Thorium : structure, propriétés, approvisionnement, utilisations

I.​ Introduction

Le thorium est un actinide radioactive, métal lourd, qui joue un rôle clé dans la production d’énergie nucléaire, notamment dans les réacteurs et le cycle du combustible.​

Présentation du thorium

Le thorium est un élément chimique de numéro atomique 90, découvert en 1828 par Jöns Jakob Berzelius. Il appartient à la famille des actinides, ces éléments radioactifs caractérisés par leur instabilité nucléaire.​ Le thorium est un métal lourd, blanc argenté, ductile et malléable, présentant des propriétés chimiques et physiques particulières. Il est également connu pour ses applications nucléaires, notamment dans la production d’énergie électrique, ainsi que pour ses potentialités dans le domaine de la médecine et de l’industrie. Le thorium est un élément stratégique pour l’avenir de l’énergie nucléaire, en raison de ses réserves abondantes et de sa capacité à brûler dans les réacteurs nucléaires.​

II.​ Structure du thorium

La structure du thorium est caractérisée par son numéro atomique, sa configuration électronique et ses états d’oxydation, influençant ses propriétés chimiques et physiques.​

Nombre atomique et configuration électronique

Le thorium a un numéro atomique de 90, ce qui signifie que chaque atome de thorium possède 90 protons dans son noyau.​ La configuration électronique du thorium est [Rn] 5f0 6d2 7s2, avec une sous-couche 5f incomplète.​ Cette configuration électronique est responsable des propriétés chimiques particulières du thorium, notamment sa tendance à former des ions Th4+ stables.​ La configuration électronique du thorium est également influencée par la présence de sous-couches internes incomplètes, ce qui affecte sa réactivité chimique et ses propriétés physiques.​

États d’oxydation et propriétés chimiques

Le thorium peut former plusieurs états d’oxydation, mais l’état d’oxydation le plus courant est +4. Dans cet état, le thorium forme des ions Th4+ stables, qui sont caractéristiques de ses propriétés chimiques.​ Le thorium est un métal électropositif, ce qui signifie qu’il tend à perdre des électrons pour former des ions positifs.​ Les propriétés chimiques du thorium sont influencées par sa grande taille ionique et sa faible énergie d’ionisation, ce qui rend le thorium réactif vis-à-vis de nombreux éléments, notamment l’oxygène, l’azote et les halogènes.

III.​ Propriétés physiques du thorium

Le thorium est un métal dense, ductile et malléable, présentant une couleur argentée et une faible conductivité électrique et thermique.​

Caractéristiques physiques générales

Le thorium est un métal dense, avec une masse volumique de 11,7 g/cm³, ce qui en fait l’un des métaux les plus denses. Il présente une couleur argentée brillante lorsqu’il est frais, mais se ternit rapidement lorsqu’il est exposé à l’air.​ Le thorium est également ductile et malléable, ce qui signifie qu’il peut être façonné et modelé sans se briser.​ Sa température de fusion est de 1750°C et sa température d’ébullition est de 4780°C.​ Ces propriétés physiques générales font du thorium un matériau intéressant pour certaines applications industrielles et nucléaires.​

Propriétés thermiques et mécaniques

Les propriétés thermiques du thorium sont caractérisées par une conductivité thermique élevée, ce qui signifie qu’il peut efficacement dissiper la chaleur.​ La chaleur spécifique du thorium est de 0,113 J/g°C, ce qui est légèrement inférieur à celle du plutonium.​ En termes de propriétés mécaniques, le thorium présente une résistance à la traction de 400 MPa et une limite d’élasticité de 150 MPa.​ Il est également caractérisé par une ductilité élevée, ce qui signifie qu’il peut être étiré et déformé sans se briser.​ Ces propriétés thermiques et mécaniques font du thorium un matériau intéressant pour les applications nucléaires et industrielles où la résistance à la chaleur et à la déformation sont nécessaires.​

IV. Approvisionnement en thorium

L’approvisionnement en thorium dépend de la mise en exploitation des gisements de minerai de thorium, ainsi que de la récupération de ce métal à partir de déchets nucléaires.​

Mines et réserves de thorium

Les réserves de thorium sont estimées à environ 6٫3 millions de tonnes٫ réparties sur plusieurs continents. Les principaux pays producteurs de thorium sont l’Australie٫ l’Inde٫ le Brésil٫ la Norvège et les États-Unis. Les gisements de thorium sont souvent associés à ceux d’autres métaux٫ tels que le monazite ou la bastnasite.​ Les mines de thorium les plus importantes sont situées en Australie٫ au Queensland٫ et en Inde٫ au Kerala.​ Ces régions offrent des conditions géologiques favorables pour l’exploitation du thorium٫ avec des concentrations élevées de ce métal dans les roches et les sols.​ L’exploration et l’exploitation de nouveaux gisements de thorium sont en cours٫ afin de répondre à la demande croissante de ce métal pour les applications nucléaires et industrielles.

Extraction et traitement du minerai de thorium

L’extraction du thorium commence par l’exploitation minière du minerai, suivi d’une série d’étapes de traitement pour isoler le thorium.​ Le minerai est tout d’abord broyé et concassé pour libérer les minéraux contenant du thorium.​ Les minéraux sont ensuite séparés par flottation ou par électrostatique. Le concentré obtenu est ensuite traité par des méthodes chimiques, telles que la dissolution acide ou la précipitation, pour isoler le thorium sous forme d’oxyde ou de nitrate.​ Enfin, le thorium est purifié par cristallisation ou par électrolyse pour obtenir un produit de haute pureté, utilisable dans les applications nucléaires et industrielles.

V.​ Utilisations du thorium

Les applications du thorium sont diverses, allant des réacteurs nucléaires et du cycle du combustible aux alliages et applications industrielles, en passant par la production d’énergie nucléaire.​

Applications nucléaires ⁚ réacteurs et cycle du combustible

Les isotopes du thorium, tels que le Th-232, peuvent être utilisés comme combustible nucléaire dans les réacteurs à neutrons rapides ou thermonucléaires.​

Ces réacteurs offrent une grande efficacité énergétique et une réduction significative des déchets radioactifs.​

Le cycle du combustible thorium permet également une gestion plus efficace des déchets nucléaires, car le thorium peut être recyclé et réutilisé.

Cette technologie promet une production d’énergie nucléaire plus durable et plus sécurisée, tout en réduisant les coûts et les risques environnementaux associés à l’extraction et au stockage des combustibles nucléaires traditionnels.​

Les recherches en cours explorent les possibilités d’utilisation du thorium dans les réacteurs de nouvelle génération, pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux de manière plus soutenable.​

Autres utilisations ⁚ alliages et applications industrielles

En raison de ses propriétés chimiques et physiques uniques, le thorium est utilisé dans divers alliages et applications industrielles.

Les alliages de thorium-magnésium sont utilisés dans l’aéronautique et l’industrie spatiale en raison de leur résistance élevée aux hautes températures.​

Le thorium est également utilisé dans la fabrication de filtres à gaz, de résistances électriques et de pièces de précision pour les instruments de mesure.​

Dans l’industrie des matériaux, le thorium est utilisé pour améliorer les propriétés des métaux et des céramiques, notamment leur résistance à la corrosion et à l’usure.​

Ces applications industrielles profitent des propriétés spécifiques du thorium, telles que sa haute densité et sa résistance aux hautes températures.​