Article | 12/05/2021

Uranium : des gisements aux usages

12/05/2021

Olivier Dubourdieu

Chef de projet, Responsible Mica Initiative

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Résumé

Propriétés, gisements, exploitation, transformation et marché de l'uranium, du minerai au combustible nucléaire.


Table des matières

Introduction

C'est indéniable, l'uranium a mauvaise presse. Il suffit de parcourir les suggestions d'un célèbre moteur de recherche californien pour s'en convaincre. À peine le terme “uranium” renseigné, la question « pourquoi l'uranium est-il dangereux ? » est proposée.

Alors que l'Iran annonce le 14 janvier 2021 des avancées majeures dans l'obtention d'uranium métal, que le débat cristallisant en France les pro- et les anti-nucléaires ne trouve pas de répit, que l'affaire UraMin (voir, ci-dessous, L'affaire UraMin) est encore fraiche dans les mémoires, l'uranium reste au cœur d'une actualité brulante sur fond de secrets d'État, de guerre atomique, ou encore de transition énergétique.

Le contexte sera donc toujours bon pour revenir sur la découverte de cet élément, sur la géologie des gisements qui permettent sa production, sur une partie de la chaine de transformation en aval qui permet de concentrer un minerai à faible teneur (ou pas) en des barres de combustibles pour centrale nucléaire, ou encore en obus-flèches perforant les blindages des chars d'assaut.

L'élément uranium : abondance, découverte, propriétés

L'uranium – avant sa concentration en barre de combustible pour centrale nucléaire – est avant tout un élément relativement répandu à la surface de la Terre. L'écorce terrestre en contient 3 à 4 ppm [1 ppm = 1 μg/g = 1 mg/kg], ce qui fait de l'U un élément 1 000 fois plus abondant que l'or mais 6 fois moins abondant que le lithium (cf. Le lithium (Li) : aspects géologiques, économiques et industriels). Les océans ne sont pas en reste avec une teneur moyenne en uranium de l'ordre de 3 µg/L (soit 1 000 fois moins que l'écorce terrestre moyenne).

La variabilité des teneurs est en revanche extrêmement forte. Quand la teneur des gisements nigériens exploités à ciel ouverts tourne autour d'une fraction de pourcent (environ 0,01 % massique, soit 100 ppm), certains gisements canadiens affichent des teneurs allant jusqu'à 20 % [200 000 ppm] ! Il ne fait alors pas bon de rester au contact de cette roche trop longtemps… car oui, l'uranium est bien dangereux – votre moteur de recherche internet ne s'y est pas trompé.

L'uranium est constitué de trois isotopes présents à l'état naturel dans des proportions stables étant données des périodes dépassant largement les échelles de temps humaines : 99,273 % d'238U (période de 4,468 Ga), 0.7202 % d'235U (période de 703,8 Ma) et 0,0055 % d'234U (période de 245,5 ka).

L'isotope 235U de l'uranium a une particularité bien à lui : il est le seul élément du tableau de Mendeleïev qui, sous sa forme naturelle, est spontanément fissile : dans une très faible proportion, il se scinde spontanément en deux noyaux plus petits en émettant quelques neutrons (fission dite spontanée). Le noyau de l'235U peut aussi se scinder en plusieurs autres noyaux sous l'action de neutrons lents : on parle de fission induite (par un neutron). Cette fission induite, outre les noyaux fils, produit aussi quelques neutrons. Ainsi, si la quantité et la concentration d'235U est suffisante (on parle de masse critique, ou de seuil de criticité), quelques neutrons émis par fission spontanée peuvent être capturés par d'autres noyaux d'235U, ce qui engendrera leur fission (induite), ce qui émettra de nouveaux neutrons, qui engendreront à leur tour de nouvelles fissions induites, et ainsi de suite : il se déclenche alors ce qu'on appelle une réaction en chaine. Un seul cas de dépassement naturel du seuil criticité est connu à ce jour, c'est le réacteur nucléaire naturel d'Oklo (Gabon) dont il est question plus loin. Cette réaction en chaine est déclenchée dans les bombes A nucléaires (action pour passer d'un état sous-critique à critique au moment voulu libérant “instantanément” énormément d'énergie), ainsi que dans les réacteurs des centrales nucléaires dans lesquels les premières fissions sont induites par bombardement neutronique et dans lesquels cette réaction est ensuite contrôlée pour garder une production maitrisée d'énergie sous très haute surveillance… car le risque d'emballement reste le risque majeur (très faible probabilité mais dégâts immédiats énormes – Tchernobyl et Fukushima en attestent[1]).

L'238U, quant à lui, est dit fertile puisque, sous l'effet de neutrons lents, il donne du plutonium 239[2], 239Pu, qui, comme l'235U, est fissile.

Le troisième larron, l'234U, n'est ni fissile, ni fertile.

La fission d'un atome d'235U libère 193,2 MeV d'énergie récupérable – c'est cette énergie que l'on cherche à récupérer dans les centrales nucléaires pour chauffer de l'eau et en faire de la vapeur qui, mise sous pression, viendra faire tourner un alternateur entrainant la production d'électricité – et 9,6 MeV d'énergie communiquée aux neutrinos (énergie perdue). La fission d'un atome de 239Pu (issu de la fission d'238U) libère une quantité d'énergie comparable. Les carburants fossiles (charbon, pétrole, gaz) libèrent quant à eux environ 5 eV (noter l'absence délibérée du “M” = 106) par molécule de CO2 produite (soit, pour une combustion complète, par atome de carbone initial). L'énergie potentiellement libérée par 1 g d'uranium (235U fissile ou 238U fertile) est ainsi environ 2 à 3 millions de fois plus grande que celle libérée par 1 g de combustible fossile (charbon –  C, pétrole – C8H18, ou méthane – CH4). Autre comparaison, 1 g d'uranium libère potentiellement autant d'énergie que 55 pleins d'essence de 60 L (environ 2,5 t d'essence).

Comparaison de différentes sources d'énergie

Figure 1. Comparaison de différentes sources d'énergie.

Attention, dans le texte il est question d'énergie pour 1 g d'uranium ayant totalement “réagi”. Il en faut beaucoup plus si on parle de combustible nucléaire (le combustible “usé” contient beaucoup d'U “résiduel), voire d'uranium extrait (avec, de plus, les “pertes” de l'uranium “appauvri” ne rentrant pas dans le combustible nucléaire).

On trouve d'ailleurs, aussi sur le site de la Sfen, l'équivalence « 7 g d'U - 890 kg de pétrole - 1 000 kg gaz - 1 100 kg de charbon ».


L'uranium a été découvert l'année où la France découvre la démocratie, en 1789, par un chimiste prussien, Martin Heinrich Klaproth, un précurseur de la chimie quantitative fervent défenseur des thèses lavoisiennes. Il isole l'uranium sous forme d'oxyde à partir d'une pechblende (ou uraninite, UO2) de Joachimsthal, une petite bourgade de République tchèque, et le nomme d'abord « urane », en référence à la découverte de la planète Uranus, 8 ans auparavant, par William Herschel. Renommé rapidement (en 1790) “uranium”, il entre définitivement dans la nomenclature de la chimie en 1841 quand un Français, Eugène Melchior Péligot l'isole totalement. La radioactivité naturelle de l'uranium ne fut découverte qu'à la fin du XIXe siècle en 1896 par un autre Français, Henri Becquerel lorsque des plaques photographiques posées à proximité de sels d'uranium mais non exposées à la lumière avaient été tout de même impressionnées.

