L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92, de la famille des actinides. C'est le 48 élément naturel du point de vue de l'abondance, son abondance est supérieure à celle de l'argent, comparable à celle du molybdène ou de l'arsenic, quatre fois moins abondant que le thorium. Il se trouve partout à l'état de traces, y compris dans l'eau de mer.

C'est un métal lourd radioactif (émetteur alpha) de période très longue (~ 4,4688 milliards d'années pour l'uranium 238 et ~ 703,8 millions pour l'uranium 235). Sa radioactivité, additionnée à celle de ses descendants dans sa chaîne de désintégration, développe une puissance de 0,082 watt par tonne d'uranium, ce qui en fait, avec le thorium 232 (quatre fois plus abondant, mais trois fois moins radioactif) et le potassium 40, la principale source de chaleur qui tend à maintenir les hautes températures du manteau terrestre, en ralentissant de beaucoup son refroidissement.

L'isotope U est le seul isotope fissile naturel. Sa fission libère une énergie voisine de 202,8 MeV par atome fissionné dont 9,6 MeV d'énergie non récupérable, communiquée aux neutrinos produits lors de la fission. L'énergie récupérable est plus d'un million de fois supérieure à celle des combustibles fossiles pour une masse équivalente. De ce fait, l'uranium est devenu la principale matière première utilisée par l'industrie nucléaire.

Pour son utilisation dans les réacteurs nucléaires, les réserves 3P (Prouvées + Probables + Possibles) d'uranium étaient estimées par l'AIEA à 5,4 millions de tonnes dans le monde en 2009 réparties essentiellement entre l'Australie (31 %), le Kazakhstan (12 %), le Canada (9 %) et la Russie (9 %) ; la production mondiale s'est élevée quant à elle à environ 50 000 tonnes en 2009 répartis entre le Kazakhstan (28 %), le Canada (20 %), l'Australie (16 %), la Namibie (9 %), la Russie (7 %), le Niger (6 %) et l'Ouzbékistan (5 %).

Uranium naturel

Le minerai d'uranium qui a été exploité par l'homme sur Terre possède une teneur en uranium pouvant varier de 0,1 % jusqu’à 20 %. L'uranium est dit naturel quand il est constitué d'isotopes dans leur proportion d'origine (identique pour tous les minerais d'uranium) : soit 99,2743 % d'uranium 238 accompagné de 0,7202 % d'uranium 235 et d'une quantité infime d'isotope 234 (0,0055%).

Découverte

L'uranite, ou pechblende, est le minerai d'uranium le plus commun.

Minerai d'uranium.

L'uranium fut mis en évidence en 1789 par le chimiste prussien Martin Heinrich Klaproth à partir de l'analyse d'un morceau de roche qu'on lui avait apporté de la mine de Saint Joachimsthal. Cette roche était de la pechblende, un minerai d'uranium qui contient principalement de l'U3O8. Klaproth parvint en la chauffant à en extraire un corps gris métallique. Dans sa communication du 24 septembre 1789 à l'Académie royale prussienne des sciences et intitulée « Ueber den Uranit, ein neues Halbmetall », il proposa le nom d'« urane » ou « uranite » au composé qu'il venait d'identifier (un oxyde d'uranium et non le corps pur), en référence à la découverte de la planète Uranus faite par William Herschel en 1781. Cet oxyde, rebaptisé uranium en 1790, avait comme propriété de donner une fine fluorescence aux verres et une couleur jaune verdâtre aux émaux, si bien que la pechblende était extraite de la mine de Joachimsthal et de mines d'étain en Cornouaille et des uranates alcalins utilisés (diuranate d'ammonium et de sodium) par les verriers de Bohême et les céramistes saxons.

Section polie de pechblende

Papier photographique impressionné par le rayonnement de la pechblende (reproduction de l'expérience de Becquerel)

Papier photographique original irradié par le rayonnement de sel d'uranium (Expérience de Becquerel)

Ce n'est qu'en 1841 que le chimiste français Eugène-Melchior Péligot put l'isoler à l'état de pureté en réduisant le tétrachlorure d'uranium (UCl4) par le potassium. Il établit que l'urane était composé de deux atomes d'oxygène et d'un métal qu'il isola. L'uranium entra dans la nomenclature de la chimie. Il estima alors la masse volumique de l'uranium à 19 g/cm.

Le Français Henri Becquerel ne découvrit la radioactivité de l’uranium que beaucoup plus tard, le 28 février 1896, lorsqu'il constata que des plaques photographiques placées à côté de sels d'uranium (extraits d'un lot de pechblende de Joachimsthal) avaient été impressionnées sans avoir été exposées à la lumière. Les plaques avaient été noircies par les rayonnements émis par les sels : c'était la manifestation d'un phénomène jusqu'alors inconnu, la radioactivité naturelle. Pierre et Marie Curie isolèrent deux éléments nouveaux naturellement radioactifs, le polonium et le radium.

Gisements et exploitation

Le minerai d'uranium est appelé uraninite, ou pechblende. Les cinq plus gros producteurs au monde sont le Kazakhstan, le Canada, l'Australie, le Niger et la Namibie. À proximité des mines, l'uranium est concentré sous forme de yellowcake. Il est néanmoins trop peu concentré en isotope fissile pour être utilisé directement dans les centrales nucléaires de type Pressurized Water Reactor. C'est la raison pour laquelle il est souvent enrichi en uranium 235 par diffusion gazeuse ou centrifugation. Les centrales de type CANDU utilisent l'uranium non enrichi mais exigent beaucoup d'eau lourde comme modérateur.

Un Centre de recherche sur la géologie de l'uranium (Cregu) a été créé dans les années 1980, à Vandœuvre-lès-Nancy pour mieux connaitre la géologie et la géochimie de l'uranium et faciliter l'accès des prospecteurs à cette ressource, par exemple en le reliant aux discordances géologiques connues ou à découvrir

Abondance et répartition

L'uranium est répandu dans les profondeurs du globe terrestre. La désintégration d'uranium 238 et 235 et d'autres radionucléides comme le thorium 232 et ses descendants entretiennent encore en énergie thermique le noyau terrestre, mais surtout le manteau rocheux terrestre, et donc toute la géothermie.

Il est plus abondant dans la nature que l'or ou l'argent. Il est également présent dans toute l'écorce terrestre, surtout dans les terrains granitiques et sédimentaires, à des teneurs d'environ 2,7 g/tonne (soit donc 2,7 ppm). Ainsi, le sous-sol d'un jardin sur un carré de 20 m de côté peut-il en contenir, sur une profondeur de 10 m, environ 24 kg, ce qui fait de l'ordre du millier de milliards de tonnes rien que pour l'écorce terrestre, sans compter le manteau. En termes de réserve mondiale, cependant, l'immense majorité de cette masse est bien sûr inexploitable dans les conditions économiques actuelles. La teneur du minerai varie beaucoup selon les roches, de 0,1 ppm dans les carbonates à 350 ppm dans les phosphates.

L'eau de mer contient environ 3,3 mg d'uranium par mètre cube selon le CEA et la COGEMA, soit 4,5 milliards de tonnes d'uranium dissous dans les océans.

Les eaux douces en contiennent souvent aussi en diverses concentrations. La concentration moyenne du Rhône en uranium est de 0,5 μg/L. La masse d’uranium transitant chaque jour dans le Rhône peut ainsi être estimée à environ 80 kg, soit près de trente tonnes par an, provenant essentiellement du ruissellement des roches uranifères des Alpes. Pourtant, en extraire de l'eau ne serait pas énergétiquement rentable.

On estime à 5,5 millions de tonnes l'uranium extractible à US59 $ par livre , et 35 million de tonnes sont classées comme ressources minérales éventuellement économiques à extraire .

La production industrielle a commencé après 1945 pour atteindre 10 000 t/an. dès 1953, 50 000 t. en 1958, décroit jusqu'à 30 000 t en 1965, remonte jusqu’à un plateau de 65 000 en 1980, redescend jusqu’à 30 000 t. dans les années 1990 et remonte dans les années 2000.

