isotopes

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 est 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 permettent la première séparation d'isotopes à grande échelle. Le problème de la séparation de l'uranium-235 et de l'uranium-238 se pose 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 programme américain de mise au point de la bombe atomique (baptisé le projet Manhattan), on étudie les différentes méthodes de séparation isotopique. La diffusion gazeuse et les méthodes électromagnétiques sont utilisées pour produire environ 1 kg d'uranium-235 par jour, pour la fabrication d’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 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 obtient 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 sont 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 voit le jour après l'invention du laser en 1960. Cette méthode de séparation isotopique gagne 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.