L'uranium a des propriétés physiques et chimiques qui expliquent sa distribution et ses modes de concentration dans des gisements naturels.

L'uranium est un élément dit incompatible : lors d'un phénomène de fusion, il se concentre fortement dans la phase liquide. On le retrouvera donc plus concentré dans les croutes océaniques et continentales que dans le manteau terrestre, source des magmas à leur origine. De plus, lors de la cristallisation des magmas, l'U se concentre au fur et à mesure de la cristallisation dans les liquides résiduels. On le trouve donc plus concentré dans les roches granitiques (plus différenciées et/ou issus de la “refusion” d'un matériau préalablement concentré) que dans les roches basaltiques (moins différenciées), et, en contexte granitique, dans les termes les plus différenciés (leucogranites) ainsi que dans les liquides ultimes précipitant dans les filons périgranitiques.

La densité de l'élément uranium (19,1) explique la densité de ses oxydes (uraninite, UO2, 10,7) ou silicates (coffinite, U(SiO4)1−x(OH)4x, 5,1). L'uranium entre aussi, en substitution du Zr, dans les zircons, eux aussi de “forte” densité (4,7). Pour comparaison, les cristaux de quartz ont une densité de 2,65, les argiles de 2,6 à 3,3, les plagioclases d'environ 2,7, les pyroxènes de l'ordre de 3,2 à 3,9. Ceci est un facteur important pour expliquer la possible concentration de minéraux uranifères lors de processus d'érosion et de re-sédimentation, et ouvre aussi des possibilités de traitement / concentration du minerai.

Une propriété importante de l'uranium est sa solubilité dans les solutions oxydées mais son insolubilité dans les milieux réduits. Ainsi, dans le milieu naturel, l'uranium est mobilisable par les eaux de surface généralement oxydantes, mais va précipiter en cas d'arrivée dans un milieu plus réducteur (changement de dégré d'oxydation de la nappe phréatique, passage dans un matériau plus riche en matière organique…).

Ressources et réserves

L'exploration des gisements d'uranium, un cas à part

En plus de toutes les techniques et technologies utilisées dans l'exploration minière en général (cartographie géologique, échantillonnage, géostatistiques, géochimie, forages, carottages…), la radioactivité de l'uranium permet aux géologues d'utiliser des techniques de prospection radiologiques pour détecter la présence plus importante d'uranium dans un environnement donné.

Le compteur Geiger (ou compteur Geiger-Müller, ou encore compteur G-M) en est l'outil maitre jusque dans les années 1950. Imaginé dès 1913 et mis au point en 1928, il permet de mesurer l'intensité du rayonnement ionisant issu de la fission naturelle des atomes d'235U (les particules β sont détectées par l'appareil). Plus l'uranium est concentré, plus le nombre de fissions par unité de temps est important, plus le nombre de particules β émises l'est aussi. Un minerai ayant une teneur d'environ 1 % d'uranium montrera une activité[3] d'environ 1,6.106 Bq/kg.

Un autre type d'appareil, le détecteur à scintillation, a lui aussi été développé pour identifier la présence d'éléments radioactifs dans un matériau. Deux familles de détecteurs existent (les scintillateurs organiques et les non-organiques) et fonctionnent sur le même principe de base : les atomes d'un matériau scintillant sont excités par l'arrivée d'un rayon ionisant, le matériau scintillant émet alors de la lumière qui est réfléchie et dont le signal est amplifié pour permettre sa détection grâce à un système électronique de comptage. Ces détecteurs sont utilisés dans l'industrie nucléaire pour prévenir une éventuelle contamination radioactive, mais aussi sur le terrain par les géologues d'exploration pour évaluer la teneur en uranium d'une roche donnée, à l'affleurement.

Les détecteurs à scintillation ont généralement une précision supérieure au compteur G-M qu'ils ont supplanté à partir des années 1950 en prospection des gisements d'uranium. Les progrès techniques effectués sur les détecteurs à scintillation ont d'abord permis le développement de la prospection aérienne, où le détecteur monté sur avion survole une zone afin de mesurer l'activité radioactive des roches en surface – méthode toujours utilisée aujourd'hui.

Plus tard, les mesures ont permis de distinguer les différents éléments radioactifs, selon que la roche contient du thorium, de l'uranium ou du potassium, les trois éléments radioactifs quantitativement significatifs (les autres, comme le 87Rb, le 14C… étant quantitativement marginaux).

L'exploration d'une zone est très couteuse comme pour tout autre minerai. Elle demande des ressources conséquentes et du temps, beaucoup de temps. On évalue généralement la durée de la phase d'exploration complète d'une zone, entre son identification et la mise en production du gisement, à 10 ans, et son intensité capitalistique à plusieurs dizaines de millions d'euros.

À ce titre, il est assez amusant d'observer que les montants investis dans l'exploration des gisements d'uranium sont étrangement corrélés au prix de l'uranium (figure ci-dessous). En effet, une à deux années après une fluctuation du prix de l'uranium suit une variation similaire des montants investis dans l'exploration. Cela s'explique simplement, d'une part, par la disponibilité en réserves financières de l'industrie minière impliquée dans l'exploitation de gisements d'uranium, et, d'autre part, par l'attirance des investisseurs pour des gains futurs dans les périodes de haut prix.

On observe souvent que l'industrie minière est cyclique, l'uranium en est un bel exemple !


Ressources et réserves d'uranium

Les notions de ressources (quantité d'élément existante) et de réserves (quantité d'élément extractible selon les critères techniques, économiques, politiques en un lieu et un temps donnés) sont souvent confondues. Pour un rapide rappel, voir la présentation de ces deux notions dans Le lithium (Li) : aspects géologiques, économiques et industriels.

Il s'agit d'attirer l'attention sur la particularité de l'uranium dans ce domaine. La publication faisant en général foi en matière de ressources et réserves d'uranium est le rapport annuel publié par l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA en français, IAEA en anglais) et par l'Agence de l'Énergie Nucléaire (AEN, ou NEA), intitulé en 2020 Uranium 2020 Resources, Production and Demand.

Aucune distinction entre ressources et réserves n'y est faite. Seules les ressources d'uranium sont présentées. Elles sont distinguées en deux catégories : les « ressources raisonnables » (ou reasonable assured resources, RAR) et les « ressources déduites » (inferred resources), et présentées en fonction de leur coût de récupération.

Les « ressources raisonnables » correspondent à l'uranium présent dans des gisements connus, de taille, de teneur et de configuration déjà estimées. Les coûts d'exploitation de ces ressources “raisonnables” sont connus et les technologies existent pour les exploiter. Les « ressources raisonnables » de ce rapport peuvent donc être assimilées à la définition classique des réserves – à condition de ne considérer que les volumes dont les coûts d'exploitation sont en deçà du prix de l'uranium.

