Thorium (Th, Z = 90): Une Source d'Énergie Nucléaire Abondante

Rôle en astrophysique et cosmochimie

Le thorium, comme les autres actinides lourds, est principalement formé lors d'événements astrophysiques extrêmes, en particulier le processus r (processus de capture rapide de neutrons) qui se produit lors de la fusion d'étoiles à neutrons ou de certaines supernovae. Dans le système solaire, il est aujourd'hui présent en raison de sa très longue demi-vie. L'isotope \(\,^{232}\mathrm{Th}\) (demi-vie de 14,05 milliards d'années) sert de chronomètre cosmique en géochimie et en astrophysique. Le rapport thorium/uranium (Th/U) et le rapport thorium/autres éléments lourds permettent de dater l'âge de la croûte terrestre, des météorites et d'estimer l'âge de notre galaxie. Contrairement aux éléments radioactifs à vie courte, le thorium-232 produit un flux de chaleur constant et durable dans les planètes rocheuses, contribuant au maintien de l'activité géologique interne sur des échelles de temps géologiques.

Histoire de la découverte du thorium

Le thorium a été découvert en 1828 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848). Il l'isola à partir d'un échantillon de roche noirâtre connue sous le nom de thorite (un silicate de thorium) qui lui avait été envoyée par un pasteur et minéralogiste amateur norvégien, le révérend Hans Morten Thrane Esmark. Berzelius baptisa le nouvel élément "thorium" en l'honneur de Thor, le dieu du tonnerre dans la mythologie nordique. Pendant près d'un siècle, le thorium resta principalement une curiosité de laboratoire et trouva des applications limitées dans les manchons à incandescence des lampes à gaz (Thorite). La véritable importance du thorium comme élément fertile dans le cycle du combustible nucléaire ne fut réalisée qu'avec la découverte de la radioactivité et de la fission nucléaire. En 1941, Glenn T. Seaborg et ses collègues identifièrent le premier isotope fissile dérivé du thorium, l'uranium-233 (\(\,^{233}\mathrm{U}\)), ouvrant la voie au concept du cycle du thorium.

N.B. :

Le thorium a longtemps été "l'étoile oubliée" du nucléaire. Alors que les programmes nucléaires du 20e siècle se concentraient massivement sur l'uranium et le plutonium pour des raisons militaires (bombes) et civiles, le thorium, jugé moins adapté à la production de matières fissiles pour les armes, fut largement négligé. Ce n'est qu'avec la montée des préoccupations concernant la prolifération, les déchets nucléaires à vie longue et l'épuisement des réserves d'uranium que le thorium a connu un regain d'intérêt mondial au 21e siècle comme combustible potentiel pour des réacteurs nucléaires plus sûrs et durables.

Structure et propriétés fondamentales du thorium

Le thorium (symbole Th, numéro atomique 90) est un actinide, le deuxième élément de la série après l'actinium. Il est généralement considéré comme un métal fertile plutôt que fissile. Son isotope principal et quasi unique à l'état naturel est le \(\,^{232}\mathrm{Th}\), un émetteur alpha de très longue demi-vie (14,05 milliards d'années). Le thorium métallique pur est gris argenté, mou, malléable et ductile. À température ambiante, il présente une structure cristalline cubique faces centrées. Il est relativement stable à l'air, développant une fine couche d'oxyde protectrice (ThO₂, thoria), bien plus stable que celle de l'uranium. Sa densité est de 11,7 g/cm³. C'est un bon conducteur électrique.
Température de fusion: 2023 K (1750 °C).
Température d'ébullition: 5061 K (4788 °C).
Le thorium est environ trois à quatre fois plus abondant dans la croûte terrestre que l'uranium.

Tableau des isotopes principaux du thorium

Configuration électronique et chimie du thorium

N.B. :

Les couches électroniques: Comment les électrons s'organisent autour du noyau (nouvelle fenêtre).

Le thorium possède 90 électrons. Sa configuration électronique fondamentale est [Rn] 6d² 7s². Contrairement à l'uranium et aux actinides suivants, il ne possède pas d'électrons 5f dans son état fondamental. Cette configuration le rapproche chimiquement du hafnium (groupe 4) et, dans une moindre mesure, du cérium. Il montre principalement l'état d'oxydation +4 (Th⁴⁺), extrêmement stable. L'ion Th⁴⁺ est relativement grand et a une forte charge, ce qui le rend très acide de Lewis et lui permet de former des complexes stables avec une grande variété de ligands (carbonates, phosphates, organiques). Le thorium ne présente pratiquement pas d'état d'oxydation +3 en solution aqueuse, contrairement à la plupart des autres actinides légers.