En 2009, la production mondiale était estimée à 50 572 tonnes, dont 27,3 % extraites du Kazakhstan qui a connu une forte hausse de production dans les années 2000 passant de 3 300 t en 2001 à 17 803 t en 2003. Cette hausse s'est poursuivie en faisant le leader mondial avec 33 % (soit 17 803 tonnes en 2010) et d'importantes réserves minières (17 % de la réserve mondiale). Selon l'OCDE, l'intensification de la production de ce pays a permis une augmentation de plus de 25 % de la production mondiale de 2008 à 2010.

D'autres ressources importantes sont détenues par le Canada (20,1 %), l'Australie (15,7 %), la Namibie (9,1 %), la Russie (7,0 %), et le Niger (6,4 %). De nouvelles ressources ont été trouvées, mais avec des coûts d'extraction et/ou raffinage augmentés.

L'uranium est une ressource non renouvelable (comme tous les métaux), non recyclable, et pas toujours facilement exploitable dans des conditions socialement, économiquement et/ou écologiquement acceptables. Les réserves facilement accessibles sont en cours d'épuisement, mais il reste des réserves plus coûteusement accessibles pour au moins un siècle selon l'OCDE et qui seront épuisées dans moins d'un siècle, selon les experts du Energy Watch Group (en). La quantité d'énergie extractible à partir de l'uranium naturel pourrait théoriquement être multipliée (jusqu'à 40 fois) grâce à la surgénération et au retraitement qui permettraient de fissionner la majeure partie des atomes d'uranium initialement extrait de la mine.

Dans l'eau de mer et les eaux naturelles

Les concentrations en uranium (l'élément chimique uranium) dans les eaux « naturelles » sont les suivantes :

L'eau de mer : 3,3 µg/L

Le Rhône : 0,56 µg/L (débit annuel d’uranium = 29 tonnes)

L'Indus : 4,94 µg/L

Le Gange : 7 µg/L

Le fleuve Jaune : 7,5 µg/L

Dans les eaux de boisson :

Eau de Badoit : 58 µg/L à la source, 5,45 µg/L après traitement

Eau de Vichy : 20 µg/L.

Le seuil OMS pour les eaux de boisson était fixé jusqu'en 2011 à 15 µg/L, puis en 2011 la quatrième édition des "Directives pour la qualité de l'eau de boisson" l'a fixé à 30 µg/l.

Cinétique hydrogéologique

La solubilité de l’uranium est liée aux conditions d’oxydoréduction du milieu. Dans des conditions oxydantes (augmentation de la concentration en oxygène dissous), l’uranium devient plus facilement soluble (passage de la valence IV à la valence VI). Les conditions oxydantes favorisent la complexation de l’uranium en solution avec certains ligands. Les principaux ligands sont, par ordre d’affinité décroissante:

les carbonates,

les groupements hydroxyles,

les nitrates,

les phosphates.

L’uranium présente une très forte affinité pour les oxyhydroxydes de fer. Cette adsorption peut s’effectuer très rapidement lors de changements des conditions d’oxydoréduction, une diminution de la teneur en oxygène (condition réductrice) engendre une précipitation rapide de l’uranium sous formes d’oxyde (UO2). C'est une telle précipitation qui est par exemple à l'origine du gisement d'Oklo.

Synthèse chimique des fluorures d'uranium (UFx)

Deux étapes sont nécessaires à la synthèse :

le raffinage : Le minerai d'uranium pulvérisé « yellowcake » — est dissous dans l'acide nitrique, fournissant une solution de nitrate d'uranyle UO2(NO3)2. éventuellement filtration. Le nitrate d'uranyle pur est obtenu par extraction par solvant, avec une solution de TBP.

Le minerai d'uranium pulvérisé « yellowcake » — est dissous dans l'acide nitrique, fournissant une solution de nitrate d'uranyle UO2(NO3)2.

éventuellement filtration.

Le nitrate d'uranyle pur est obtenu par extraction par solvant, avec une solution de TBP.

Cette étape permet d'obtenir un nitrate d'uranyle UO₂(NO₃)₂ de grande pureté (>99,95 %).

la conversion en elle-même : précipitation du nitrate d'uranyle par l'ammoniac gazeux pour obtenir du diuranate d'ammonium (NH4)2U2O7 (DUA), calcination du diuranate d'ammonium, vers 400 °C, pour produire l'UO3, réduction de l'UO3 par l'hydrogène pour obtenir de l'UO2, hydrofluoration d'UO2 par l'acide fluorhydrique HF dans un four pour produire du tétrafluorure d'uranium UF4, réduction de l'UF4 avec du calcium finalement pour obtenir du métal pur.

précipitation du nitrate d'uranyle par l'ammoniac gazeux pour obtenir du diuranate d'ammonium (NH4)2U2O7 (DUA),

calcination du diuranate d'ammonium, vers 400 °C, pour produire l'UO3,

réduction de l'UO3 par l'hydrogène pour obtenir de l'UO2,

hydrofluoration d'UO2 par l'acide fluorhydrique HF dans un four pour produire du tétrafluorure d'uranium UF4,

réduction de l'UF4 avec du calcium finalement pour obtenir du métal pur.

Yellowcake + nitrate d'uranyle

+ Diuranate

+ Dioxyde d'uranium

+ UF4

Propriétés

Propriétés radiologiques

Produit fissile naturel

L'uranium 235 est le seul nucléide naturel qui soit fissile (ou, très rarement, fissible), autrement dit il peut, par capture de neutron, se scinder en deux noyaux fils avec émission de neutrons (fission nucléaire). Par suite, l'uranium enrichi en cet isotope est aujourd'hui utilisé comme combustible nucléaire dans les réacteurs nucléaires (voir cycle du combustible nucléaire) ou encore dans les armes nucléaires, que ce soient les bombes atomiques, ou comme amorce dans les bombes H.

Au contraire de l'uranium 235, l'uranium 238, lorsqu'il capture un neutron, ne fissionne pas (sauf neutrons rapides). Il devient de l'uranium 239 instable qui, par désintégration β, va se transformer en neptunium 239. Or ce dernier est lui aussi radioactif β, et va alors donner naissance à un nouveau noyau, le plutonium 239. Ce radioisotope est fissile, comme l'uranium 235. L'uranium 238 est un isotope fertile, qui peut produire des produits fissiles.

L'uranium 234 n'est, lui, ni fissile, ni fertile, et provient de la décomposition radioactive de l'uranium 238 comme indiqué dans la précédente section.

La fission d'un atome d'uranium 235 libère de l'ordre de 193,2 MeV d'énergie récupérable en réacteur (la valeur exacte dépendant des produits de fission) et 9,6 MeV communiquée aux neutrinos inutiles et quasiment indétectables. De même, la fission d'un atome de plutonium 239 libère de l'ordre de 198,6 MeV d'énergie récupérable et 8,6 MeV communiquée aux neutrinos. Ces valeurs sont à comparer avec celles de la combustion de carburants fossiles, qui libèrent de l'ordre de 5 eV par molécule de CO2 produit: l'ordre de grandeur des énergies libérées par les combustibles nucléaires est un million de fois plus importante que celle des énergies fossiles chimiques.

Le potentiel d'énergie de l'uranium n'est exploité que très partiellement dans les réacteurs actuels, mais la différence reste nette : 1 kg d'uranium naturel permet la production d'environ 500 000 MJ dans un réacteur conventionnel, à comparer avec les 49 MJ obtenus par 1 kg de gaz naturel, 45 MJ pour 1 kg de pétrole, et 20 à 30 MJ pour le charbon.

Les isotopes de l'uranium naturel

L'uranium possède 26 isotopes connus, tous radioactifs, dont 3 seulement sont présents à l'état naturel : U ; U et U. On trouve dans une tonne d'uranium naturel pur 7,2 kg d'uranium 235 et 56 g d'uranium 234, le reste étant de l'uranium 238.

Uranium 238 et uranium 235

Les isotopes U et U ont beaucoup d'applications, militaires notamment, mais aussi civiles, comme la datation de l'âge de la Terre à partir de la datation radiométrique par l'uranium-plomb ou par l'uranium-thorium.