Les « ressources déduites » contiennent les « ressources raisonnables » auxquelles est ajouté l'uranium dont la présence est déduite des connaissances géologiques actuelles, en extension de gisements connus ou dans des gisements supposés, mais où les preuves formelles ne permettent pas de considérer ces ressources comme étant récupérables. La teneur, la taille, la configuration de ces gisements ne sont pas connues avec assez de précision pour les classifier en ressources “raisonnables”. Les « ressources déduites » stricto sensu (hors « ressources raisonnables ») peuvent être assimilées à la définition classique des ressources.


La carte ci-dessus montre que les ressources d'uranium (ici les « ressources raisonnables » et « déduites » d'uranium récupérables à un coût inférieur à 130 USD/kg U, et donc les réserves connues d'uranium) sont plutôt bien réparties dans le monde. Seize pays détiennent 95 % des ressources mondiales (les 5 % restants se trouvant dans 21 autres pays). Situation géopolitiquement pratique pour les pays consommateurs qui ont donc le choix parmi un relatif grand nombre de pays producteurs pour s'approvisionner en uranium ! En particulier quand on sait qu'il s'agit de ressources minérales très prisées pour des applications aussi critiques que l'armement et la génération d'électricité !

Typologie des gisements d'uranium

Comme tout gisement, les gisements d'uranium peuvent être catégorisés selon différentes typologies : une typologie chimique (gisements phosphatés, gisements d'oxyde…) ou bien une typologie géologique (gisements sédimentaires, périgranitiques, de discordance précambrienne…).

Pour gagner en simplicité, nous adopterons une seule de ces typologies, la typologie géologique. Les gisements sont présentés par ordre d'importance en ressources, des gisements présentant les plus grandes ressources, aux gisements les moins importants.


Les gisements sédimentaires

Les gisements sédimentaires constituent les plus grandes ressources et réserves d'uranium.

Ils ont en commun leur relativement faible teneur (0,05 à 0,35 % U) et d'être de taille moyenne (maximum 50 000 tonnes d'U). Enfin l'uranium y est en général contenu dans de la pechblende (ou uraninite, UO2) et de la coffinite [U(SiO4)1−x(OH)4x].

Ils sont bien répartis dans le monde et correspondent à des grands centres de production actuels ou passés aux États-Unis (dans le Wyoming et au Nouveau Mexique), en Europe Centrale et au Kazakhstan.

Quatre catégories peuvent être distinguées, dont les trois principales sont présentées schématiquement sur la figure ci-dessous.


Les gisements tabulaires

Les gisements tabulaires sont constitués de zones de minéralisation prenant la forme de lentilles irrégulières et allongées. Ces lentilles sont orientées dans le sens de la circulation des nappes phréatiques. Ils présentent les teneurs les plus élevées en uranium parmi les gisements sédimentaires mais sont généralement relativement petits.

Exemples de gisement (liste non exhaustive) : Akouta, Arlit et Imouraren au Niger, Hamr-Stráž pod Ralskem en République Tchèque, les gisements du plateau du Colorado aux États-Unis.

L'origine de l'uranium varie d'un gisement à l'autre. Il provient, par exemple, de la formation triasique supérieur de Chinle dans le Colorado, des roches carbonifères et permiennes en Europe de l'Est, des granites de l'Aïr riches en éléments incompatibles pour Akouta et Arlit au Niger. Dans tous les cas en revanche, le rôle d'une accumulation de matière organique riche en acide humique et réductrice est majeur. Dès que des fluides riches en uranium entrent en contact avec celle-ci, l'uraninite précipite : l'uranium est en effet soluble en milieu oxydé (U6+) alors qu'il ne l'est pas en milieu réducteur (U4+) . Des remaniements ont ensuite parfois lieu, associés à des dissolutions / re-précipitations et aboutissant à la formation de minéraux secondaires enrichis en uranium et autres éléments incompatibles.

Imouraren a été – un court temps – considéré comme un gisement rentable de classe mondiale. En 2009, la mine est inaugurée en grande pompe avec Mamadou Tandja, alors président nigérien, Anne Lauvergeon, alors présidente du directoire d'Areva, Christine Lagarde, alors Ministre de l'économie, des finances et de l'industrie en France, l'ambassadeur de France au Niger (et même Rama Yade !). Mais après 900 millions d'euros investis par le groupe nucléaire français et ses partenaires, une première production initialement prévue pour 2012 puis repoussée à 2014… Pas le moindre gramme d'uranium n'est sorti de la mine d'Imouraren en 2021 !

Les fronts de minéralisation

Les zones de minéralisation dans ce type de gisement sont en général associées à des conglomérats, ou à des formations de grès perméables et poreux.

L'accumulation d'uranium provient d'une dissolution de l'uranium dans la même formation ou à proximité et sa reprécipitation en “front” lorsque l'uranium change d'état d'oxydo-réduction, généralement au contact d'une formation riche en matière organique.

Les gisements en front de minéralisation présentent les caractéristiques suivantes.

  • Ils sont souvent en forme de croissant de lune qui recoupe la formation hôte, dont la forme est dictée par le gradient hydraulique.
  • La plupart de ces gisements sont constitués de plusieurs fronts.
  • Les fronts eux-mêmes sont généralement de petite taille et ne renferment qu'une quantité limitée d'uranium, mais ensemble, ils forment des gisements de classe mondiale.

Il s'agit des gisements regroupant les plus grandes ressources et réserves au monde, notamment au Kazakhstan.

Exemples de gisement (liste non exhaustive) : Budenovskoye, Tortkuduk, Moynkum, Inkai and Mynkuduk au Kazakhstan, Crow Butte et Smith Ranch aux États-Unis.

Au Kazakhstan, la minéralisation est située dans une formation de sédiments lacustres et alluvionnaires du Crétacé tardif. L'origine de l'uranium n'est pas clairement définie à ce jour.

Les paléo-chenaux, souvent associés aux deux premières catégories

Les gisements liés à des paléo-chenaux sont souvent confondus avec les gisements tabulaires et les fronts de minéralisation. Le modèle de formation des minéralisations y est effectivement identique. Seule la source de l'uranium change : dans le cas des gisements catégorisés comme paléo-chenaux, l'uranium provient directement des sédiments charriés dans le fond du chenal et n'est pas externe. L'uranium, transporté par les eaux souterraines des nappes phréatiques précipite lorsque son état rédox change (et qu'il est réduit).

Dans certains cas (Namibie, Australie), les systèmes de chenaux sont éphémères. L'uranium précipite alors lorsque l'eau s'évapore dans des lacs salins.

Exemples de gisements (liste non exhaustive) : Dalur et Khiagda en Russie, Beverley, Honeymoon et Four Miles en Australie

Les gisements tectoniques

Les gisements dits tectoniques sont présents dans des formations sédimentaires gréseuses, le long de ou à proximité immédiate de failles tectoniques qui recoupent les formations sédimentaires. La minéralisation prend alors une forme oblongue dans le sens de la faille. Il y a souvent plusieurs zones de minéralisation empilées les unes sur les autres.

