Les minéraux les plus commun sont l’Uraninite et la Thorite, dont la composition chimique figure ci dessous (issu du livre Systematic Mineralogy of Uranium and Thorium)
L’Uraninite et la Thorite contiennent chacun de l’Uranium et du Thorium, mais dans des proportions variable.
Concernant les minéraux Uranifère
L’Uranium a deux états d’oxydation majeurs : +IV et +VI. La forme tétravalente est insoluble en milieu aqueux, tandis que la forme +VI est stable en milieu oxydant (par exemple à la surface de la terre avec la présence du dioxygène). La forme +VI est facilement soluble dans l’eau et forme un ion complexe (UO2)2+ qui se combine facilement avec d’autres éléments comme les silicates, sulfates, vanadates, carbonates, phosphates et arsenates. Des centaines de minéraux d’uranium ont été identifiées. On les classe suivant deux catégories : Primaire ou Secondaire suivant leur état d’oxydation et leur origine.
Les minerais primaires
Les minerais primaires d’uranium sont généralement gris-sombre, dense, et ont souvent un aspect brillant. Il en existe 2 majeurs : l’Uraninite et la Davidite.
Uraninite
L’Uraninite contient majoritairement du dioxyde d’uranium (entre 50 et 85%), et peut contenir parfois du trioxyde d’uranium (UO3) suite à une oxydation. Dans ce cas l’uraninite est désigné par la pechblende U3O8 (l’uraninite à ainsi une densité plus importante que la pechblende). Les gisements de pechblende et d’uraninite sont les minerais d’uranium les plus largement exploités dans le monde.
Davidite
La Davidite est un oxyde associé à diverse terre rare (Cérium, Lanthane, Yttrium) ainsi qu’avec du titane et du fer. Sa dureté et son aspect sont identique à la pechblende bien que sa densité soit plus faible. La davidite est assez répandu dans les gisements uranifères à travers le monde (environs 30% de la minéralisation de Olympic Dam est faite de davidite). Toutefois la davidite n’est pas encore largement exploité du fait de sa faible dissolution dans l’acide sulfurique.
Les minerais secondaires
Plus des trois quarts des minerais d’uranium connu sont de type secondaire. Ce sont les plus spectaculaires : en effet, au lieu d’avoir un aspect brun et sombre, les minerais secondaires présentent des cristallisations apparentes allant du jaune au vert tout en étant parfois fluorescent sous lumière ultraviolette.
Une des origines des minerais secondaire provient de la dissolution progressive de minerais primaires par les eaux souterraines (souvent légèrement acide) : lorsque cette eau chargée en uranium passe à travers de fractures rocheuses, l’uranium se concentre dans cette zone et précipite formant les minerais secondaires. Ces types de gisements où l’on retrouve souvent au même endroit phosphates, carbonates, sulfate et silicate d’uranium sont fréquents dans les régions arides et semi-arides comme l’Ouest des Etat-Unis, la côte Est de l’Amérique du Sud, le sud de la Russie…
Quelques minéraux secondaires d’Uranium fréquent :
L’Autunite Ca(UO2)2(PO4)2·10-12H2O est de couleur jaune-verte en étant fluorescente aux ultraviolets. Elle contient environ 54% d’UO2. Son nom dérive de la localité d’Autun en France, où elle à été découverte en 1852.
La Torbernite Cu(UO2)2(PO4)2·12 H2O. Sa composition chimique est identique à celle de l’Autunite mais le cation Ca2+ est remplacé par Cu2+. La Torbernite à des cristaux bleu-vert et à été décrite en 1793.
L’Uranophane Ca(UO2)2(SiO3OH)2·5H2O est similaire à l’autunite et la Torbernite mais les cristaux sont jaunes.
En fait, parmi ces trois minéraux, deux sont systématiquement trouvé ensemble avec des proportions variant suivant l’occurrence du cuivre et du phosphore (l’Uranophane étant le minéral prédominant lorsque ces deux derniers éléments sont manquants).
Les minerais secondaires ne représentent qu’une petite proportion de l’extraction d’uranium bien que leurs gisements soient plus nombreux et répandu que ceux des minerais primaires. L’uranium étant associé à d’autre élément dans les minerais secondaire, il est plus difficile d’extraire ce dernier (nécessité de broyer très finement le minerai, temps de réaction important dans de l’acide très chaud…). Économiquement, il est ainsi moins rentable d’exploiter ce type de minerai.
Formation de dépôts Uranifère
La NEA (Nuclear Energy Agency) et l’IAEA (International Atomic Energy Agency) répertorient une quinzaine de type de gisements d’uranium dans le monde suivant leurs conditions de formations. Ces différents dépôts d’uranium peuvent être créés à partir de différent processus géologique par exemple avec une origine magmatique :
Du fait de la grande taille de l’atome d’uranium, celui tends à rester dans le magma le plus longtemps possible lors de sa progressive remonté vers la surface. Les granites et pegmatite se formant en fin de cristallisation du magma sont ainsi plus enrichit en uranium (environ 3.5 ppm sous forme d’uraninite UO2) que dans les basaltes (environ 1 ppm).
Suivant son état d’oxydation, l’uranium est plus ou moins soluble dans l’eau, notamment dans les fluides hydrothermiques (il s’agit d’eau chaude contenant des gaz et minéraux dissous, circulant dans la croûte terrestre). En contact avec par exemple un granite, une partie de l’uranium contenu dans celui-ci est dissous par ces fluides et transporté jusqu’à ce qu’un changement chimique apparaisse (pH, conditions oxydo-réductrice, température…). Ce changement induit une précipitation de l’uranium en un endroit particulier (fracture, crevasse rocheuse…), concentrant l’uranium sur de longue période ce qui finit par former des gisements.