Quelles que soient les teneurs en uranium des milieux, les proportions entre les deux principaux isotopes formant l'uranium naturel sont pratiquement les mêmes : U : 99,28 % ; U : 0,72% ; U : 0,0056 %.

La proportion d'U décroît à l'échelle des temps géologiques. Leur rapport de formation dans une supernova est de un à 1,65, c'était (approximativement) la proportion de l'uranium présent sur Terre il y a ~4,5 milliards d'années, ce qui est juste inférieur à l'âge de la formation de ces isotopes (voir formation et évolution du système solaire). Il y a deux milliards d'années, lors de la période de fonctionnement du réacteur nucléaire naturel d'Oklo, la proportion d'U était encore de près de 4 %, ce qui a permis à ce gisement d'atteindre la criticité, lors de la précipitation des composés dissous formant le nouveau minerai.

Uranium 234

Le troisième isotope, U, appartient à la chaîne de désintégration de l'U. L'isotope 234 est toujours présent sur Terre, à l'état de traces, bien qu'il ait une demi-vie de seulement 245 500 ans ; car il est constamment créé par désintégration radioactive de l'isotope 238 (après 3 étapes : une transition α donnant Th, puis deux transitions β donnant Pa, puis U). Quand il est à l'équilibre séculaire, la proportion entre U et U est égale au rapport des demi-vies, soit 0,0056 %.

Cependant, les rapports isotopiques peuvent varier légèrement d'un gisement à l'autre, entre 0,005 % et 0,006 % pour l'U, du fait d'une légère différence de comportement dans le changement U↔ U . Le rapport isotopique U/U peut être perturbé par différents processus environnementaux, tandis que le rapport U/U reste assez largement constant.

Autres isotopes

L'industrie nucléaire produit deux autres isotopes artificiels de l'uranium, relativement stables à échelle humaine :

L'isotope 236 est produit en réacteur par irradiation de l'isotope 235, qui dans près de 18 % des cas ne fissionne pas mais absorbe un neutron. Il tend à s'accumuler dans l'uranium de recyclage, dont il augmente fortement la radioactivité, et dont (étant neutrophage) il diminue le potentiel énergétique. Bien qu'ayant une demi-vie de 23 millions d'années, presque du centuple de celle de l'isotope 234, cet isotope a disparu depuis longtemps dans la nature. Son produit est du thorium 232, qui s'est « confondu » avec le thorium 232 « initial » et se trouve à présent majoritairement sous cette forme ainsi que des éléments de sa chaîne de désintégration.

L'isotope 233 est un élément fissile produit en réacteur par irradiation du thorium. Il est à la base du cycle du thorium. Sa demi-vie de 159 000 ans est largement supérieure à celle du plutonium.

Activité massique

Spectre gamma d'un minerai d'uranium, permet d'identifier la présence des radionucléides Ra, Pb, Bi de la chaîne de désintégration de l'uranium 238 (lui-même non émetteur gamma).

L'uranium pur est radioactif, son activité massique dépendant à la fois de son enrichissement, et de la fraîcheur de sa purification chimique.

Si l'on considère les isotopes purs de l'uranium, U a une activité massique de 12,4 Bq/mg, U de 80 Bq/mg, et U de 230 Bq/µg, soit 230 000 Bq/mg — quatre ordres de grandeur au-dessus des précédents.

L'uranium naturel, quand il est chimiquement purifié (essentiellement composé de U et de U en équilibre avec son descendant U), a une activité spécifique de l'ordre de 25 Bq/mg. En amont, à poids égal d'uranium, la radioactivité d'un minerai, où il est en équilibre avec tous les éléments radioactifs de sa chaîne de désintégration, est naturellement 3 (si le Radon peut s'échapper) à 7 fois plus importante.

L'uranium enrichi est plus actif, partiellement du fait de l'activité plus importante de U (6,33 fois plus radioactif que l'U), mais surtout à cause de la concentration différentielle en U (10 000 fois plus radioactif que U), toujours présent à l'état de traces dans la chaîne de désintégration de l'isotope 238. Elle atteint typiquement 2 500 Bq/mg pour un enrichissement de 90 % (uranium dit de qualité militaire). Pour les enrichissements de l'ordre de 3 %, destinés aux centrales nucléaires, l'activité spécifique est de l'ordre de 60 Bq/mg.

Inversement, l'uranium appauvri est presque entièrement débarrassé non seulement de sa fraction de l'isotope 235, mais également de son descendant l'isotope 234. Immédiatement après l'enrichissement, son activité massique tend à se rapprocher de celle de U pur, c'est-à-dire de l'ordre de 12,5 Bq/mg (en pratique, un peu plus du fait de la présence résiduelle d'U). Cependant, l'équilibre entre U et ses deux premiers descendants (le thorium 234 de période 24 jours, et le protactinium 234) est atteint rapidement, en 2 mois. La radioactivité spécifique à l'équilibre (avec ses deux premiers descendants) étant déjà de 41,5 Bq/mg.

Sections efficaces

Aux neutrons thermiques, avec:
σ_a= Section efficace d'absorption (= capture + fission le cas échéant)
σ_f= Section efficace de fission

À 20 °C
U: σ_a = 585,9 barns ; σ_f = 532,8 barns
U: σ_a = 676,1 barns ; σ_f = 568,4 barns
U: σ_a = 2,72 barns

À 240 °C
U: σ_a = 587,3 barns ; σ_f = 534,9 barns
U: σ_a = **7,0 barns ; σ_f = 543,1 barns
U: σ_a = 2,60 barns

À 300 °C
U: σ_a = 588,9 barns ; σ_f = 536,1barns
U: σ_a = **2,4 barns ; σ_f = 538,8 barns
U: σ_a = 2,58 barns

Propriétés chimiques

Valences III (rouge), IV (vert), V (instable) et VI (jaune) de l'uranium

De symbole U, l'uranium est le dernier élément naturel du tableau périodique. Chaque atome d'uranium possède 92 protons et entre 125 et 150 neutrons.

À l'état pur, l'uranium solide est un métal radioactif gris à blanc (voire argenté), qui rappelle la couleur du nickel. Il est dur et très dense. De plus, l'uranium est l'atome le plus lourd (qui contient le plus de nucléons) présent naturellement sur la Terre.

En raison de son affinité pour l'oxygène, l'uranium s'enflamme spontanément dans l'air à température élevée, voire à température ambiante lorsqu'il se trouve sous forme de microparticules. Il est pyrophorique.

L’uranium a quatre valences possibles (+III à +VI), les valences IV et VI étant les plus répandues dans les minerais. Les conditions de passage de la valence IV à la valence VI dépendent du potentiel d’oxydoréduction du milieu.

Ainsi dans la nature, l'élément uranium se retrouve toujours combiné à d’autres éléments, tels l'oxygène, l'azote, le soufre, le carbone sous forme d'oxydes, de nitrates, de sulfates ou de carbonates. On le trouve, par exemple, combiné à l'oxygène dans l'uranite et la pechblende, deux des principaux minerais d'uranium, constitués d'oxyde uraneux (UO2).

Enfin, les ions uranyle UO2 se dissolvent très bien dans la plupart des acides, comme dans l'acide nitrique HNO3 ou l'acide fluorhydrique HF en donnant des sels d'uranyle tels que le nitrate d'uranyle UO2(NO3)2. L'équation de la dissolution de l'ion uranyle en sel d'uranyle dans l'acide nitrique est la suivante :

UO2 + 2 NO3 → UO2(NO3)2.

Dérivé organo-uranien

Comme la plupart des métaux, l'uranium a une chimie organo-métallique et de nombreux complexes organo-métalliques tel l'uranocène sont connus.

Applications

Utilisations historiques

Plateau en ouraline fluorescent sous éclairage ultraviolet.

Le minerai d'uranium a été utilisé comme pigment dans la verrerie, la céramique et la faïence, sous forme de diuranate de sodium ou d'ammonium. Dans le verre, l'uranium est typiquement utilisé à des concentrations de 0,1 % à 2 % en masse pour produire de l'ouraline, solide d'un jaune fluorescent ou légèrement vert facile à identifier. Il a été utilisé pour colorer des céramiques dentaires à de très faibles concentrations. Il produit une pigmentation jaune à faibles concentrations, puis crème, orange, brune, verte, ou noire, quand la concentration augmente.