Le cas du gisement français de Lodève (Hérault) est détaillé plus loin. Les zones de minéralisations (une cinquantaine de couches inégalement radioactives) se trouvent dans des sédiments bitumineux de l'Autunien gris et le tiers inférieur de l'Autunien rouge (tout début du Permien), à l'intersection de fractures avec les couches porteuses. Les épisodes bitumineux témoignent d'épisodes lacunaires récessifs au sein d'un environnement à dominante continentale.

Exemples de gisements (liste non exhaustive) : Lodève en France, les gisements du bassin de Franceville au Gabon.

Le cas particulier des gisements phosphatés, exploités… mais pas pour l'uranium !

Les phosphorites sédimentaires d'origine marine contiennent de l'uranium à très faible concentration dans des minéraux d'apatite – phosphate de calcium (0,005 à 0,015 % U).

Les gisements phosphatés d'uranium sont principalement contenus dans des phosphorites marines du plateau continental contenant de l'uranium disséminé dans de l'apatite synsédimentaire.

En tant que tel et vu les teneurs, aucune mine exploitant ces gisements ne pourrait voir le jour… mais c'est sans compter la présence de phosphate à des concentrations permettant leur exploitation.

Ces gisements sont donc exploités aujourd'hui pour le phosphate (entrant notamment dans la fabrication des engrais) – sans pour autant que l'uranium soit récupéré. Ils sont situés aux États-Unis (en Floride et dans l'Idaho), au Maroc et au Moyen-Orient (Jordanie, Arabie Saoudite…). Étant donné la taille de ces gisements, et malgré les faibles teneurs, les ressources estimées se portent à 22 millions de tonnes d'uranium (soit plus de 300 fois la consommation mondiale d'uranium par les centrales nucléaires en 2018 !). Cela dit, les calculs économiques ne tournent aujourd'hui pas en faveur de la production d'uranium en coproduit du phosphate. L'uranium contenu n'est donc pas pris en compte dans les calculs de « ressources raisonnables » ni de « ressources déduites » présentées plus haut. Des recherches sont actuellement effectuées pour tenter de trouver de nouveaux moyens de récupération de l'uranium afin d'en améliorer la rentabilité.

Les complexes polymétalliques bréchifiés, le cas d'Olympic Dam, Australie

Olympic Dam est sans doute un des gisements d'uranium les plus connus au monde. Non seulement c'est le gisement détenant les plus grandes réserves d'uranium au monde, mais il s'agit aussi de la plus grande mine d'Australie. Exploitée depuis 1988, la mine d'Olympic Dam est détenue par le groupe BHP Billiton depuis 2005 ; elle produit la moitié de l'uranium produit dans le pays chaque année, en coproduit avec le cuivre, l'or et l'argent, d'où l'appellation de gisement “polymétallique”.

La mine est souterraine, plus de 450 km de galeries y ont déjà été creusées.

Découvert en 1975, le gisement se situe à 560 km au Nord de la ville d'Adélaïde. La minéralisation est contenue dans un complexe bréchifié situé sur la marge Est du craton Gawler, sous 300 m de roches sédimentaires datées du Néoprotérozoïque au Cambrien.


Les brèches sont des brèches hydrothermales dont l'étendue des lithologies présentes (des périphéries granitiques du gisement à des hématites ou équivalents au centre) tend à démontrer une série de plusieurs cycles d'altération et de bréchification.

Les brèches sont hétérogènes en forme, en taille et en direction. Reeve et al. (1990) [F12] montre que la formation des brèches résulte de cinq principaux processus : de la fracturation hydraulique, des failles tectoniques, de la corrosion, du phréato-magmatisme et des effondrements par gravité.

Le gisement en lui-même ne correspond qu'à une faible portion de la brèche. Les teneurs en cuivre évoluent entre 1 et 6 %, en argent autour de 3 g/t, en or autour de 0,6 g/t, en uranium, enfin, autour de 0,6 kg/t. Des terres rares sont aussi présentes (à hauteur de 3 à 5 ‰) mais ne sont à ce jour pas récupérées.

La géométrie des zones à haute teneur est très complexe, aboutissant à un plan minier lui aussi complexe (voir figure ci-dessous).

Le fait que le minéral d'oxyde de fer principal soit l'hématite (et non la magnétite) montre que l'eau météorique a joué un grand rôle dans la genèse du gisement. Formée à une faible profondeur, la minéralisation d'uranium est entièrement incluse dans un granite riche en fer, potassique et alcalin, associé à des roches volcaniques felsiques de même nature. L'uranium provient de fluides de faible température, salins et très oxydés. Ces fluides se seraient mélangés avec des fluides salins, chauds et réducteurs ou auraient réagi avec des roches altérées riches en magnétite, déjà enrichies en or et en argent.

Brèche granitique à matrice riche en hématite, Olympic Dam (Australie)

Figure 7. Brèche granitique à matrice riche en hématite, Olympic Dam (Australie).

On y voit la désagrégation d'une enclave granitique.


Plan minier d'Olympic Dam (Australie)

En 2015, 15 gisements étaient considérés comme appartenant à un type de gisement similaire à celui d'Olympic Dam (gisement polymétallique à oxyde de fer, cuivre et or). Seul Olympic Dam est aujourd'hui exploité (voir la liste ci-dessous).

Gisements polymétalliques connus en 2015

Figure 9. Gisements polymétalliques connus en 2015.

Le seul gisement exploité à ce jour est celui d'Olympic Dam (Australie).


Les gisements de la discordance précambrienne

Les gisements de la discordance pré-cambrienne sont situés au Canada (ils en constituent l'intégralité des ressources en uranium et sont aujourd'hui exploités, dans le bassin de l'Athabasca) et en Australie (exploités jusqu'en 2013 dans la mine de Ranger, dans le bassin de McArthur dans les Territoires du Nord).

Les gisements canadiens du bassin de l'Athabasca constituent les plus grands gisements d'uranium à haute teneur du monde (teneur en uranium supérieure à 5 % pouvant aller jusqu'à plus de 15 %).

Le bassin de l'Athabasca recouvre environ 100 000 km2 à cheval sur les provinces du Saskatchewan et de l'Alberta (les gisements quant à eux ne se situent que dans le Saskatchewan). La surface du bassin est composée d'une épaisseur de 100 à 1000 m de sédiments gréseux du Protérozoïque moyen ; le socle du bassin quant à lui est d'âge archéen à l'Ouest et l'Est du socle est constitué lors des orogenèses du Paléoprotérozoïque.

Cartographie du socle du bouclier canadien

Figure 10. Cartographie du socle du bouclier canadien.

Le bassin de l'Athabasca (en gris foncé) est à cheval sur des formations d'orogenèses paléoprotérozoïques et du craton archéen.


Les gisements d'uranium aujourd'hui exploités par Cameco (une entreprise canadienne) et Orano (ex-Areva, ex-COGEMA, entreprise française) sont situés à la base de la formation sédimentaire, à une profondeur de 530 à 640 m. Ils sont généralement associés à des failles riches en graphite, et entourés de halos d'altération argileuses à haute température.

