Hexafluorure D'uranium: Composé chimique

Hexafluorure d'uranium
__ U6+    __ F− Molécule et structure cristalline de l'hexafluorure d'uranium.
Identification
Nom UICPA	hexafluorouranium
Synonymes	fluorure d'uranium(VI)
No CAS	7783-81-5
No ECHA	100.029.116
No CE	232-028-6
PubChem	24560
ChEBI	30235
SMILES	F[U](F)(F)(F)(F)F PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/6FH.U/h6*1H;/q;;;;;;+6/p-6/f6F.U/h6*1h;/q6*-1;m/rF6U/c1-7(2,3,4,5)6
Apparence	cristaux incolores à blancs, déliquescents.
Propriétés chimiques
Formule	F6UUF6
Masse molaire	352,019 33 ± 3,0E−5 g/mol F 32,38 %, U 67,62 %,
Moment dipolaire	nul
Propriétés physiques
T° fusion	64,8 °C[réf. souhaitée]
T° ébullition	56,5 °C (sublimation)[réf. souhaitée]
Solubilité	dans l'eau à 20 °C : réaction
Masse volumique	5,09 g cm−3 solide[réf. souhaitée]
Pression de vapeur saturante	à 20 °C : 14,2 kPa
Point critique	46,6 bar, 232,65 °C
Point triple	64 °C, 150 kPa[réf. souhaitée]
Thermochimie
S0solide	228 J K−1 mol−1[réf. souhaitée]
ΔfH0solide	−2 317 kJ/mol[réf. souhaitée]
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation	14,00 ± 0,10 eV (gaz)
Cristallographie
Système cristallin	orthorhombique
Classe cristalline ou groupe d’espace	Pnma (no 62) orthorhombique Hermann-Mauguin : ${\displaystyle P~2_{1}/n~2_{1}/m~2_{1}/a\,}$ Hermann-Mauguin court : ${\displaystyle Pnma\,}$ Schoenflies : ${\displaystyle D_{2h}^{16}\,}$
Paramètres de maille	a = 990,0 pm, b = 896,2 pm, c = 520,7 pm, Z = 4[réf. souhaitée]
Précautions
Composé radioactif
SGH
Danger H300, H330, H373 et H411 H300 : Mortel en cas d'ingestion H330 : Mortel par inhalation H373 : Risque présumé d'effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s'ils sont connus) à la suite d'expositions répétées ou d'une exposition prolongée (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H411 : Toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets à long terme
Transport
768    2977    Code Kemler : 768 : matière radioactive, toxique et corrosive Numéro ONU : 2977 : MATIÈRES RADIOACTIVES, HEXAFLUORURE D’URANIUM, FISSILES Classe : 7 Étiquettes : 7E : Matières fissiles. 6.1 : Matières toxiques 8 : Matières corrosives 768    2978    Code Kemler : 768 : matière radioactive, toxique et corrosive Numéro ONU : 2978 : MATIÈRES RADIOACTIVES, HEXAFLUORURE D’URANIUM, non fissiles ou fissiles exceptées Classe : 7 Étiquettes : 7 : Matières radioactives 6.1 : Matières toxiques 8 : Matières corrosives -    3507    Numéro ONU : 3507 : Classe : 6.1 Étiquettes : 6.1 : Matières toxiques 8 : Matières corrosives Emballage : Groupe d'emballage I : matières très dangereuses ;
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
modifier

Ce composé est utilisé dans le procédé d'enrichissement de l'uranium. Son utilisation industrielle est liée au cycle du combustible nucléaire (procédé qui produit du combustible pour les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires). Sa synthèse chimique, qui intervient après l'extraction de l'uranium, fournit ensuite l'entrée au procédé d'enrichissement.

Propriétés physiques

L'hexafluorure d'uranium est solide à température ambiante (environ 20 °C), il se présente sous la forme de cristaux gris dans les conditions normales de température et de pression (CNTP).

Sa pression de vapeur arrive à 1 atmosphère à 56,4 °C. Dans un milieu ouvert à l'air, il se sublime de façon irréversible.
Sa phase liquide apparait à partir de son point triple, à 1,5 atm et à 64 °C.

La diffraction neutronique a été utilisée pour déterminer la structure de UF₆, MoF₆ et WF₆ à 77 K.

Propriétés chimiques

Outre sa radioactivité due à l'uranium, c'est un produit hautement toxique, qui réagit violemment avec l'eau. En atmosphère humide ou en présence d'eau, il se transforme en fluorure d'uranyle (UO₂F₂) et acide fluorhydrique (HF). La transformation est immédiate et violente et s'accompagne d'émission d'abondantes fumées opaques, irritantes et suffocantes de HF.

Le produit est corrosif pour la plupart des métaux. Il réagit faiblement avec l'aluminium, formant une fine couche de AlF₃ qui résiste ensuite à la corrosion (passivation).

Il a été montré que l'hexafluorure d'uranium est un oxydant et un acide de Lewis qui peut se lier à un fluorure, par exemple la réaction du fluorure de cuivre avec l'hexafluorure d'uranium dans l'acétonitrile est réputée former Cu[UF₇]₂·5 MeCN.