Il sert également de catalyseur dans certaines réactions chimiques spécialisées et dans des films photographiques.

L'uranium appauvri a également été utilisé pour ces emplois physico-chimiques. Sous forme d'acétate d'uranyle et de zinc (réactif de Blanchetière), il donne des cristaux jaune-vert fluorescents avec les ions sodium Na+. Il permet donc de caractériser facilement ce métal lors des analyses en chimie minérale.

Industrie nucléaire

Pastilles de combustible nucléaire d'uranium.

Historiquement, la première utilisation du minerai d'uranium par l'industrie nucléaire a été d'en extraire le radium, pour des applications médicales.

Le principal usage contemporain de l'uranium exploite ses propriétés nucléaires.

L'uranium 235 est le seul isotope fissile naturel, ce qui permet l'exploitation de l'uranium dans les réacteurs nucléaires (après un éventuel enrichissement), ainsi que pour la fabrication d'armes nucléaires (après un fort enrichissement).

L'uranium 238 est à la fois fissible dans les réacteurs à neutrons rapides, et fertile : par capture neutronique il se transforme finalement en plutonium 239, fissile. Il est envisagé d'exploiter cette double possibilité dans le cycle du combustible nucléaire, pour des cycles fondés sur la combustion du plutonium.

L'uranium 233, qui peut être artificiellement produit par irradiation du thorium, est également fissile en neutrons thermiques. Cette possibilité est à la base d'un cycle surgénérateur fondé sur le thorium.

Contrôle des matières nucléaires

L'uranium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).

Uranium appauvri

L'uranium appauvri, un sous-produit de l'enrichissement de l'uranium, est très prisé pour sa dureté et sa densité. Il est pyrophorique, employé comme arme antichar dotée d'un fort pouvoir à la fois pénétrant et incendiaire : à très haute vitesse, il perfore aisément les blindages en s'enflammant lors de l'impact, provoquant un incendie qui fait exploser le véhicule touché. Ainsi, des munitions à base d'uranium appauvri (obus de 20 à 30 mm des avions ou hélicoptères chasseurs de chars) ont été utilisées lors des guerres du Golfe (guerre du Koweït et guerre en Irak) et du Kosovo.

Dans ses emplois militaires, l'uranium appauvri est également utilisé pour faire des plaques de blindages.

L'uranium appauvri a aussi été utilisé comme contrepoids en aviation, sur les premiers Boeing 747, les McDonnell Douglas DC-10, les Lockheed L-1011 TriStar par exemple, ce qui pose le problème du recyclage de ces avions qui, pour beaucoup, arrivent en fin de vie. Dans cet emploi, il est progressivement remplacé par le tungstène. La quille de certains voiliers de compétition a contenu de l'uranium appauvri avant que la réglementation n'interdise son usage.

Il est également plus efficace que le plomb pour les écrans de protection radiologique.

Avec un complément de plutonium, l'uranium appauvri constitue un combustible nucléaire appelé « combustible MOX ». Il sert d'élément fertile dans les réacteurs, où l'U se transforme par irradiation en Pu fissile.

Toxicité

Toxicité chimique

L'uranium présente une toxicité comparable à celle d'autres métaux lourds, du même ordre que celle du plomb. La dose létale pour l'homme semble être de quelques grammes.

La majeure partie de l’uranium pénétrant dans l’organisme (plus de 95 %) n’est pas absorbée et s’élimine dans les fèces. Environ 67 % de l’uranium sanguin est filtré par les reins et excrété dans les urines dans les 24 heures.

Le système digestif absorbe globalement entre 0,2 et 2 % de l’uranium présent dans l’eau et les aliments. Les composés solubles de ce métal sont plus facilement absorbés que les composés insolubles. Le contenu normal d'un corps humain en équilibre avec son environnement est de l'ordre de 90 à 150 µg d'uranium, résultant d'un apport journalier de l'ordre de 1 à 2 µg/jour par l'eau courante et l'alimentation. Les deux tiers s'accumulent dans les os, 16 % dans le foie, 8 % dans les reins et 10 % dans les autres tissus.

Le rein est l'organe critique pour la toxicité chimique. Les études à long terme portant sur des professionnels exposés à l’uranium ont signalé certains troubles de la fonction rénale selon l’intensité de l’exposition. Il semblerait néanmoins d’après certaines données que ces troubles puissent être transitoires et que la fonction rénale revienne à la normale après élimination de la source d’une exposition excessive. Le seuil de toxicité chimique rénale est estimé à 70 µg/kg de poids corporel ou 16 µg/g de rein (limite de 3 µg/g de rein pour la protection des travailleurs).

Radiotoxicité

Contrairement à la radioactivité, qui se mesure en becquerels, la radiotoxicité de l'uranium (c'est-à-dire l'effet de son rayonnement ionisant sur l'homme) se mesure en μSv (microsievert).

Quel que soit son enrichissement, la radioactivité de l'uranium est toujours du type alpha de l'ordre de 4,5 MeV. Sa radiotoxicité dépend donc de son activité massique et faiblement de sa composition. Elle est de l'ordre de 0,6 µSv/Bq (F) à 7 µSv/Bq (S) en inhalation, 0,05 µSv/Bq (F) à 0,008 µSv/Bq (S) en ingestion, les poumons et les os étant alors les organes critiques.

La radiotoxicité de l'uranium serait du même ordre de grandeur que celle de la toxicité chimique : elle l'emporte pour des enrichissements supérieurs à 6 %, la toxicité chimique étant sinon prépondérante.

Effets sur la reproduction

L'uranium est aussi reprotoxique via notamment un effet délétère sur les organes reproducteurs ; soit du fait de sa radioactivité, soit du fait de sa chimiotoxicité, et peut-être des deux. L'uranium a chez l'animal des effets démontrés ; sur le système reproducteur: Chez le rongeur de laboratoire, la barrière hémato-testiculaire (ou BHT) qui était réputée protéger le testicule peut en être franchie par le plutonium, l'américium et le polonium au moins grâce à la transferrine.

De l'uranium est significativement trouvé dans les testicules de rats ayant reçu un implant d'uranium dans le muscle d'une des pattes. Les récepteurs à la transferrine présent dans l'épithélium séminifère humain pourrait donc expliquer la présence d'uranium dans le sperme de soldats blessés par des munitions à l'uranium appauvri.

Des rats ayant des implants sous-cutanés d'uranium, et des souris abreuvées d'eau contenant de l'uranium produisent des cellules de Leydig altérées, ce qui perturbe la production d'hormones stéroïdes et se traduit par un sperme dégradé (spermatozoïdes moins nombreux et moins mobiles), expliquant les observations faites dès 1949 de diminution du nombre de portées et du nombre de petits par portée chez plusieurs espèces d'animaux ayant régulièrement ingéré de faibles doses de nitrate d'uranyle.

Effets sur le développement

il induit une toxicité fœtale et embryonnaire chez la souris chez laquelle un implant d'uranium a été posé dans le muscle d'une patte.

il est tératogène à doses plus élevées, avec mort de l'embryon exposé à une concentration 50 mg·kg·j durant 9 jours, 20 % inférieure à la dose létale pour l'adulte.

une souris gestante abreuvée avec une eau correspondant à une ingestion de 25 mg d'uranium/kg/j produit moins de jeunes. Ceux-ci ont ensuite des problèmes de développement et de survie.

La plupart des études et réglementations se fondent sur les effets sur l'animal, or les premières études ex vivo permises par les nouvelles techniques de cultures cellulaires laissent penser que les gonades humaines seraient plus sensibles à l'uranium que ne le sont celles des rongeurs utilisés en laboratoire. Le testicule fœtal humain pourrait aussi être plus sensible que ceux des rongeurs de labo.

Normes

Il n'y a pas de consensus sur les normes ni la NOAEL (dose sans effet nocif observé) de l'uranium, certains estimant que les effets délétères de la radioactivité peuvent exister quelle que soit la dose.