Bien qu'ayant attiré l'attention des géosciences depuis leurs découvertes, aucun consensus large n'existe ni pour dater, ni pour expliquer ces exceptionnelles accumulations d'uranium situées à proximité de ou sur la discordance précambrienne. Parmi d'autres hypothèses, un modèle diagénétique hydrothermal est communément admis pour la genèse de ces gisements. Le dépôt a lieu pendant la diagenèse à la faveur de la circulation d'une saumure très concentrée et oxydante dans le socle. Elle s'enrichit en calcium, magnésium et uranium par dissolution de monazite [phosphate de terres rares acceptant U et Th, en faisant l'un des minéraux communs les plus radioactifs], et s'appauvrit en quartz. Dans le même temps, sa température augmente. Au contact d'un front rédox à la discordance, la saumure dissout du quartz et précipite de l'uranium dans l'espace libéré. Des altérations, remobilisations et précipitations successives ont probablement eu lieu ultérieurement.

Coupe schématique du gisement de McArthur River, relation entre la minéralisation et les assemblages d'argiles

Figure 11. Coupe schématique du gisement de McArthur River, relation entre la minéralisation et les assemblages d'argiles.

On y voit la minéralisation “coincée” entre la base de la formation sédimentaire et le socle archéen (en marron).


Comme nous le verrons ensuite, des techniques d'exploitations innovantes ont dû être mises au point pour exploiter ces gisements. La circulation toujours active de fluides a en effet poussé les ingénieurs miniers dans leurs retranchements.

Les gisements métasomatisés

La métasomatose (ou métasomatisme) est un phénomène diagénétique d'altération chimique durant lequel un élément chimique est remplacé par un autre, suite à la circulation de fluides dans la roche. Un apport d'éléments externes peut avoir lieu. La structure de la roche présente initialement est en général conservée. Un exemple bien connu est la transformation graduelle de la calcite [CaCO3] en dolomie [(Ca,Mg)CO3].

En ce qui concerne l'uranium, il s'agit des gisements situés aux États-Unis, en Australie, en Ukraine et au Brésil.

On peut distinguer deux types de gisements métasomatiques en fonction de la roche hôte. Dans les granites métasomatisés (gisement de Ross Adam en Alaska, gisement de Novokostantynivka en Ukraine, Lagoa Real au Brésil) les minéraux contenant de l'uranium se trouvent disséminés dans des petites veines dans les interstices de failles, cisaillements et brèches dans des zones de failles antérieures à la métasomatose des granites uranifères. Un autre cas est celui des métasédiments métasomatisés (gisements de Zhovta Richka et Pervomayske en Ukraine, gisement de Valhalla en Australie). En Ukraine, des métasédiments et des granites intrusifs à microcline ont été fortement altérés le long de zones de déformation structurelle par la métasomatose du sodium, des carbonates et du silicium.

En Ukraine, les gisements “granitiques” ont une teneur de 0,1 à 0,2 % et constituent la plus grande partie des réserves d'uranium du pays. La minéralisation y est disséminée. Ils sont toujours exploités aujourd'hui par VostGOK, une entreprise publique dépendant du ministère de l'industrie et du charbon ukrainien.

Les conglomérats à galets de quartz

Répertoriés en 88 sites dans le monde, les gisements de conglomérats à galets de quartz les plus importants sont en Ontario (Canada, environ 25 gisements) et en Afrique du Sud (environ 60 gisements).

Les gisements sont soit dominants en or (Afrique du Sud), soit en uranium (Canada). Dans les deux cas, la minéralisation résulte du transport et du dépôt sédimentaire de pechblende (ou uraninite) dans un environnement fluvial, en général stratiformes et prenant la forme de placers (accumulation de la fraction dense d'un sédiment détritique séparée par densité au cours de son transport – l'exploitation minière des placers a participé aux grandes épopées de l'industrie, notamment à la ruée vers l'or !). En Afrique du Sud, on trouve dans ces placers archéens, en plus d'oxydes d'uranium, des sables et galets de sulfures (pyrite) aurifères (cf. Les galets de pyrite de l'Archéen du Witwatersrand (Afrique du Sud) et la teneur en dioxygène de l'atmosphère).

Ces conglomérats à galets de quartz sont anciens et datent au minimum de 2,2 Ga, lorsque le taux d'oxygène dans l'atmosphère était bas, rendant les oxydes d'uranium instables en surface et sub-surface et permettant leur déstabilisation - reminéralisation. En effet, dans la pechblende, l'U est sous sa forme réduite U4+ insoluble dans l'eau aux températures et pH ordinaires. En présence d'oxygène, l'U4+ devient U6+, forme soluble dans l'eau.

Les gisements d'uranium dans les conglomérats à galets de quartz sont en général de faible teneur (0,01 à 0,1 % U3O8), mais peuvent représenter des tonnages assez élevés.

Les gisements canadiens à dominance en uranium (gisements du lac Elliot) sont situés au Nord du lac Huron et ont produit 138 500 tonnes d'uranium jusqu'en 1996. Les conglomérats hôtes du gisement sont supposés être des paléoplacers modifiés. L'uranium proviendrait de granites pegmatitiques situés au Nord du gisement. L'uranium aurait été libéré des granites pegmatitiques par érosion et transporté jusqu'à précipitation par un système de chenaux fluviaux dans le bassin sédimentaire. Les âges observés pour l'uraninite (2550±50 Ma), la monazite (2500 Ma) et le zircon (2450 Ma) démontrent la source archéenne. Les teneurs en ThO2 (9 %) et en terres rares (8 %) sont, elles, typiques de l'origine granitique / pegmatitique. Les galets de quartz auraient été déposés dans les environnements à plus faible énergie, formant les conglomérats. La décroissance plus brutale du débit des chenaux serait à l'origine des teneurs en uranium plus fortes observées sur le site de la mine de Denison.

Les gisements intrusifs

Les gisements intrusifs les plus importants sont situés en Namibie (Rössing et Husab), au Groënland (Kvanefjeld), au Canada (Bancroft), en Afrique du Sud (Palabora).

Ces gisements sont associés dans ces cas-là à des roches intrusives : granites, alaskite, pegmatite, monzonites, syénites néphéliniques…

Les gisements intrusifs sont associés à des roches magmatiques, souvent plutoniques. En Namibie, le gisement de Rössing (où l'alaskite a été décrite pour la première fois – leucogranites riches en quartz ayant souvent une structure pegmatitique) est associé à l'enrichissement de migmatites en uraninite par l'injection de pegmatites, et ce de façon disséminée.

La mine d'Husab détient une licence d'exploitation depuis 2011. La construction de la mine a débuté en 2014 et la production en 2016. Cette mine est prévue pour devenir la deuxième mine d'uranium la plus importante du monde, sur le podium juste derrière la mine de McArthur River, au Canada.

Le gisement groenlandais de Kvanefjeld a fait parler de lui en avril 2021. C'est un complexe d'intrusions alcalines sous-saturées (syénites néphéliniques), riche en uranium, mais aussi en terres rares, niobium, béryllium, zirconium… Une compagnie minière australienne à forte participation chinoise avait obtenu un permis d'exploration et demandait une concession d'exploitation. L'exploitation de ce gisement, en particulier de son uranium, divise fortement la population groenlandaise. Les élections législatives anticipées du 6 avril 2021 s'apparentaient à un référendum pour ou contre l'exploitation de ce gisement. Les partis opposés à cette exploitation sont arrivés largement en tête.

