Chimie des actinides - Complexes et solides en milieux aqueux

Les actinides sont des éléments du bloc f, comme les lanthanides, et ont une position particulière dans le tableau périodique des éléments établi par Mendeleïev, insérés au niveau de la 3^e colonne et de la 7^e ligne. La série des éléments actinides est composée de 15 éléments, débute avec l’actinium (Z = 89) et se termine au laurencium (Z = 103). Ce sont des radioéléments, au sens que tous leurs isotopes sont instables, donc radioactifs. La durée de vie de ces isotopes est donnée par leur période radioactive ou demi-vie, elle varie considérablement d’un isotope à un autre. Des isotopes peu radioactifs de thorium (²³²Th) et d’uranium (²³⁸U et ²³⁵U) existent naturellement puisque leur demi-vie est comparable ou supérieure à l’âge de la Terre, respectivement 14, 4,5, et 0,7 milliards d’années. Ils se désintègrent très lentement, donnant lieu à la formation d’autres isotopes d’actinides. Ces trois chaînes de décroissance radioactive naturelle sont notées par famille 4n (²³²Th), 4n + 2 (²³⁸U) et 4n + 3 (²³⁵U) qui correspond au nombre de masse de tous les nucléides de la chaîne. La famille 4n + 1 dont le nucléide père est ²³⁷Np a aujourd’hui disparu car la demi-vie radioactive du ²³⁷Np est d’environ 2,1 millions d’années. En outre, des réactions nucléaires naturelles ont participé à la formation d’isotopes. On trouve naturellement les isotopes ²³⁴U, ²³⁰Th et ²³¹Pa. Les isotopes artificiels proviennent des bombes nucléaires et des réacteurs nucléaires. Ces derniers produisent surtout les isotopes ²³⁷Np, ²³⁹Pu formés à partir de ²³⁸U, ²³⁴U et ²³⁶U formés à partir de ²³⁵U, ainsi que ²³⁸Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu, ²⁴¹Am, ²⁴³Am et ²⁴⁴Cm.

La manipulation des actinides impose des précautions au regard de leur radioactivité (nature des rayonnement et activité) en suivant des exigences de sûreté et de sécurité. Travailler avec des analogues chimiques non radioactifs peut s’avérer utile, c’est pourquoi des conseils d’analogues sont indiqués dans cet article. Certains isotopes d’actinides ont toutefois une période radioactive très grande, de plusieurs milliards d’années (par exemple 4,47 milliards d’années pour ²³⁸U) ; ils présentent davantage une dangerosité chimique comme éléments lourds que radiologique. Au-delà du numéro atomique Z = 104, les éléments sont appelés transactinides ou éléments super-lourds, dont les isotopes ont des durées de vie au maximum de quelques secondes (à l’exception du dubnium dont certains isotopes ont des demi-vies de plusieurs heures).

Dans l’industrie, la chimie (ou la géochimie) des actinides intervient principalement dans des contextes ou pour des objectifs variés qui suivent le cycle du combustible nucléaire : recherche de gisements d’uranium ou de thorium ; traitement du minerai ; enrichissement isotopique de l’uranium pour accroître la teneur en ²³⁵U fissile ; fabrication de combustible ; comportement en milieux à haute température et haute pression en cas de relâchement dans les circuits caloporteurs des réacteurs ; retraitement de combustibles irradiés ; conditionnement et stockage de déchets radioactifs ; évaluation de l’impact environnemental et sur l’homme des activités industrielles.

Dans le domaine de la recherche, de nombreuses études sont conduites sur les actinides sur des aspects fondamentaux, la chimie des actinides étant particulièrement riche, ou appliqués en conditions physico-chimiques très diverses. La chimie des actinides en milieux aqueux intervient en particulier dans des contextes environnementaux (calculs d’impact, stockage de déchets en surface ou en milieux géologiques profonds), dans des milieux biologiques (contamination, toxicité), ou dans des procédés analytiques ou industriels le plus souvent en solutions de fortes acidités ou basicités. La gestion des anciennes installations industrielles ou de recherche en phase d’assainissement et de démantèlement pose aussi des questions relatives au comportement chimique d’actinides dans des milieux souvent complexes, comme par exemple des effluents de cuves.