uranium impose que l’uranium métallique soit porté à 3000 °C . On effectue ce chauffage à l’aide d’un canon à électrons dont on incurve le faisceau, afin qu’il atteigne le lingot d’uranium qui se trouve dans le creuset (voir schéma).

Les atomes d’uranium qui sont émis dans un vide poussé se propagent jusqu’à une zone où ils sont éclairés : soit on excite sélectivement l’uranium 235 en irradiant le gaz à l’aide de flashes laser, puis on ionise les atomes excités souvent avec d’autres flashes laser, soit on ionise directement les atomes d’uranium 235. Les réglages en longueur d’onde doivent être très précis et la puissance laser doit être suffisante : le rendement industriel du séparateur en dépend.

Cette ionisation obtenue, un champ électrique attire sur des plaques collectrices les cations formés. Les lingotières comme la plaque de toit sont à une température supérieure à 1100°C. Les mélanges d’uranium 235 et 238 y sont recueillis à l’état liquide : mélange enrichi en 235 dans les lingotières situées sous les plaques collectrices, mélange appauvri en 235 au niveau de la plaque de toit.

Le prototype utilise un canon à électrons dans lequel la haute tension continue U accélératrice des électrons est telle que = 30 kV

Données complémentaires : masse de l’électron m = 9,110 kg

charge élémentaire e = 1,610 C

Remarque : malgré la vitesse élevée des électrons, on admettra que les relations de la mécanique classique leur sont applicables.

I. LA VAPORISATION

1. a. Expliquer succinctement pourquoi les électrons issus d’un canon à électrons peuvent vaporiser un métal .

1. b. En négligeant la vitesse des électrons à l’entrée du canon, calculer l’ordre de grandeur de leur énergie cinétique et de leur vitesse à la sortie du canon.

2. a. Entre le canon à électrons et le creuset, les électrons traversent une région où règne un champ magnétique B uniforme perpendiculaire à leur trajectoire circulaire indiquée sur le schéma. Préciser le sens du champ B.

2. b. Si l’on double la valeur du champ magnétique les valeurs des grandeurs suivantes sont-elles modifiées ? Si oui, comment ? Justifier.

- la vitesse des électrons à l’arrivée dans le creuset

- le rayon de la trajectoire circulaire

- l’énergie cinétique des électrons

- l’accélération des électrons

II. L’IONISATION

1. a. Pourquoi éclaire-t-on les atomes d’uranium ?

1. b. Quelles sont, d’après le texte, les caractéristiques du faisceau laser qui sont exploitées dans le procédé SILVA ?

1. c. Expliquer par une phrase pourquoi « le rendement industriel du séparateur » dépend de la puissance du laser.

2. Les atomes d’uranium 235 et 238 ont-ils les mêmes écarts entre leurs niveaux d’énergie ? Justifier votre réponse en vous aidant du texte.

3. a. Pour exciter un atome d’uranium 235 pris dans son état fondamental on peut utiliser une raie de longueur d’onde 422,400 nm. Dans quel domaine du spectre électromagnétique ce rayonnement se situe-t-il  ?

3. b. Pour ioniser directement les atomes d’uranium 235 l’énergie des photons doit être au moins égale à 6,18 eV. Porter sur un diagramme d’énergie de l’atome d’uranium 235, les différents niveaux intervenant dans cette question 3. On reportera sur ce diagramme les indications données sans procéder à aucun calcul supplémentaire.

4. Pour exciter l’uranium 238 l’énergie des photons est très légérement inférieure à celle correspondant à l’excitation de l’uranium 235. L’écart entre les longueurs d’onde est de 25 pm. Quelle est la longueur d’onde qui permettrait d’exciter les atomes d’uranium 238 ?

III. LA COLLECTE

1. Le champ électrique accélérateur régnant entre les plaques collectrices A et B est tel que les cations uranium 235 puissent être collectés dans la lingotière placée sous B. Si ce champ est supposé uniforme, indiquer sur un schéma sa direction et son sens. Quel doit être le signe de la tension U = V- V?