Autres types de gisements d'uranium

Les gisements filoniens, pour leur importance historique

Les gisements filoniens d'uranium ne représentent aujourd'hui plus une part significative des ressources et réserves d'uranium actuelles (environ 2 %). Ils revêtent pourtant une importance historique particulière. Non seulement ils ont été des gisements significatifs de l'approvisionnement mondial d'uranium dès les années 1950 et jusqu'aux années 1980. Ils ont surtout fourni les premiers échantillons à Henri Becquerel puis quelques années plus tard à Pierre et Marie Curie pour leurs expériences sur la radioactivité (notamment le gisement de Jachymov en République Tchèque, aujourd'hui épuisé mais riche en radium).

L'autunite [Ca(UO2)2(PO4)2.10-12H2O], un des plus spectaculaires minerais d'uranium, a été trouvée et définie dans la région d'Autun (Saône et Loire). Elle est souvent associée à un autre phosphate d'uranium, la torbernite, également appelée chalcolite [Cu(UO2)2(PO4)2.12H2O], fréquente en particulier dans les gisements du Forez (Loire et Puy-de-Dôme) Ces minéraux proviennent de l'hydratation-oxydation de pechblende. Ils sont très fréquents dans les gisements filoniens hercyniens européens et ont participé significativement à la production d'uranium en France, surtout dans le Massif Central.

Quant au futur… ces gisements pourraient retrouver leur grandeur d'antan, d'un point de vue géopolitique cette fois, et non scientifique. En effet, il s'agit du type de gisement les plus importants en Europe. Si l'Union européenne vient un jour à devoir se tourner vers les sources internes d'uranium (sait-on jamais), elle sera peut-être amenée à revenir à ses amours d'antan et exploiter à nouveau les gisements filoniens d'Europe de l'Ouest et Centrale (République Tchèque, France, Allemagne…).

L'eau de mer : le gisement rêvé

Les océans et mers du globe ont été et sont encore considérés comme un gisement potentiel d'uranium, en raison des quantités significatives d'uranium contenues (de l'ordre de 4 milliards de tonnes d'U).

Des études sur la récupération de l'uranium contenu dans l'eau de mer ont été poursuivies entre les années 1950 et 1980 par l'Allemagne, l'Italie, la Grande-Bretagne et les États-Unis. Une usine pilote a même fonctionné entre 1981 et 1988 au Japon pour récupérer l'uranium contenu dans l'eau de mer grâce à des adsorbants TiO2.

Des recherches sont toujours en cours pour trouver le bon procédé qui permettra la récupération rentable de l'uranium contenu dans l'eau de mer, mais aucune n'a abouti jusqu'à aujourd'hui !

Les stocks : le gisement caché !

Les réserves disponibles dans les stocks d'uranium – issus du démantèlement des arsenaux atomiques des grandes puissances à la fin de la guerre froide – sont estimées à 855 millions de livres (environ 388 000 tonnes) de U3O8, ou l'équivalent de 5 ans de la demande mondiale pour les centrales nucléaires.

Dans ce jeu de gestion des stocks, la Chine tire son épingle du jeu, en accumulant 30 % des réserves.

Stocks estimés d'U3O8

Figure 16. Stocks estimés d'U3O8.

Les stocks sont présentés en millions de livres.


Méthodes d'exploitation des gisements uranifères

Après ce rapide tour d'horizon des principaux gisements uranifères, ne reste plus qu'à éclaircir les méthodes mises au point pour les exploiter. Pour cela, l'uranium est un matériau qui sort du lot pour un mineur : l'exploitation des gisements en contenant a fait appel à un grand nombre de méthodes d'exploitation différentes, et a même poussé les mineurs dans leurs retranchements. Lorsqu'on s'intéresse à l'exploitation des gisements uranifères, il est impossible de s'ennuyer ! Innovation et multitude de méthodes d'exploitation sont au rendez-vous.

La lixiviation in situ

La première méthode d'exploitation que nous présenterons est celle utilisée notamment au Kazakhstan, premier producteur mondial d'uranium, mais aussi en République Tchèque sur le gisement de Stráž pod Ralskem. Loin de l'image traditionnelle de l'industrie minière – comme peut en témoigner la photographie ci-dessous – la lixiviation[4]in situ est une technique minière à part.

Restes de l'exploitation du gisement de Stráž pod Ralskem en République tchèque

Figure 17. Restes de l'exploitation du gisement de Stráž pod Ralskem en République tchèque.

Ne reste plus que les puits d'injection en surface !


Le principe de la lixiviation in situ (appelée aussi extraction par dissolution) est relativement simple : il s'agit d'injecter directement dans la formation rocheuse accueillant la minéralisation d'uranium une solution acide, généralement synthétisée à partir d'acide sulfurique, via un puits injecteur. La roche à proximité immédiate du puits injecteur, à la profondeur voulue, est dissoute par la solution acide. Quelques semaines ou mois plus tard, un second puits, producteur cette fois-ci, permet de faire remonter (en pompant) la solution acide chargée en uranium à la surface quelques dizaines de mètres plus loin. La solution est alors traitée en usine pour séparer l'uranium du reste des éléments.

La roche contenant la minéralisation se doit donc d'être poreuse, perméable, idéalement confinée pour que la lixiviation in situ puisse être mise en œuvre. Développée de façon largement empirique, cette méthode d'exploitation est toujours en voie d'optimisation. Des études couplées d'hydrogéologie et de géochimie identifient les processus physico-chimiques à l'œuvre en profondeur. Des modèles tentent alors de reproduire les comportements estimés. L'optimisation permet ainsi de réduire la quantité d'acide utilisée à quantité d'uranium produite donnée, réduisant dans le même temps les couts de production de manière significative.

L'avantage indéniable de la lixiviation in situ est le peu de dommage en surface. Cela dit, les risques de contamination des nappes phréatiques existent. La production d'une grande quantité de boues et d'effluents contaminés lors de la récupération de l'uranium en phase liquide présente aussi des risques qui doivent être pris en compte dans les projets pour éviter toute pollution.

Représentation schématique de la lixiviation in situ

Exploitation par lixiviation in situ au Kazakhstan

La mine souterraine… un univers en soi !

La mine souterraine n'est pas une méthode d'exploitation en soi. Il s'agit tout simplement de décrire l'environnement dans lequel s'établissent les activités minières. Une fois sous terre, de multiples méthodes d'exploitation peuvent être mises en œuvre pour exploiter les gisements de façon la plus sûre possible, pour les hommes et les équipements, et bien sûr, de façon la plus rentable possible.

La mine souterraine traditionnelle : Cominak

Au Niger, la mine de la Cominak (partiellement détenue par Orano, ex-Areva) a produit 80 000 tonnes d'uranium jusqu'en mars 2021, après 40 ans de bons et loyaux services.