Pour la potabilité de l'eau, l'OMS a fixé une teneur maximale de 1,4 mg·l, tout en recommandant dans ses lignes directrices une concentration en uranium cent fois plus faible, inférieure à 15 µg/l, pour les eaux de boisson courante.

Prix

Prix « spot » mensuel de l'uranium en US$.

Le prix de l'uranium a baissé dans les années 1980 et 1990 pour plusieurs raisons :

les politiques d'économie d'énergie ont permis de limiter la consommation d'électricité ;

des gisements d'uranium économiquement exploitable ont été découverts ;

les stocks d'uranium militaire constitués dans le contexte de la guerre froide ont été convertis en stocks civils et utilisés dans les réacteurs nucléaires à la suite de l'assouplissement des tensions américano-soviétiques.

Le prix de l'uranium a atteint un minimum en janvier 2001 à 6,40 $ par livre de U₃O₈.

Le prix de l'uranium a progressivement augmenté depuis 2001 pour atteindre un pic à 135 $ en juin 2007. Ce pic s'explique par la diminution des stocks, la faible augmentation de production, et par des événements ponctuels tels que l'inondation de la mine de Cigar Lake au Canada et l'incendie de la mine Olympic Dam en Australie.

L'uranium est redescendu à 46,50 $ en août 2010. En janvier 2011, il se situait à environ 63 $. Il est à prévoir une tendance à la hausse en raison de l'épuisement des stocks militaires prévu vers 2015.

Le prix de revient du kWh est peu sensible au prix de l’uranium. Certes, le coût du cycle du combustible représente environ 20 % du prix de revient du kWh, mais ce cycle comprend toutes les transformations physiques et chimiques qu’il faut faire subir à l’uranium naturel pour en faire un combustible utilisable. En conséquence, le prix du minerai d’uranium ne dépasse guère 7 % du coût total du kWh. Cependant, des études économiques montrent que le prix de l'uranium commence à avoir un effet significatif sur le coût du kWh d'électricité nucléaire à partir de 50 ou 100 € par livre de U3O8.

Commerce

La France importe plus que la consommation d'uranium qui lui est nécessaire et exporte ses surplus sous différentes formes, d'après les douanes françaises. En 2014, le prix moyen à la tonne à l'export était de 36 000 €.

铀（Uranium）是一种银白色金属化学元素，属于元素周期表中的锕系，化学符号为U，原子序为92。每个铀原子有92个质子和92个电子，其中6个为价电子。铀具微放射性，其同位素都不稳定，并以铀-238（146个中子）和铀-235（143个中子）最为常见。铀在天然放射性核素中原子量第二高，仅次于钚。其密度比铅高出大约70%，比金和钨低。天然的泥土、岩石和水中含有百万分之一至百万分之十左右的铀。采矿工业从沥青铀矿等矿物中提取出铀元素。

自然界中的铀以三种同位素的形式存在：铀-238（99.2739至99.2752%）、铀-235（0.7198至0.7202%）、和微量的铀-234（0.0050至0.0059%）。铀在衰变的时候释放出α粒子。铀-238的半衰期为44.7亿年，铀-235的则为7.04亿年，因此它们被用于估算地球的年龄。

铀独特的核子特性有很大的实用价值。铀-235是唯一自发裂变的同位素。铀-238在快速中子撞击下能够裂变，属于增殖性材料，即能在核反应炉中经核嬗变成为可裂变的钚-239。铀-233也是一种用于核科技的可裂变同位素，可从自然钍元素制成。铀-238自发裂变的机率极低，快中子撞击可诱导其裂变；铀-235和233可被慢中子撞击而裂变，如果其质量超过临界质量，就都能够维持核连锁反应，在核反应过程中的微小质量损失会转化成巨大的能量。这一特性使它们可用于生产核裂变武器与核能发电。耗尽后的铀-235发电原料被称为贫铀（含U），可用做钢材添加剂，制造贫铀弹和装甲。

铀是铀玻璃中颜色的来源，能产生橙红至青黄色。早期摄影曾使用铀为照片着色和晕渲。1789年，马丁·克拉普罗特在沥青铀矿中发现了铀元素，并将其以天王星（Uranus）命名。尤金-梅尔希奥·皮里哥首次分离出铀金属，而亨利·贝可勒尔则于1896年发现了铀的放射性。1934年起恩里科·费米等人进行研究，使铀成为了核能工业所用的燃料和用于轰炸广岛的小男孩原子弹原料。冷战期间美国和苏联进行军备竞赛，生产了数万个含铀或衰变产物为铀-235的钚-239的核武器。苏联解体后苏联核武器的安全问题受到公众的关注。

特性

α型：正交晶系，稳定温度上限为660 °C

β型：四方晶系，稳定温度区间为660 °C至760 °C

γ型：体心立方，从760 °C至熔点，此形态的延展性最高。

应用

军用 贫铀被多**队用作制造高密度穿甲弹。 铀在军事方面的应用主要在于制造高密度穿甲弹。这种穿甲弹由贫铀组成，并掺有1至2%其他元素，形成合金。在高速击中目标时，由于其高密度、高硬度，并具有自燃性，它能够有效摧毁重装甲目标。坦克及其他车辆的装甲中也有使用贫铀。英、美及其他各国在波斯湾和巴尔干作战时使用了贫铀军备，由于可能在泥土中留下了铀元素，因此引起了环境安全及政治上的争论。 贫铀可用于制造保存或运载放射性物质的容器外壳。虽然铀本身具有放射性，但其高密度使它比铅元素更有效于阻挡强烈的辐射，例如镭所产生的辐射。其他贫铀的应用包括飞机控制面的平衡物以及导弹进入大气层时的压载和保护性外壳。由于密度极高，贫铀可用在惯性导航系统和陀螺仪式指南针当中。贫铀比其他同样高密度的物质优胜，因为其加工、铸造简单，价格相对也较低。接触贫铀时的主要危险在于氧化铀中毒，而非辐射（铀是一种弱α粒子射源）。 现在第二次世界大战晚期和整个冷战期间，多国利用铀-235作为可裂变爆炸物制造核武器。最初制成的有两种核弹：第一种使用铀-235，相对简单；另一种使用经转化铀-238形成的钚-239。之后生产的为更复杂，爆炸力也更大的裂变聚变核弹（氢弹），使用钚设备使氚氘混合物进行核聚变。这种核弹的外壳是不可裂变的铀（即贫铀），核聚变产生的快中子使该物质裂变，产生爆炸中超过一半的能量。 民用 核能发电是铀最常见的民间应用。 铀在民间主要在核电站中作核燃料用。假设完全裂变，一公斤的铀-235理论上可以产生80万亿焦耳的能量（8×10焦耳），相等于3000吨煤。 商业核电站所用的铀一般含有3%的铀-235同位素。CANDU和Magnox反应炉是能够使用非浓缩铀作为燃料的仅有的两种反应炉。美国海军所用的核反应炉通常使用高浓缩铀，铀-235的比例较高（实际百分比被列为机密）。快中子增殖反应堆可经过一下反应将铀-238转化为钚： U (n, γ) → U -(β) → Np -(β) → Pu. 在紫外线照射下发光的铀玻璃 在放射性被发现之前，铀主要被用在黄色玻璃及陶器彩釉当中，如铀玻璃等。 玛莉·居礼在铀矿石（沥青铀矿）中发现并分离出镭元素，激发了人们对铀矿进行开采，将提取出的镭制成萤光油漆，用于钟表和飞机仪表盘上。由于要处理3吨铀矿才能提取出1克镭，这产生了大量的含铀副产品。这些副产品都送往彩釉工业，使得含铀彩釉的价格大大降低。除了陶器以外，铀还被用在瓦片中，可制成红、蓝、绿、黄、紫红、黑等多种颜色。 铀玻璃为真空电容密封。 铀也被用在摄影学化学物（特别是用作调色剂的硝酸铀）、灯丝以及皮革、木材的染料当中。铀盐可作为丝绸和样貌的媒染剂。乙酸铀酰和甲酸铀酰在透射电子显微镜中被用作富含电子的染料，在为超薄切片、单独细胞器和高分子成像时，及在对病毒进行负染色法时提高标本与环境的对比度。 铀的放射性的发现促进了更多在科学及日常中对铀的应用。由于铀-238同位素的半衰期很高（4.51×10年），因此被用来估计最远古火成岩的年龄。其他用到铀的放射性定年法包括铀钍定年法、铀铅定年法和铀铀定年法。在产生高能X射线时所用的目标体中也用到铀。

