Isotope et séparation                                                                               programme de chimie

1. PRÉSENTATION 

isotopes, groupe de plusieurs atomes de même numéro atomique, correspondant donc au même élément chimique, mais dont les nombres de masse diffèrent. Comme le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau et que le nombre de masse est la somme totale des protons et neutrons dans le noyau les isotopes d'un même élément diffèrent uniquement par le nombre de neutrons dans leur noyau. 

On sait maintenant que la plupart des éléments à l'état naturel sont en fait un mélange de plusieurs isotopes. 

Le béryllium, l'aluminium, le phosphore et le sodium n'ont pas d'isotope connu. La masse atomique d'un élément est la moyenne pondérée des masses atomiques, ou nombres de masse, des isotopes. 

Par exemple, le chlore naturel, de masse atomique 35,547, contient 76 p. 100 de chlore 35 et 24 p. 100 de chlore  37.

 La masse du chlore est donc la moyenne pondérée de la masse de ces deux isotopes. Tous les isotopes des éléments de numéro atomique supérieur à 83 (au-delà du bismuth dans le tableau périodique) sont radioactifs et certains isotopes plus légers, comme le potassium 40, sont également radioactifs.

 On connaît actuellement 280 isotopes naturels (non radioactifs) pour les 90 éléments identifiés.

Des isotopes artificiels radioactifs, appelés radio-isotopes, furent synthétisés pour la première fois en 1933 par les physiciens français Irène et Frédéric Joliot-Curie. Les radio-isotopes sont obtenus en bombardant des atomes naturels cibles avec des particules nucléaires à grande vitesse, telles que les neutrons, les électrons, les protons et les particules alpha, au moyen d'accélérateurs de particules.

3. SÉPARATION
La séparation des isotopes du même élément est difficile. Une séparation chimique complète en une étape est impossible, car les isotopes d'un même élément ont les mêmes propriétés chimiques. Les méthodes physiques sont en général basées sur les différences extrêmement faibles dans les propriétés physiques des isotopes, dues à leur différence de masse. La séparation électrolytique et les différentes méthodes d'échange utilisent la différence d'énergie des liaisons chimiques, qui sont fonction de la masse de l'isotope. Les isotopes de l'hydrogène, à savoir le deutérium (hydrogène 2) et l'hydrogène ordinaire (hydrogène 1), furent les premiers isotopes à être séparés en quantités appréciables. On doit cette réalisation au chimiste américain Harold Urey, qui découvrit le deutérium en 1932.

Avant 1940, de nombreuses méthodes furent utilisées pour la séparation de petites quantités d'isotopes dans un but de recherche. Parmi les procédés les plus fructueux, on peut citer la centrifugation, la distillation fractionnée, la diffusion thermique, l'électrolyse, la diffusion gazeuse et la séparation électromagnétique. Ces méthodes reposent sur la faible différence de masse entre les isotopes à séparer et sont surtout efficaces pour les isotopes de l'hydrogène, car la différence de masse entre les deux isotopes est de 100 p. 100, alors que la différence de masse entre les isotopes carbone 12 et carbone 13, ou entre les isotopes néon 20 et néon 22 est seulement de 10 p. 100. Entre les isotopes uranium 235 et uranium 238, cette différence est légèrement supérieure à 1 p. 100. Plus la différence de masse entre les isotopes est faible par rapport à la masse de l'élément, plus la séparation isotopique sera difficile. A l'exception du procédé électromagnétique qui s'effectue en une seule étape, toutes les méthodes de séparation isotopique impliquent une succession d'étapes de production. A l'issue de la première étape, on obtient deux fractions : dans l'une, la proportion de l'isotope le plus lourd est légèrement supérieure à cette proportion dans le mélange initial ; dans l'autre, le mélange est « enrichi » en l'isotope léger par rapport au mélange de départ.

Pour obtenir un enrichissement notable, en l'isotope recherché, il est nécessaire de séparer à nouveau la fraction enrichie. Ce procédé est en général réalisé au moyen d'une cascade comprenant un grand nombre d'étapes. La fraction enrichie de toute étape devient la matière première pour l'étape suivante et la fraction appauvrie qui contient encore un pourcentage important de l'isotope recherché est mélangée avec la matière de départ de l'étape précédente. La matière appauvrie de la première étape est épuisée dans les étapes supplémentaires lorsque la matière première (par exemple, l'uranium) est rare. Un dispositif est conçu pour automatiser en continu la circulation d'une étape à une autre.

Une telle cascade est extrêmement souple et les unités peuvent être déplacées d'une étape de séparation à une autre comme on le souhaite. Par exemple, dans la séparation de l'uranium, une grande quantité de matière doit être traitée au départ, car l'uranium 235 recherché est mélangé avec 140 fois plus d'uranium 238. A la fin du procédé, l'uranium 235 est presque pur et la quantité de matière est beaucoup plus faible.

3.1. Centrifugation et distillation
La centrifugation utilise la différence de masse pour séparer les isotopes. Dans ce procédé, on emploie un cylindre rotatif contenant le mélange à séparer. Le cylindre est placé de façon à ce que la vapeur s'échappe vers le bas dans la partie extérieure du cylindre et vers le haut dans la partie centrale du cylindre. L'effet centrifuge produit une concentration croissante de l'isotope lourd dans la partie extérieure.