Elle était exploitée selon la méthode traditionnelle des chambres et piliers, avec remblayage (c'est-à-dire avec remplacement des volumes extraits pour combler les galeries après exploitation). La minéralisation étant plus ou moins horizontale, des galeries ont d'abord été creusées dans la minéralisation même (larges de 6 m, hautes de 4 à 6 m). Le gisement, abattu à l'explosif, est transporté par camion et remonté à la surface par bande transporteuse. Ce premier passage ne permet l'exploitation que de 45 % du gisement, des piliers (dont la taille est savamment calculée par des géotechniciens) étant laissés en place pour éviter que le “ciel” ne tombe sur la tête des mineurs…

Le remblayage des galeries à l'aide de granulats et de sable a permis dans un deuxième temps l'exploitation des piliers laissés lors du premier passage. Les réserves s'épuisant et le marché de l'uranium étant bas et prévu pour rester bas encore quelques années, Orano a décidé avec ses partenaires de fermer la mine en 2019.

Les installations de surface de la mine de Cominak

Le raise boring (forage “remontant”)

Le principe du raise boring, utilisé dans la mine de McArthur au Canada, consiste en le creusement de deux galeries superposées, dans lesquelles peuvent passer les hommes et les machines. Une est creusée au-dessus de la minéralisation, l'autre en dessous. À la verticale de la zone de minéralisation visée, et dans la galerie supérieure, une machine est mise en place et fore un forage pilote, et ce jusqu'à la galerie inférieure. Une tige est insérée dans le forage pilote. Une tête d'alésage (impressionnante lorsqu'on est à côté !) est fixée à cette tige, à partir de la galerie inférieure. Elle est munie de plusieurs têtes de forages, et d'outils plus tranchants les uns que les autres. La machine située dans la galerie supérieure permet deux mouvements de la tête d'alésage : sa rotation, et sa remontée. Ainsi, la tête d'alésage est remontée en tournant, de la galerie inférieure vers la galerie supérieure, broyant au passage, sur la surface de la tête d'alésage, la minéralisation. Le minerai est ainsi abattu et tombe dans la galerie inférieure. Un engin récupère le minerai et le transporte jusqu'à un système qui permet sa remontée en surface pour être traité (voir la vidéo “raisebore mining sur la page Mining methods de la compagnie Cameco).

Un engin automatique (scoop) dans un atelier souterrain de la mine d'uranium de McArthur, Canada

Figure 21. Un engin automatique (scoop) dans un atelier souterrain de la mine d'uranium de McArthur, Canada.

Sachant que les roues ont un diamètre d'environ 1,50 m (voir figure suivante), on devine la taille du scoop (engin automatisé pour la récupération du minerai abattu, ici selon de principe du raise boring) et la taille des galeries.


Partie avant d'un scoop (godet et roue avant) de la mine d'uranium de McArthur, Canada

Figure 22. Partie avant d'un scoop (godet et roue avant) de la mine d'uranium de McArthur, Canada.

Des visiteurs, qui donnent l'échelle, passent à côté d'un scoop avant que ce dernier ne soit envoyé chercher le minerai abattu plus loin dans la galerie.


Une fois la minéralisation totalement transpercée, le trou est rebouché, et le minerai peut être abattu à proximité. Cette méthode permet une bonne sélectivité du minerai et une bonne récupération du gisement, mais le tonnage reste réduit.

Étant donné les teneurs du gisement (environ 15 % U), l'exposition prolongée au minerai est largement déconseillée… Pour éviter tout risque d'exposition radioactive, les engins allant chercher le minerai abattu sont téléguidés par les opérateurs qui ne restent ainsi jamais à côté du minerai déjà très concentré en uranium.

Le jet boring (forage par jet)

La mine de Cigar Lake est elle aussi une mine souterraine, mais exploitée avec la méthode du jet boring. Dans cette méthode, une seule galerie est creusée (au tunnelier et à l'explosif), sous les zones de minéralisation. À partir de cette unique galerie inférieure, des forages sont effectués vers le haut et les zones de minéralisation. Une fois arrivé dans la minéralisation, un système est introduit dans le forage, avec une tête de jet à haute pression à son extrémité. De l'eau à très haute pression est projetée dans la zone de minéralisation visée, la roche est broyée sous la pression de l'eau et tombe dans le forage sous forme de pulpe. La tête d'injection tourne sur elle-même et crée ainsi un cylindre vide au niveau de la minéralisation. L'effet de la pression de l'eau n'est en revanche très efficace que sur une distance relativement réduite (de l'ordre du mètre). Ainsi, une fois un cylindre de rayon d'un mètre est créé, il est rebouché avec du béton, et un autre cylindre est creusé à proximité en répétant le processus (forage, introduction de la tête d'injection, injection d'eau à haute pression…) (voir la vidéo “jet boring sur la page Mining methods de la compagnie Cameco).

Sans compter… la congélation des sols !

Les terrains entourant les galeries des deux mines de McArthur et de Cigar Lake sont gorgés d'eau. Comme expliqué plus haut, les fluides circulent toujours dans cette zone. Les mineurs l'ont d'ailleurs appris à leurs dépens : lors du creusement de la première galerie en 1999, la mine fut noyée… et le tunnelier fut perdu. Reprise en 2006 du creusement et un mois plus tard, la mine était à nouveau ennoyée. La solution fut trouvée dans la congélation des terrains alentours.

Pour endiguer la circulation d'eau à travers des galeries de la mine, une deuxième galerie – dite galerie de congélation – est creusée en dessous de la galerie d'exploitation à partir de laquelle est mis en œuvre le jet boring décrit dans le paragraphe précédent.

La galerie de congélation, comme son nom l'indique, est le lieu où est mis en œuvre un incroyable système de congélation des sols pour créer une barrière imperméable et éviter la “noyade”. Le principe est simple (et le cout exorbitant) : une usine de congélation est implantée en surface. Une saumure est refroidie à −36°C (une saumure est utilisée afin de pouvoir descendre en dessous de 0°C sans risquer la solidification de la saumure elle-même).

Deux réseaux permettent de créer des conditions d'opérations sécuritaires à la profondeur voulue : un réseau primaire permet la descente de la saumure à −36°C et 50 bar à la profondeur voulue. Là, un échangeur avec un réseau secondaire permet de maintenir une saumure dans ce réseau secondaire à −30°C et 6 bar – une pression bien plus raisonnable pour la circulation dans les galeries. C'est cette saumure du réseau secondaire qui circule dans les forages creusés dans les formations rocheuses pour les congeler et créer la barrière à l'eau.

La disposition des forages permettant la congélation des sols et la création d'un toit salvateur dépend de la conformation de la mine (voir l'exemple de la mine de McArthur ci-dessous).

Disposition des forages pour la mine McArthur

Figure 23. Disposition des forages pour la mine McArthur.

En traits blancs fins, on voit les forages créés dans la mine de McArthur formant comme un toit au-dessus des galeries (en bleu et jaune) qui surplombent la minéralisation (en rouge).

Pour en savoir plus, voir cette vidéo YouTube sur la mine de McArthur, groupe Cameco (en anglais).


La congélation des terrains gorgés d'eau est aussi utilisée en génie civil. Le premier grand chantier avec congélation des terrains eut lieu en 1904-1907 pour le creusement de la ligne 4 du métro parisien sous la Seine, de la rive droite vers les stations Cité, Saint-Michel et au-delà.