历史

史前天然裂变 1972年，法国物理学家弗朗西斯·佩兰分别在西非加蓬奥克洛的3个矿床中，发现了15处古天然核反应堆，今天已不再活跃。该矿床的年龄为17亿年，当时地球上的铀中，铀-235占3%。在适当环境下，这足以激发并维持核连锁反应。 史前应用 人类最早使用铀的天然氧化物，可以追溯到公元79年以前。当时氧化铀被用来为陶瓷上黄色的彩釉。1912年，牛津大学的R. T. Gunther在意大利那不勒斯湾波希里坡海角（Cape Posillipo）的古罗马别墅中，发现了含1%氧化铀的黄色玻璃。从欧洲中世纪晚期开始，波希米亚约阿希姆斯塔尔（既今捷克亚希莫夫）的居民就使用哈布斯堡银矿中提取的沥青铀矿来制造玻璃。19世纪初，人们所知的铀矿仅在以上的地点。 发现 亨利·贝可勒尔在1896年将照相底片放在铀附近，从而发现了放射性。 铀元素是由德国化学家马丁·克拉普罗特发现的。1789年，他在位于柏林的实验室中，把沥青铀矿溶解在硝酸中，再用氢氧化钠中和，成功沉淀出一种黄色化合物（可能是重铀酸钠）。克拉普罗特假设这是一种未知元素的氧化物，并用炭进行加热，得出黑色的粉末。他错误地认为这就是新发现的元素，但其实该粉末才是铀的氧化物。他以威廉·赫歇尔在八年前发现的天王星（Uranus）来命名这种新元素，而天王星本身是以希腊神话中的天神乌拉诺斯命名的。同样地，铀之后的镎（Neptunium）以海王星（Neptune）命名，其后的钚（Plutonium）则以冥王星（Pluto）命名。 1841年，巴黎中央工艺学校（Conservatoire National des Arts et Métiers）分析化学教授尤金-梅尔希奥·皮里哥把四氯化铀和钾一同加热，首次分离出铀金属。19世纪时人们不意识到铀的危险性，因此发展了各种铀的日常应用，其中包括历史流传下来的陶瓷和玻璃上色。 1896年，亨利·贝可勒尔在位于巴黎的实验室中，使用铀元素发现了放射性。贝可勒尔将硫酸铀钾盐（K2UO2(SO4)2）放在底片上，并置于抽屉当中。取出之后，他发觉底片出现了雾状影像。他得出结论，铀会发出一种不可见光或射线，在底片上留下了影像。 核裂变研究 曼哈顿计划期间制造的铀立方体 以恩里科·费米为首的一个团队在1934年观察到，对铀进行中子撞击会产生β射线（即释放出电子或正子）。这些裂变产物起初被误以为是原子序为93和94的新元素，它们分别被命名为Ausonium和Hesperium。奥托·哈恩和弗里德里希·史特拉斯曼在哈恩位于柏林的实验室中进行了此项实验，发现了铀能够分裂成为更小的原子核，并释放出核结合能。莉泽·迈特纳和她的侄子奥托·罗伯特·弗里施于1939年2月刊登了该现象的物理解释，并将这种过程称为「核裂变」。不久之后，费米猜测铀的裂变所释放的中子可能足以使这一裂变持续进行。1939年，这一假说得到了证实。科学家也发现，占少数的铀-235同位素每次裂变平均可产生2.5个中子；而占多数的铀-238则可经核嬗变变为钚，而钚就像铀-235一样，能够进行释放热中子的核裂变。这一发现促使多国开始进行制造核武器及运用核能的相关研究。 1942年9月2日，美国曼哈顿计划中同样以费米为首的另一团队成功产生了首次人造核连锁反应，称Chicago Pile-1。团队在芝加哥大学一个美式足球场地底进行此项实验，其中使用了360吨石墨、53吨氧化铀和5.5吨铀金属。 原子弹 在代号为「小男孩」的铀原子弹爆炸之后，日本广岛上空所出现的蘑菇云 第二次世界大战，美国主要研发了两种原子弹：一种主要含铀的炸弹，其中的可裂变物质为高浓缩铀（代号「小男孩」）；另一种为主要含钚的炸弹，其钚元素源自铀-238（见三位一体核试及胖子原子弹）。「小男孩」是首个被用于战争当中的核武器，它在1945年8月6日于日本广岛上空爆炸。其爆炸当量为12,500吨TNT炸药，引爆后的热冲击波摧毁了5万幢房屋，导致7.5万人死亡。（见广岛与长崎原子弹爆炸）。起初人们以为铀是一种稀有元素，通过垄断所有现有铀存库便可避免核扩散。然而不过10年，大型铀矿就在世界各地相继被发现。 反应炉 首个人造核能发电机EBR-I（实验增殖反应炉一号）所点亮的4个灯泡（1951年） 位于美国田纳西州橡树岭国家实验室的X-10石墨反应炉是世界上第二个人造核反应炉 ，也是第一个为持续作业而造的核反应炉。爱达荷州阿科镇阿贡国家实验室的EBR-I（实验增殖反应炉一号）在1951年12月20日成为了首个产生电力的核反应炉。最初该反应炉只点亮了4个150瓦灯泡，但经过改进，它最终可为整个实验室供电。（其后，阿科镇成为了世界上首个完全依赖核电的小镇，其电力来自阿贡国家实验室的另一个核能发电机BORAX-III。）全球首个商业规模核电厂是位于前苏联的奥布宁斯克核电站，它于1954年6月27日投入使用。1954年，鹦鹉螺号成为了第一个使用核动力的潜水艇。 核污染及冷战后患 美国（蓝）与苏联（红，后俄罗斯联邦）从1945年至2016年的核武器积存量 苏联及美国在1950年代至1960年代初，以及法国在1970至1980年代所进行的地面核试验使大量含有铀的子同位素的辐射落尘散布在世界各地。多次核事故也加剧了放射性污染。 铀矿工人患癌症的机会比其他人较高。例如，有证据显示纳瓦霍铀矿工人有较高机会患肺癌。美国1990年通过的辐射曝露补偿法规定，对所有确诊患有癌症或其他呼吸道疾病的铀矿工人给予10万美元慰问金。 美苏冷战期间，两国收集并囤积了大量的铀，并用此制造了上万个核武器。在1991年苏联解体之后，540吨武器级高浓缩铀（足以制成4万个核弹头）被存放在监管不严的地点，散布在俄罗斯联邦及其他前苏联国家。亚洲、欧洲及南美洲各国警方在1993年和2005年之间，至少有16次截获到走私的武器级铀和钚，大部分都来自前苏联。美国联邦政府在1993年至2005进行了材料保护、控制和衡算项目，动用了5.5亿美元来保护位于俄罗斯的铀钚存库。《科学美国人》在2006年2月刊登文章，指出其中一处设施在改善项目进行之前，浓缩铀是存放在扫帚柜的，用来记录核弹头的卡片则放在鞋盒中。