Dans la séparation par distillation fractionnée, un mélange contenant différents isotopes est distillé. Les molécules de la fraction ayant le plus bas point d'ébullition (les isotopes les plus légers) tendent à se concentrer dans le courant de vapeur et sont ainsi recueillies.

3.2. Diffusion thermique

 Cette méthode utilise le fait que les molécules les plus légères d'un liquide ou d'un gaz ont tendance à se concentrer dans une zone chaude et que les molécules plus lourdes se concentrent dans une zone froide. 

Un appareil à thermodiffusion est constitué d'un tube vertical muni d'un fil chauffé vers 500 °C, qui crée un gradient de température entre le centre et les parois du tube. Les isotopes les plus lourds se concentrent dans les parties extérieures du tube et les isotopes plus légers tendent à se concentrer au centre.

 Dans le même temps, en raison de la convection thermique, le gaz ou le liquide proche du fil tend à s'élever et le gaz ou le liquide plus froid situé à proximité des parois tend à s'abaisser. Ainsi, les isotopes les plus lourds se rassemblent dans le bas du tube et les plus légers au sommet.

3.3. Électrolyse

 La méthode de séparation électrolytique fut la première méthode utilisée pour séparer du deutérium pratiquement pur. Lorsque l'eau contenant le mélange isotopique subit une électrolyse, l'isotope le plus léger de l'hydrogène s'évapore, l'eau étant alors enrichie en l'isotope le plus lourd, qui reste en phase liquide.

3.4. Diffusion gazeuse

 La diffusion gazeuse et la méthode de séparation électromagnétique des isotopes de l'uranium permirent la première séparation d'isotopes à grande échelle. Le problème de la séparation de l'uranium 235 et de l'uranium 238 se posa en 1940, après la démonstration de la fission de l'isotope 235 par les neutrons. On trouve l'uranium 235 dans l'uranium naturel avec une proportion de 7 parts pour 1 000 parts d'uranium 238. Dans le cadre du projet de la bombe atomique, on étudia les différentes méthodes de séparation isotopique. La diffusion gazeuse et les méthodes électromagnétiques furent utilisées pour produire environ 1 kg d'uranium 235 par jour, pour les armes nucléaires.

La diffusion gazeuse utilise la différence entre les vitesses de diffusion des gaz à travers une paroi poreuse, dues aux différentes masses moléculaires. La vitesse de diffusion d'un gaz est inversement proportionnelle à la racine carrée de sa masse. Ainsi, les atomes légers diffusent à travers une barrière poreuse avec une vitesse supérieure aux atomes plus lourds. Dans la séparation des isotopes de l'uranium, le fluorure d'uranium (VI) UF6, seul composé gazeux de l'uranium, est continuellement aspiré par des barrières poreuses. La différence de masse entre l'uranium 235 et l'uranium 238 est légèrement supérieure à 1 p. 100, mais la différence de masse entre les fluorures est légèrement inférieure à 1 p. 100. Le facteur d'enrichissement, qui est égal à la racine carrée du rapport des masses, est théoriquement de 0,43 p. 100 pour un procédé instantané et de 0,30 p. 100 pour un procédé en continu, mais, en pratique, on a obtenu un facteur d'enrichissement d'environ 0,14 p. 100 par étape. Pour produire 99 p. 100 d'uranium 235 à partir de l'uranium naturel, qui contient environ 0,7 p. 100 d'uranium 235, 4 000 étapes sont nécessaires. Le procédé requiert des milliers de kilomètres de tuyaux, des milliers de moteurs et de pompes et des mécanismes de contrôle complexes.

3.5. Électromagnétisme  

Bien que la méthode par diffusion gazeuse permette de produire d'importantes quantités d'uranium 235, les premières quantités relativement conséquentes de l'isotope furent obtenues par des procédés électromagnétiques à Oak Ridge, dans le Tennessee, aux états-Unis. On fait passer des ions d'isotopes dans un champ magnétique perpendiculaire au plan de la trajectoire des ions. Ceux-ci ont alors une trajectoire circulaire dont le rayon de courbure dépend de la masse des particules.

 Les ions de masses différentes ont donc des trajectoires sensiblement différentes, les isotopes sont ainsi séparés et recueillis dans des collecteurs. Cependant, on ne peut traiter qu'une faible quantité de matière. C'est pourquoi ce procédé de séparation — qui utilise le principe du spectromètre de masse — est uniquement employé à petite échelle, c'est-à-dire en laboratoire.

3.6. Rayon laser

 Le concept de séparation et d'enrichissement des isotopes par laser vit le jour après l'invention du laser en 1960. Cette méthode de séparation isotopique gagna du terrain en 1966, avec la mise au point du laser à colorants, qui fournit des rayons de photons dans une étroite bande de longueurs d'onde, allant de l'infrarouge à l'ultraviolet.

 Un élément est tout d'abord vaporisé et ses atomes sont sélectivement excités et ionisés par un rayon laser réglé pour trier l'isotope recherché. Les isotopes peuvent également être séparés sous forme moléculaire : le rayon laser dissocie sélectivement les molécules du composé qui contiennent l'isotope recherché. Depuis 1972, de tels procédés se sont développés, en particulier pour l'enrichissement du plutonium et de l'uranium, respectivement utilisés dans les centrales nucléaires et pour les armes nucléaires.

La méthode est coûteuse et difficile à réaliser, mais peu d'étapes sont nécessaires et on récupère une matière hautement enrichie.

4. UTILISATIONS
Pour l'application des isotopes à la recherche biologique, médicale, chimique et physique.

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