2. Pourquoi ne peut-on et ne cherche-t-on pas à collecter de l’uranium 235 pur dans ce procédé ?

Enrichissement de l’uranium

question	compétences
I 1. a. Expliquer succinctement pourquoi les  électrons issus d’un canon à électrons peuvent vaporiser un métal . 1. b. En négligeant la vitesse des électrons à l’entrée du canon, calculer l’ordre de grandeur de leur énergie cinétique et de leur vitesse à la sortie du canon. 2. a. Entre le canon à électrons et le creuset, les électrons traversent une région où règne un champ magnétique B uniforme perpendiculaire à leur trajectoire circulaire indiquée sur le schéma. Préciser le sens du champ B. 2. b. Si l’on double la valeur du champ magnétique les valeurs des grandeurs suivantes sont-elles modifiées ? Si oui, comment ? Justifier. - la vitesse des électrons à l’arrivée dans le creuset - le rayon de la trajectoire circulaire - l’énergie cinétique des électrons - l’accélération des électrons	Savoir associer un phénomène à un modèle descriptif. Savoir énoncer le théorème de l’énergie cinétique. Savoir que le travail reçu par une particule de charge q qui subit une différence de potentiel U est W= qU. Connaître l’expression de la force subie par une particule chargée en mouvement dans un champ magnétique. Prévoir l’évolution d’une situation lorsqu’on modifie l’un des paramètres. Savoir identifier les paramètres jouant un rôle dans un phénomène physique.
II. 1. a. Pourquoi éclaire-t-on les atomes d’uranium ? 1. b. Quelles sont d’après le texte les caractéristiques du faisceau laser qui sont exploitées dans le procédé SILVA ? 1. c. Expliquer par une phrase pourquoi « le rendement industriel du séparateur » dépend de la puissance du laser. 2. Les atomes d’uranium 235 et 238 ont-ils les mêmes écarts entre leurs niveaux d’énergie ? Justifier votre réponse en vous aidant du texte. 3. a. Pour exciter un atome d’uranium 235 pris dans son état fondamental on peut utiliser une raie de longueur d’onde 422,400 nm. Dans quel domaine du spectre électromagnétique ce rayonnement se situe-t-il ? 3. b. Pour ioniser directement les atomes d’uranium 235 l’énergie des photons doit être au moins égale à 6,18 eV. Porter sur un diagramme d’énergie de l’atome d’uranium 235, les différents niveaux intervenant dans cette question 3. On reportera sur ce diagramme les indications données sans procéder à aucun calcul supplémentaire. 4. Pour exciter l’uranium 238 l’énergie des photons est très légérement inférieure à celle correspondant à l’excitation de l’uranium 235. L’écart entre les longueurs d’onde est de 25 pm. Quelle est la longueur d’onde qui permettrait d’exciter les atomes d’uranium 238 ?	Connaître les caractéristiques de la lumière laser. Connaitre les domaines de longueurs d’ondes des ondes électromagnétiques. Ecrire un bilan énergétique dans une interaction entre lumière et matière.
III 1. Le champ électrique accélérateur régnant entre les plaques collectrices A et B est tel que les cations uranium 235 puissent être collectés dans la lingotière placée sous B. Si ce champ est supposé uniforme, indiquer sur un schéma sa direction et son sens. Quel doit être le signe de la tension U = V- V? 2. Pourquoi ne peut-on et ne cherche-t-on pas à collecter de l’uranium 235 pur dans ce procédé ?	Application de la relation fondamentale de la dynamique dans le cas d’un champ électrique uniforme.

Enrichissement de l’uranium

réponse attendue	barême	commentaires
I. 1. a Lors du choc avec l’uranium, les électrons cèdent tout ou partie de leur énergie cinétique : le métal s’échauffe. Si ce transfert d’énergie par chaleur est suffisant la vaporisation du métal peut se produire. 1. b. D’après le théorème de l’énergie cinétique, appliqué à un électron entre l’entrée en E dans le canon et sa sortie en S, dans le référentiel Terre supposé galiléen, on a la relation :   EkS -  EkE = q UES = e EkS = 30 keV vE<< vS donc vS = vS m.s^-1. 2. a. F = q v B , le trièdre (F , q v, B) est direct donc B pointe « vers l’avant de la feuille ». 2. b. F. v = 0 donc le mouvement des électrons est uniforme dans le champ magnétique et v = vS indépendante de B. R = ; puisque v est inchangée et que B est doublé alors R est divisé par 2. Ek inchangée comme v. a = evB/ m donc si B est doublé, v étant inchangée, alors a est doublée.	0,25 0,5 0,5 0.25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
II. 1. a.Pour les exciter ou pour les ioniser en leur tansférant de l’énergie. 1. b. Faisceau monochromatique faisceau puissant. 1. c. lL puissance du laser pour une longueur d’onde donnée est proportionnelle au nombre de photons émis par seconde: plus le nombre de photons émis est grand, plus la probabilité d’ioniser des atomes d’uranium 235 est grande. 2. D’après le texte on excite sélectivement l’uranium 235 donc les deux isotopes n’ont pas les mêmes écarts entre niveaux d’énergie. 3. a. violet 3. b. ______ 0 eV : ionisation ______ niveau excité = 422,4 nm ______ - 6,18 eV : fondamental 4. E = donc, à la plus petite énergie correspond la plus grande longueur d’onde : = 422,400 +0,025 = 422,425 nm.	0,25 0,5 0,5 0,25 0,25 0,5 0,25
III. 1. Les cations sont chargés positivement et subissent une force F = q E dans un champ électrique E. Si F.v, donc E.v est positif les cations sont accélérés. Or E est dirigé suivant les potentiels décroissants donc UAB doit être positif. 2. La collecte de l’uranium 235 pur supposerait qu’aucun atome de 238 ne puisse atteindre les lingotières ce qui est impossible. D’autre part le bon fonctionnement des centrales d’après le texte nécessite un mélange à 3,5 % en 235.	0,5 0,25

RETOUR