存量

生物及非生物存量 沥青铀矿是最常用来提取铀的矿石。 铀是一种天然元素，在各类岩石、土壤和水里都会少量出现。在地球的地壳当中，铀的丰度在所有元素中排列第51。铀也是在地球上大量存在的元素中原子序最高的。与所有原子量大于铁的元素一样，铀只能在超新星爆炸中自然产生。地幔的热量主要来自当中铀、钍和钾-40的衰变。这一热量使得地球的外核保持液态，也推动着地幔对流，从而导致板块移动。 铀在地壳中的平均含量为百万分之2至4，约为银的40倍。从地表至地底25公里一层内，估计含有10 kg铀，而海洋里则可能有10 kg铀。泥土中铀的含量为百万分之0.7至11（由于使用磷肥料，农田土壤中铀浓度可高达百万分之15），在海中则是十亿分之3。 铀的含量比锑、锡、镉、汞和银要高，并和砷和钼相约。数百种矿石都含有铀，如沥青铀矿（最常见的铀矿石）、钒酸钾铀矿、钙铀云母、硅钙铀矿、铜铀云母、水硅铀矿等等。一些其他物质里也有明显较高的铀含量，如磷矿石、褐煤、独居石等。一些加工厂能够从含铀量低至0.1%的物质中提取出铀。 柠檬酸杆菌中的铀浓度可以比周围环境高出300倍。 腐败希瓦菌和铁还原地杆菌等的某些细菌可以将铀(VI)还原成铀(IV)。某些生物，如地衣Trapelia involuta和微生物柠檬酸杆菌能够使内部铀浓度比周围环境高300倍。柠檬酸杆菌在甘油磷酸（或其他类似的有机磷酸化合物）存在的情况下，可吸收铀酰离子。在一天以后，一克细菌可以产生9克磷酸铀酰晶体。这意味着可以用这一些物种对收到核污染的水源进行生物修复。 自然界中的铀(VI)在碱性环境下会形成可溶性很高的碳酸盐配合物。这使得核废料中的铀能够轻易流动至地下水源和泥土中，对环境造成污染破坏。然而在碱性环境下，当存在过量碳酸盐时，很难将铀以磷酸铀的形式沉淀出来。 植物会从泥土中吸取部分铀。如果去水后以重量计，那铀在植物中的含量为十亿分之5至60，而木材燃烧后的灰烬中可含有百万分之4的铀。食用植物中，铀的去水重量比一般较低。人类每天从食物中吸收1至2微克的铀。 采矿与生产 全球铀矿及铀需求分布图 黄饼是一种经过提炼的高浓度氧化铀混合物 2010年世界铀产量为53,663吨，其中17,803吨（33.2%）采自哈萨克斯坦斯坦。其他主要铀生产国还包括：加拿大（9,783吨）、澳洲（5,900吨）、纳米比亚（4,496吨）、尼日尔尔（4,198吨）和俄罗斯（3,562吨）。 开采铀矿的方法包括：露天开采、地下开采、原地浸出和钻孔开采等。开采出的低浓度铀矿包括0.01至0.25%的氧化铀，经复杂的过程可从中提炼出铀金属。采自加拿大萨斯喀彻温阿萨巴斯卡盆地矿藏的高浓度铀平均可含有高达23%的氧化铀。铀矿石要压碎至粉末状，再经酸或碱浸滤。浸滤液需通过沉淀、溶液萃取和离子交换，形成一种称为「黄饼」的铀精矿，含有至少75%氧化铀（U3O8）。黄饼要经煆烧以移除磨粉过程中的杂质，再送往精炼和化学转换工序。 用碱金属或碱土金属对卤化铀进行还原反应，可制成商用铀。KUF5或UF4点解后，溶于熔化的氯化钙（CaCl2）和氯化钠（NaCl）溶液中，也可产生铀金属。卤化铀放在热灯丝上经热降解，可形成高纯度铀。 资源储备 2005年全球主要铀矿分布图 经估计，全球目前有550万吨铀库存，每磅铀可售59美元；另有3500万吨铀尚待开采。铀价格从2003年5月的每磅10美元升至2007年7月的每磅138美元。这促使了人们对铀的开采：2005年世界为铀开采花费2亿美元，比2004年高出54%；2006年世界花费7.74亿美元，比2004年高出250%。 澳洲拥有全球已知铀矿藏的31%。世界上最大的单个铀矿藏并位于南澳州的奥林匹克大坝矿山。中非共和国姆博穆省贝库玛也拥有大型铀矿藏。 「百万吨变百万千瓦」等类似计划通过拆卸核武器，将可用物质转变为核燃料。 海水中估计仍含有46亿吨铀。1980年代，日本科学家证明，用离子交换法从海水萃取铀元素在技术上是可行的。科学家曾进行从海水中提取铀的实验，但由于水中含有碳酸盐，使铀产量很低。2012年，美国橡树岭国家实验室的研究人员宣布成功研发了一种称为HiCap的新型吸附剂，能比过去的吸附剂更好地保留固体或气体分子、原子和离子。研究人员称，这种材料提取出的铀比过去多5至7倍。 供应 每月铀价格趋势图（以每磅美元计），2007年的铀价泡沫爆破清晰可见。 2005年共有17个国家生产高浓度氧化铀，其中哈萨克斯坦斯坦（占全球产量的35.6%）和加拿大（16.7%）为最大产国，其他主要产国还包括澳洲（11.0%）、尼日尔尔（8.0%）、纳米比亚（6.0%）、乌兹别克斯坦斯坦（5.5%）、俄罗斯（5.5%）、阿根廷（2.1%）、美国（2.8%）及中国（2.7%）等。2004年国际原子能机构预计地球上的所有铀矿藏估计足够供应未来85年的需求，但也有研究指出，20世纪末投资不足，可能对21世纪的铀供应带来压力。铀矿藏量与矿石含铀量呈对数正态分布。矿石含铀量降低10倍，可开采的铀矿量就会提高300倍。也就是说，矿石含铀量越高，可开采量则越低，反之亦然。