Ce processus est à l’origine des dépôts les plus riches du monde : MacArthur River en Australie, minerai moyen à 21% d’U3O8 et Cigar lake, Canada, minerai moyen à 19% d’U3O8.
Des réactions d’oxydo-réduction similaires sont responsable de la formation d’un autre type de gisement assez répandu (on estime que ce type de gisement représente environs 18 % des ressources d’uranium mondial) que l’on désigne par « roll front ». La dénomination « roll » vient de la forme de la minéralisation en rouleau. La minéralisation se retrouve le plus souvent dans des couches perméables sableuses limitées par des niveaux plus argileux. La formation de ce type de gisement passe par plusieurs étapes illustrées par le schéma suivant.
Formation d’un front de minéralisation en rouleau. La photo de droite illustre ce type de dépôt avec un gisement d’uranium localisé en Australie.
L’uranium des eaux souterraines provient de l’érosion par les écoulements d’eau des roches porteuses d’uranium (granites) situé en hauteur. Cet uranium est ainsi transporté en tant qu’ions dissous dans les eaux de surfaces oxygénées et oxydantes (l’état +VI est stable en solution aqueuse dans de tel conditions). Cet eau s’infiltre dans des strates sédimentaire perméable, souvent confiné entre deux couches imperméables (argiles, boues…). Lorsque cette eau oxydante entre en contact avec des éléments carbonés (ancienne végétation décomposé), ou bien des sulfures (pyrite, gaz H2S) elle se réduit. L’uranium dissous dans les eaux oxydantes précipite ainsi à cause de sa solubilité beaucoup plus faible en conditions réductrices. Il en résulte un front d’oxydo-réduction composé d’uraninite et de coffinite (USiO4) qui se déplace lentement suivant la couche inperméable inférieure (photographie ci-dessus). Le minerai formé est généralement composé de 0.05 à 0.25% d’uranium.
Prospection à la recherche de dépôts Uranifère
A l’inverse des gisements de charbons ou de pétrole s’étendant sur de grande superficie, l’Uranium n’est présent que dans des zones confinées discrète rendant l’exploration longue et difficile.
Toutefois, la décroissance radioactive de l’uranium donne naissance à de nouveaux éléments : ceux-ci se désintègrent à leur tour en émettant particules et rayonnements que l’on peut détecter à distance ce qui permet de localiser le gisement. Lorsque le dépôt est situé à quelques mètres sous la surface, les particules émises lors des désintégrations ne sont pas détectable par les compteurs Geiger ou les détecteurs à scintillation inorganique (les rayonnements alpha et béta ont un faible parcours dans la matière). Les rayonnements gamma quant à eux peuvent parcourir plusieurs centaines de mètre dans l’air avant de disparaître (un flux de photon à 1 MeV est atténué de moitié après un parcours de 900 cm), et ainsi, peuvent être détecté après la traversé de dizaines de centimètres de roches. Malgré tout, cette détection ne peut se faire que si les rayonnements gamma sont suffisamment énergétiques. Les détections se basent ainsi sur les émissions gamma émis par les descendants de l’Uranium 238, notamment celles du bismuth 214 (1764 keV), en moindre proportion celles du Plomb 214 et du Radium 226.
Pour assurer une détection efficace, il est donc nécessaire que le gisement soit d’un âge avancé afin que la proportion de nucléides fils crée soit suffisamment important pour émettre une grande quantité de rayonnement gamma. On estime qu’une activité gamma significative ne commence que 10.000 ans après la formation d’un dépôt, avant de passer par un maximum à 400.000 ans lorsque l’équilibre séculaire est atteint.
La recherche d’un gisement d’uranium passe par plusieurs étapes : étude géologique de la région afin d’identifier les types de formations, interprétation de photos aériennes ou satellites, mesures radiométrique (hélicoptères de basse altitude embarquant des détecteurs type NaI, ou sur le terrain), étude de la composition du sol (par forages) et des eaux…
Tous ces travaux permettent d’évaluer si le gisement est économiquement rentable, suivant sa concentration en uranium, sa facilité d’extraction et de purification. Une fois qu’un site est repéré, sa mise en exploitation se fait généralement en collaboration avec les populations locales, tout en minimisant les impacts environnementaux. Il peut s’écouler jusqu’à 15 ans entre la détection de la présence de minerai d’uranium et la mise en exploitation du gisement.
La faisabilité technique d’une extraction passe par avant tout par la concentration en uranium dans le minerais. Le tableau suivant présente les différentes qualités de minerai suivant leurs teneurs en uranium.
Si l’uranium est dans une forme minérale où il est facile à extraire, et ce même si la teneur du minerai est très faible, l’exploitation est économiquement intéressante en regard des quantités de minerais disponible.
La mine de Rossing en Namibie (ci contre), une des plus grande mine à ciel ouvert du monde, contient un minerai relativement pauvre (0.03%) mais exploité du fait de l’énormité de ses ressources (existence probable de 52000 tonnes d’uranium). A titre de comparaison, une année d’exploitation permettrai de fournir au Royaume-Uni la quantité de combustible nécessaire pendant 8 ans.
58 % de la production mondial d’uranium provient de 10 mines répartis dans 6 pays, ces 6 pays fournissant 85% de l’uranium extrait. La teneur moyenne de ces mines est d’un peu plus de 0.1%.
Au niveau des débits de doses, un morceau de 10 grammes (environ 1 cm3) d’Uraninite indique une dose de 130 µSv/h, 5 gramme d’Autunite 30 µSv/h. La radioactivité naturel représente une dose de l’ordre de 0,2 µSv/h.