Réactivité chimique et composés principaux

Le thorium métallique est assez réactif. Il s'oxyde lentement à l'air et brûle pour former la thoria (ThO₂), une céramique blanche extrêmement réfractaire (point de fusion ~3390 °C). Il réagit avec les halogènes, l'hydrogène, l'azote, le carbone et le soufre à température élevée. En solution, Th⁴⁺ est le seul ion stable. Il s'hydrolyse facilement et précipite sous forme d'hydroxyde Th(OH)₄ à pH neutre ou basique. L'oxyde ThO₂ et le nitrate Th(NO₃)₄ sont ses composés les plus importants industriellement. Le nitrate est très soluble dans l'eau et les solvants organiques, ce qui est crucial pour les procédés d'extraction et de retraitement du combustible au thorium.

Applications du thorium

• Énergie nucléaire (Cycle du Thorium): Le thorium-232 est un fertile. Dans un réacteur, il capture un neutron pour former le thorium-233, qui se désintègre en protactinium-233 puis en uranium-233 fissile. Ce cycle offre des avantages potentiels: abondance des ressources, moins de déchets à vie longue, résistance inhérente à la prolifération. Des concepts de réacteurs comme le LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) ou les réacteurs à sels fondus sont spécialement conçus pour exploiter ce cycle.
• Matériaux réfractaires: L'oxyde de thorium (Thoria, ThO₂) est utilisé dans les creusets de laboratoire, les revêtements de fours et les filaments de lampes à incandescence de haute performance en raison de son point de fusion exceptionnellement élevé et de sa stabilité chimique.
• Alliages: De petites quantités de thorium (environ 2%) ajoutées au magnésium ou au tungstène améliorent considérablement leurs propriétés mécaniques et leur résistance au fluage à haute température (alliages Mg-Th pour l'aérospatiale, filaments de tungstène thorié).
• Catalyse: La thoria est utilisée comme catalyseur dans le craquage du pétrole et la synthèse de produits chimiques organiques.
• Datation géologique: Les déséquilibres dans les chaînes de désintégration de l'uranium-thorium (série \(\,^{238}\mathrm{U}\) → \(\,^{230}\mathrm{Th}\)) sont une méthode de datation essentielle pour les carbonates (coraux, stalagmites) et les sédiments marins jusqu'à environ 500 000 ans.
• Recherche fondamentale: L'isomère nucléaire de très basse énergie du thorium-229 (\(\,^{229m}\mathrm{Th}\)) est étudié pour le développement d'une horloge nucléaire, potentiellement plus stable et précise que les horloges atomiques optiques actuelles.

Production, ressources et économie

Le thorium est un élément relativement abondant dans la croûte terrestre, avec une concentration moyenne estimée à environ 9,6 ppm, soit trois à quatre fois celle de l'uranium. Il n'existe pas à l'état natif métallique. Son principal minerai est la monazite, un phosphate de terres rares qui contient typiquement de 3% à 12% d'oxyde de thorium (ThO₂). D'autres minéraux incluent la thorite et la thorianite. Les principales réserves se trouvent en Inde (qui possède les plus grandes réserves mondiales), au Brésil, en Australie, aux États-Unis et en Norvège. L'extraction du thorium est généralement un sous-produit de l'exploitation des terres rares ou du titane. Actuellement, il n'existe pas de marché mondial significatif pour le thorium en tant que combustible nucléaire, sa production est donc limitée et liée à la demande pour ses autres applications (réfractaires, alliages). Son prix est principalement dicté par les coûts de séparation et de purification à partir des minerais de terres rares.

Aspects de sécurité et de radioprotection

Le thorium naturel (presque uniquement du Th-232) est un radio-élément de faible activité spécifique en raison de sa très longue demi-vie. Son rayonnement externe (principalement des particules alpha et un faible rayonnement gamma de ses descendants) est facilement arrêté par une feuille de papier ou la couche morte de la peau. Le risque majeur est interne: s'il est inhalé ou ingéré sous forme de poussières ou d'aérosols, le thorium peut se déposer dans les poumons, les os et les organes, où il demeure pendant des décennies, irradiant les tissus voisins. C'est un cancérigène chimique et radiologique reconnu. La manipulation de poudres de thorium ou de thorium fraîchement séparé (contenant peu de ses descendants à vie courte) nécessite des précautions standard de chimie des poudres (hotte). Le stockage à long terme de grandes quantités nécessite une ventilation contrôlée pour éviter l'accumulation de radon-220 (thoron), un gaz radioactif descendant à vie très courte (55,6 s) de la chaîne du thorium.