化合物

氧化态与氧化物 氧化物 八氧化三铀（左）和二氧化铀（右）是最常见的两种氧化铀。 大型铀加工厂所煆烧出的黄饼含有不同的铀化合物，其中有铀的各种氧化态。氧化态较低的粒子在煆烧炉中存留时间较短，氧化态较高的存留时间则较长。含铀物质一般假设为U3O8，比如曼哈顿计划中进行化学分析时，都以U3O8作为计算的标准。 氧铀系统中物质的相态非常复杂。铀的最常见氧化态为铀(IV)和铀(VI)，分别对应于二氧化铀（UO2）和三氧化铀（UO3）。其他存在的氧化物还有一氧化铀（UO）、五氧化二铀（U2O5）、过氧化铀（UO4·2H2O）等等。 八氧化三铀（U3O8）和二氧化铀（UO2）是铀最常见的氧化物。这两种氧化物都是固体，不易溶于水，在许多化学环境下都相对稳定。八氧化三铀是最稳定的铀氧化物，也是自然界中最常见的一种。二氧化铀则是核反应炉中最常用的铀燃料。在环境温度下，UO2会逐渐转变为U3O8。因为铀的氧化物都较稳定，所以铀是以氧化物的形态保存和弃置的。 水溶化学 左至右为铀的III、IV、V、VI氧化态 铀具有不同氧化态的盐，当中不少都溶于水，可在水溶液中进行研究。铀的最常见离子态为U（棕红色）、U（绿色）、UO+ 2（不稳定）及UO2+ 2（黄色），分别对应于U(III)、U(IV)、U(V)和U(VI)。铀(II)氧化态有UO和US等固态及半金属化合物，但没有可溶的简单离子。U离子不稳定，会从水中释放出氢气。铀(VI)态对应UO2+ 2离子，有碳酸铀酰、氯化铀酰和硫酸铀酰等化合物。UO2+ 2能和各种有机螯合剂形成配合物，其中醋酸铀酰最为常见。 各种铀酰和氧化铀阳离子都可溶于水，但铀酸盐并不溶于水。 碳酸盐 当铀(VI)溶于碳酸盐溶液而非纯水中时，其普尔贝图会因与碳酸离子的交互作用而有很大的变化。虽然大部分碳酸盐都不溶于水，但碳酸铀却是可溶的。这是由于铀(VI)阳离子可以与两个氧化物及至少三个碳酸盐形成阴离子配合物。 普尔贝图（电位-pH图） 非配合物水溶液中的铀（如高氯酸和氢氧化钠） 碳酸盐溶液中的铀 非配合物水溶液中铀的各个化学形态相对浓度 碳酸盐溶液中铀的各个化学形态相对浓度 酸碱度的影响 从铀的化学形态比例图可以推论，铀(VI)溶液的pH值提升，会使铀形成水合氢氧化氧铀，并在高pH值时形成氢氧化配合物阴离子。 当加入碳酸盐后，pH值的提高会使铀转化为一系列的碳酸盐配合物形态。特别在pH在6至8的时候，铀的可溶性会提高，这有助长期稳定储藏乏核燃料中的氧化铀。 氢化物、碳化物及氮化物 铀金属在加热至250到300摄氏度时，会与氢反应，形成氢化铀。继续加热则会再次去除氢。因此氢化铀可用于制造铀的各种碳化物、氮化物和卤化物。氢化铀具有两种晶体相态：α型存在于低温环境下，β型则在250 °C以上出现。 碳化铀与氮化铀都是相对惰性的半金属物质，能少许溶于酸中，并会与水反应及在空气中燃点形成U3O8。铀的碳化物包括一碳化铀（UC）、二碳化铀（UC2）和三碳化二铀（U2C3）。向熔化铀加入碳，或在高温下把铀金属置于一氧化碳中，可产生UC和UC2。U2C3在1800 °C以下稳定，通过对UC和UC2的混合物进行机械施压可以形成。铀金属在直接接触氮后所形成的氮化铀包括：一氮化铀（UN）、二氮化铀（UN2）及三氮化二铀（U2N3）。 卤化物 六氟化铀是铀-235分离过程中所用到的铀原料。 所有的氟化铀都是从四氟化铀（UF4）转化而成的，UF4则由二氧化铀经氢氟化反应形成。UF4与氢在1000 °C反应后，会还原成三氟化铀（UF3）。在适当的温度和压力下，固态UF4与气态六氟化铀（UF6）反应后，可产生氧化态介乎两者之间的氟化物：U2F9、U4F17和UF5。 在室温底下，UF6具有高蒸气压，这有助于用气体扩散法把铀-235从比例更高的铀-238同位素中分离出来。通过以下反应，二氧化铀和氢化铀就能形成六氟化铀。 UO2 + 4 HF → UF4 + 2 H2O（500 °C，吸热） UF4 + F2 → UF6（350 °C，吸热） 所形成的UF6是一种白色固体，化学活性极高（进行氟化反应），容易升华（其气态接近理想气体）。它是已知的铀化合物中挥发性最强的。 要制造四氯化铀（UCl4），可以直接将氯与铀金属或氢化铀结合。如果用氢还原UCl4，可产生三氯化铀（UCl3）；进一步进行氯化反应，则可产生氧化态更高的氯化铀。所有氯化铀都能与水和空气反应。 铀的溴化物和碘化物可通过将铀直接与溴或碘反应形成，或在氢溴酸或氢碘酸中加入UH3。这些化合物有UBr3、UBr4、UI3和UI4等等。铀的氧卤化物均可溶于水，例如UO2F2、UOCl2、UO2Cl2和UO2Br2。卤素的原子量越高，对应的氧卤化物稳定性就越低。

同位素

自然丰度 天然铀元素铀三种主要同位素组成：铀-238（丰度为99.28%）、铀-235（0.71%）和铀-234（0.0054%）。它们均具有放射性，会释放α粒子，但也有较小机会进行自发裂变。 铀-238是最稳定的铀同位素，半衰期约为4.468×10年，与地球的年龄相约。铀-235的半衰期约为7.13×10年，而铀-234的半衰期则约为2.48×10年。天然铀所释放出的α粒子中，49%来自U，同样有49%来自U，最后约2.0%来自U。地球刚刚形成的时候，约有五分之一的铀是铀-235，而U的丰度则很可能比今天低得多。 铀-238通常释放α粒子（有时也会进行自发裂变），其衰变链被称为铀衰变系。该衰变系包含18种原子核，最后一种是铅-206，整个衰变链由多种衰变途径组成。 同位素U的衰变系被称为锕衰变系，其中有15种原子核，最后一种是铅-207。由于这些衰变系的衰变速率是不变的，因此有助于对比母子原子核的丰度，从而进行放射性定年法。 铀-234也属于铀衰变系，因此它会最终衰变为铅-206。 铀-233是通过在核反应炉中对钍-232进行中子撞击而形成的。U是可裂变物质，其衰变系的最后一种核素为铊-205。 铀-235在核反应炉和核武器中有着十分重要的作用，因为它是自然界中唯一一种大量存在的可裂变铀同位素。它能够在热中子撞击下，分裂成多个碎片，从中释放出可用的能量。 铀-238不可裂变，但则是可转换同位素，能够经中子活化变为可裂变的钚-239。铀-238可吸收一颗中子，形成铀-239。U会经β衰变成为镎-239，并在几天内再β衰变为钚-239。Pu是三位一体核试中世界首个原子弹所使用的可裂变物质。 浓缩铀 一排排用来浓缩可裂变铀同位素的气体离心机。 自然界中的铀是由99.2742%的铀-238和0.7204%的铀-235组成的。同位素分离过程将可裂变的铀-235的浓度提高，以产生核武器和发电所用的浓缩铀。铀-235原子裂变所释放的中子会被其他铀-235原子吸收，促发更多的裂变反应，持续核连锁反应。达到核连锁反应所需的铀-235质量称为临界质量。 浓缩铀的铀-235含量一般介乎3%到5%。浓缩过程会产生大量不含铀-235的物质，称为贫铀。贫铀中铀-235的含量不超过0.3%。铀的价格从2001年至2007年不断上升，使铀-235含量超过0.35%的铀重新进行浓缩过程。贫六氟化铀的价格因此从2001的每公斤5美元升至2007年的130美元以上。 最常用的铀浓缩方法是气体离心法，即利用UF6和UF6分子量上的差异，把含有铀-235的六氟化铀离心分离出来。气体扩散法是人们最先使用的浓缩方法，曾用于美国曼哈顿计划。该方法将六氟化铀重复透过银锌薄膜扩散，利用同位素间扩散率的不同分离出铀-235（铀-238的原子量更高，因此扩散率较低）。分子激光同位素分离法用具有特定能量的激光束把铀-235与氯之间的分子键断开，但保留铀-238与氯间的键合。铀-235便能以金属态从溶液中沉淀分离出来。原子蒸气激光同位素分离法（AVLIS）使用的则是发出可见光的可调激光器，如染料激光器等。另一种浓缩方法为液态热扩散发。

安全

人类吸入受污染空气或摄入受污染的水和食物，铀（及其衰变产物，如氡等）就会进入人的体内。空气中的铀通常非常少，但在磷化肥处理厂、核武器研究中心、煤发电厂、铀矿、铀矿石和浓缩铀处理厂中工作的人员，以及居住在曾使用贫铀作为武器的战地附近的人，就会有较高的铀摄入量。位于地底铀矿藏上的房屋建筑中会有较多的放射性氡气。 大部分进食到体内的铀会在消化过程后排出。当氧化铀等不可溶的含铀物质进入身体后，只有大约0.5%会被吸收；如果可溶性较高的铀酰离子进入体内，身体所吸收的量可以高达5%。不过，可溶的比不可溶的铀化合物能够更快地离开身体，特别是当不可溶铀化合物经尘埃进入肺部之后，会对人体造成更大的伤害。在进入血液后，铀会因亲磷性而积累在骨骼组织内，并停留多年。人的皮肤不会吸收铀，且铀所释放的α粒子也无法穿透皮肤。 影响 留在体内的铀会影响肾、脑、肝、心的正常运作，其本身的化学毒性也会对身体的其他器官造成伤害。铀是一种生殖毒物。因为铀释放的α辐射具有较小的穿透范围，所以放射性只会对小部分组织造成影响。三氧化铀、硝酸铀酰及其他六价铀化合物中的铀酰（UO2+ 2）离子在实验动物身上，造成了先天缺陷和免疫系统破坏。美国疾病控制与预防中心曾发表过研究指出，天然及贫铀仍没有造成过人类癌症个案，但是有充分证据证明铀及其衰变产物（特别是氡）对人体健康有极大的威胁。铀金属粉末可以在室温下在空气中自燃，造成火灾。 研究人员在接触铀金属时，都会使用手套作保护。在处理及存放含铀度高的物质时，须避免意外摄入。