Les fluorures d'uranium(VI) polymères contenant des cations organiques ont été isolés et caractérisés par diffraction de rayons X.

Enrichissement de l'uranium

L'hexafluorure d'uranium est utilisé dans les deux principales méthodes d'enrichissement de l'uranium, la diffusion gazeuse et l'ultracentrifugation, car il possède un point triple à 64 °C et à une pression légèrement plus élevée que la pression atmosphérique. De plus, le fluor possède un seul isotope naturel stable (¹⁹F), par conséquent les masses moléculaires des isotopomères de l'UF₆ diffèrent uniquement par l'isotope d'uranium présent : ²³⁸U, ²³⁵U, ou ²³⁴U.

En plus de son usage dans l'enrichissement, l'hexafluorure d'uranium a été utilisé dans un procédé de retraitement avancé développé en République tchèque. Dans ce procédé, le combustible nucléaire, l'oxyde d'uranium usagé, est traité avec du fluor pour former un mélange de fluorures. Ce dernier est ensuite distillé pour séparer les différents types de matériaux.

Conversion en oxyde d'uranium

Après enrichissement, l'hexafluorure d'uranium est converti en oxyde d'uranium (UO₂) pour ses applications nucléaires.

La conversion en UO₂ peut se faire par voie sèche (le plus fréquemment) ou par voie humide.

Voie sèche

• L'UF₆ est vaporisé par chauffage dans une étuve et mis en présence de vapeur d'eau surchauffée.
• L'UF₆ s'hydrolyse en UO₂F₂ entre 250 °C et 300 °C : UF₆ + 2H₂O –––> UO₂F₂ + 4HF Dr^[Quoi ?] −113 kJ/mol.
• Le composé UO₂F₂ est ensuite réduit vers 700 à 800 °C par l'hydrogène, produisant l'UO₂ sous forme de poudre : UO₂F ₂+ H₂ –––> UO₂ + 2HF + 14,2 kJ/mol.

Le rendement est supérieur à 99,5 %.

Voie humide

Ce procédé présente l'inconvénient de produire plus d'effluents que la voie sèche, ce qui a un impact environnemental plus important. Plus flexible, en revanche, il est souvent utilisé pour la récupération des matières fissiles dans les rebuts et les déchets.

Les étapes consistent en un traitement de l'UF₆ à la vapeur d'eau et en l'obtention, successivement, d'UO₂F₂, sels d'uranium, diuranate d'ammonium, UO₃ et UF₄. Ce procédé enchaine dissolution en milieu nitrique, purification par solvant en colonne pulsée, précipitation ammoniacale et réduction sous hydrogène.

Entreposage et stockage

États-Unis

 

Aux États-Unis, environ 95 % de l'uranium appauvri produit jusqu'à présent est stocké sous forme d'hexafluorure d'uranium UF₆ dans des réservoirs en acier sur des parcs en plein air à proximité des usines d'enrichissement. Chaque réservoir contient jusqu'à 12,7 tonnes d'UF₆. L'hexafluorure d'uranium est introduit sous forme liquide dans le réservoir. Après refroidissement, la majeure partie du liquide se solidifie pour occuper environ 60 % du réservoir tandis que le reste de l'espace est occupé par de l'hexafluorure sous forme gazeuse. Ce gaz réagit avec l'acier de la surface interne du réservoir et forme une couche protectrice vis-à-vis de la corrosion.

560 000 tonnes d'UF₆ appauvri étaient stockés en 1993 et 686 500 tonnes en 2005 dans 57 122 réservoirs de stockage situés à Portsmouth dans l'Ohio, Oak Ridge dans le Tennessee et Paducah dans le Kentucky^,.

Cet entreposage présente des risques environnementaux, sanitaires et de sûreté à cause de son instabilité chimique. Quand l'UF₆ est en contact avec de l'air humide, il réagit avec l'eau contenue dans l'air pour produire UO₂F₂ (fluorure d'uranyle) et HF (fluorure d'hydrogène) qui sont tous deux très solubles et toxiques. Les réservoirs de stockage doivent être régulièrement inspectés pour rechercher des traces de corrosion ou des fuites. La durée de vie estimée d'un réservoir en acier se mesure en décennies.

Le gouvernement des États-Unis a commencé à convertir le UF₆ en oxyde d'uranium solide pour un stockage à long terme. Un tel stockage de l'ensemble du stock du UF₆ pourrait coûter entre 15 millions et 450 millions de dollars.

Risques industriels

L'UF₆ émet des rayonnements alpha, bêta et gamma. Exposé à la vapeur d'eau, l'UF₆ se décompose en acide fluorhydrique (HF) et en fluorure d'uranyle (UO₂F₂) qui sont très toxiques.

Il y a eu plusieurs accidents impliquant le fluorure d'uranium aux États-Unis. Ces accidents ont causé deux morts en 1944 et un mort en 1986^,.

Le 26 octobre 2014, une fuite d'hexafluorure d'uranium est survenue à l'Usine Honeywell de transformation de l'uranium : sept personnes situées sous le panache ont souffert de brûlures et sept à dix autres personnes sur le site ou à proximité ont également subi des blessures.