Sciences · Éléments chimiques
Thorium
Le thorium (Th, numéro atomique 90) est un métal radioactif de la famille des actinides, environ trois fois plus abondant que l’uranium. Non fissile mais fertile, il pourrait servir de combustible nucléaire de demain.
Mis à jour le 4 min de lecture
Le thorium est un métal argenté, faiblement radioactif, connu depuis près de deux siècles. Longtemps utilisé dans les manchons de lampes à gaz, il intéresse aujourd’hui les ingénieurs du nucléaire : abondant, il pourrait alimenter des réacteurs pendant des millénaires. Les obstacles techniques et économiques restent toutefois importants.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | Th |
| Numéro atomique | 90 |
| Masse atomique | 232,04 u |
| Famille | Actinide (période 7) |
| État à 20 °C | Solide |
| Fusion | environ 1 750 °C |
| Ébullition | environ 4 800 °C |
| Découverte | 1828-1829, Jöns Jacob Berzelius |
| Abondance | environ 10 ppm dans la croûte terrestre, environ trois fois plus que l’uranium |
Propriétés
Le thorium est un métal argenté, mou et ductile, de masse volumique 11,7 g/cm³, qui noircit lentement à l’air en s’oxydant. Sa poudre peut s’enflammer spontanément. Il forme essentiellement l’ion Th⁴⁺.
Son oxyde, la thorine (ThO₂), possède le point de fusion le plus élevé de tous les oxydes, environ 3 300 °C, et émet une lumière blanche intense quand il est chauffé.
Isotopes
Le thorium naturel est presque entièrement composé de thorium 232, radioactif mais de très longue période : environ 14 milliards d’années, soit à peu près l’âge de l’Univers. Sa radioactivité est donc faible. Il est à l’origine d’une chaîne de désintégration qui aboutit au plomb 208 en passant par le radium 228 et le radon 220, ou thoron (voir radioactivité). Le thorium 230, issu de la chaîne de l’uranium, sert à dater les coraux et les sédiments marins.
Le thorium fait partie, avec l’uranium et le potassium 40, des éléments dont la radioactivité réchauffe l’intérieur de la Terre (voir structure de la Terre).
Où le trouve-t-on ?
Le thorium est surtout présent dans la monazite, un phosphate de terres rares qui contient souvent plusieurs pour cent de thorium, concentrée dans certains sables de plage (Inde, Brésil, Australie). On le trouve aussi dans la thorite et la thorianite. Il est souvent un coproduit, parfois encombrant, de l’extraction des terres rares.
Production
L'Inde possède parmi les plus grandes ressources de thorium, avec les sables du Kerala, suivie notamment du Brésil, de l’Australie, des États-Unis et de la Turquie. La production est faible, car les débouchés sont limités. Une partie du thorium extrait avec les terres rares est stockée comme déchet radioactif.
Usages
| Usage | Situation |
|---|---|
| Manchons à incandescence | les lampes à gaz et de camping utilisaient des manchons en oxyde de thorium (invention de Carl Auer von Welsbach, 1890) ; largement remplacés par l’yttrium |
| Électrodes de soudage | électrodes de tungstène thorié pour le soudage TIG, en recul au profit d’autres oxydes |
| Optique | verres à fort indice de réfraction et faible dispersion dans les objectifs photographiques anciens |
| Alliages | alliages magnésium-thorium pour l’aéronautique (anciens) |
| Céramiques | creusets haute température |
| Nucléaire | combustible fertile, en développement |
Le thorium, combustible nucléaire ?
Le thorium 232 n’est pas fissile : il ne peut pas entretenir seul une réaction en chaîne. Il est en revanche fertile : en absorbant un neutron, il se transforme en uranium 233, qui est fissile (voir fission nucléaire). Un réacteur au thorium a donc besoin d’un démarrage avec de l’uranium 235 ou du plutonium.
Ses avantages potentiels : une ressource abondante, moins de plutonium et d’actinides mineurs à vie longue dans les déchets, et la possibilité de réacteurs à sels fondus fonctionnant à basse pression. Le réacteur expérimental à sels fondus MSRE du laboratoire d’Oak Ridge, aux États-Unis, a fonctionné de 1965 à 1969, notamment avec de l’uranium 233. L’Inde a fait du thorium l’objectif à long terme de son programme nucléaire, faute de grandes réserves d’uranium, et la Chine a démarré un petit réacteur expérimental à sels fondus au thorium dans le désert de Gobi au début des années 2020.
Les difficultés sont nombreuses : retraitement complexe, présence d’uranium 232 dont les descendants émettent des rayons gamma intenses, matériaux résistant aux sels fondus corrosifs, et absence de filière industrielle.
Rôle biologique et toxicité
Le thorium n’a aucun rôle biologique. Sa radioactivité alpha est faible, mais inhalé sous forme de poussières, il se dépose dans les poumons, puis dans les os et le foie, et augmente le risque de cancer.
Le Thorotrast, suspension d’oxyde de thorium utilisée comme produit de contraste radiologique des années 1930 aux années 1950, est resté stocké dans l’organisme des patients et a provoqué de nombreux cancers du foie et leucémies des décennies plus tard. Les électrodes thoriées produisent des poussières radioactives à l’affûtage, d’où des recommandations de protection.
Histoire du nom
En 1828, le pasteur et minéralogiste norvégien Morten Thrane Esmark découvre un minéral noir sur une île près de Brevik et l’envoie à son père, qui le transmet au chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius. Celui-ci y identifie en 1829 un nouvel élément qu’il nomme thorium, d’après Thor, dieu scandinave du tonnerre ; le minéral devient la thorite. En 1898, l’Allemand Gerhard Carl Schmidt et, indépendamment, Marie Curie découvrent que le thorium est radioactif, deux ans après l’uranium.
Questions fréquentes
Le thorium est-il dangereux ?
Sa radioactivité est faible et il n’est dangereux qu’inhalé ou ingéré. Les anciens manchons de lampes et les électrodes thoriées doivent être manipulés sans produire de poussière.
Pourquoi n’utilise-t-on pas le thorium dans les centrales ?
Il n’est pas fissile et nécessite des réacteurs et des usines de traitement spécifiques, encore expérimentaux. L’industrie nucléaire s’est construite sur l’uranium, et le changement de filière demanderait des décennies d’investissements.
Le thorium peut-il servir à fabriquer des bombes ?
L’uranium 233 produit à partir du thorium est fissile, donc utilisable en théorie, mais la présence d’uranium 232 très irradiant complique fortement sa manipulation.