La mine à ciel ouvert

Des techniques d'exploitation plus classiques comme la technique des pelles / camions sont utilisées dans les mines à ciel ouvert d'uranium. Comme pour le lithium (cf. Le lithium (Li) : aspects géologiques, économiques et industriels), des camions gigantesques et des pelles tout aussi imposantes sont utilisées pour retirer la couverture stérile au-dessus du gisement, puis s'attaquer au gisement à proprement dit.

C'est cette technique qui devait être utilisée pour l'exploitation du gisement d'Imouraren (Niger). Les camions et les pelles – arrivés sur place en pièce détachées – n'ont jamais servi… Toujours au Niger, cette méthode est utilisée sur la mine de Somaïr.


Les grands pays producteurs d'uranium

Par ordre d'importance, et comme le montre la figure ci-dessous, les pays ayant les plus grandes ressources (cf. Ressources et réserves d'uranium) ne sont pas les plus grands producteurs.

De loin,et depuis longtemps (figures ci-dessous), le Kazakhstan domine la production mondiale d'uranium primaire (hors stocks), suivi par le Canada, l'Australie, la Namibie. Au total, environ 53 000 tonnes d'U ont été produites en 2019 (hors stocks).

Principaux pays et gisements, par ordre de production.

  • Au Kazakhstan, six provinces minières uranifères sont identifiées, regroupant plus de 60 gisements. Les ressources se situent à 80 % dans des gisements sédimentaires tabulaires, récupérables grâce à la méthode de lixiviation in situ.

    Orano est présent au Kazakhstan sur les gisements de Torotkuduk et Muyunkum dans un partenariat, KATCO, avec Kazatomprom, la principale entreprise nationale d'exploitation d'uranium.

  • Au Canada, l'intégralité des gisements sont des gisements situés à la discordance pré-cambrienne. Des travaux d'explorations sont toujours en cours pour tenter d'en découvrir de nouveaux.

    Deux entreprises sont très présentes au Canada : Cameco et Orano, en partenariat sur les mines de Cigar Lake et de McArthur.

  • En Australie, les principaux gisements d'uranium sont de deux types : les complexes polymétalliques bréchifiés, comme Olympic Dam, et les gisements à la discordance pré-cambrienne, comme Ranger et Kyntire.

    Les autres types de gisement sont aussi présents en Australie, mais de moindre importance – en tout cas dans le paysage actuel de l'industrie minière de l'uranium.

  • La Namibie, important pays producteur, est aussi un des pays qui récemment a attiré l'attention du public français lorsqu'éclate le scandale UraMin (cf. L'affaire UraMin). En effet, lorsqu'Areva (maintenant Orano) achète cette junior en 2007, le principal gisement est situé en Namibie – le gisement de Trekkopje, avec des ressources déclarées initialement à 90 000 tonnes d'U, puis révisées à la baisse à 45 000 tonnes d'U, puis à 26 000 tonnes d'U. Cette mine n'est, en 2021, toujours pas entrée en production.

    La minéralisation est contenue dans un calcrète, des concrétions calcaires datant du Cénozoïque. L'exploration est rendue difficile par la très faible teneur du gisement et la discontinuité des zones de minéralisation.

    D'autres mines, en revanche, permettent à la Namibie de maintenir sa place dans la liste des principaux pays producteurs d'uranium : les mines de Rössing, Langer Heinrich et Husab.

  • Le Niger, souvent considéré en France comme un pays majeur sur la scène internationale quant à la production d'uranium, n'a pas la place qu'on lui prête. Il n'arrive qu'à la 7e place des principaux pays producteurs (après l'Ouzbékistan et la Russie) et ne représente que 5 % de la production mondiale. Le pays était cependant toujours assez important pour Orano (ex-Areva) en 2018, le groupe y ayant produit environ 30 % de son uranium. La fermeture des mines de la Cominak et les baisses de production à Somaïr ne risquent pas de participer à faire monter le pays au classement des producteurs.

Le cas de la France

Historique de la production française

Bien qu'aujourd'hui, et depuis 2001, la France ne produise plus d'uranium, elle a compté jusqu'à 170 sites miniers et avait sa place dans les grands pays producteur d'uranium dans les années 1970 et 1980. Sur cinq décennies, la France a produit environ 76 000 tonnes d'U (ce qui correspond à “petit” cube d'uranium d'un peu moins de 16 m de côté du fait de sa forte masse volumique de 19,1 t/m3 – soit presque autant que l'or de densité 19,3).

Les gisements français d'uranium responsables de la majeure partie de la production se situent dans le Massif Central (Limousin, Forez…), l'Hérault et le Massif Armoricain.

Le gisement de La Crouzille, dans le Nord Limousin, est le principal gisement français. Après Lachaux (Puy-de-Dôme) en 1946 (dont l'uranium a servi à la construction de la première pile atomique française à Fontenay-Aux-Roses, mise en service en 1948 par Vincent Auriol), le site de La Crouzille est l'un des premiers à être découvert en 1948 et est entré en production dans les mois qui suivirent. Il sera actif jusqu'en 1957, produisant 148 tonnes d'U. Les teneurs en uranium observées lors du creusement du premier puits, le puits Henriette (prénom de la femme de Marcel Roubault, célèbre géologue de cette époque), sont exceptionnellement élevées (jusqu'à plus de 30 % !). L'exploration dans les environs de ce premier gisement mettra à jour les gisements suivants : Les Sagnes, Margnac, Fanay, Brugeaud… qui formeront avec le gisement initial de La Crouzille la division minière éponyme : la division minière de la Crouzille, le principal ensemble de gisements uranifères en France.

En 1951 suit la découverte des gisements de Vendée (Les Herbies, l'Écapière, la Chapelle Largeaud) et la création de la division minière de Vendée en 1954. La même année, le gisement des Bois-Noirs (Loire) est mis en évidence. Enfin, en 1957, le gisement de Rabejac, près de Lodève, est découvert et est le premier d'une série de gisements qui seront exploités par la division minière de l'Hérault créée en 1981. À côté de ces “grands” gisements, l'uranium a aussi été exploité dans l'Allier, la Saône-et-Loire, la Lozère, la Loire-Atlantique…

Les mines d'uranium françaises produiront jusqu'en 2001, date de l'arrêt de la production à la mine de Jouac (Haute-Vienne) qui exploitait le gisement du Bernardan (la teneur y était de 0,006 %, faible mais relativement bonne comparée aux coûts de production – ce qui explique que cette mine a été exploitée sur une durée plus importante). Les gisements connus en France ne sont aujourd'hui pas exploitables pour des raisons économiques. Le prix de l'uranium restant faible, il ne permet pas l'exploitation des gisements français.

Plus récemment, l'Institut de radioprotection et de sureté nucléaire (IRSN) a lancé le programme MIMAUSA pour équiper et surveiller les anciens sites miniers d'uranium en France et réhabiliter ces sites. L'objectif est d'évaluer l'étendue d'éventuelles pollutions passées et de prévenir tout risque de pollution et de contamination.

Géologie de gisements uranifères français

Nous allons voir rapidement 3 types de gisements français : un gisement sédimentaire (Lodève), des gisements périgranitiques (Limousin) et un gisement mixte dans la région de Guérande (Loire-Atlantique).

Les gisements sédimentaires de la division minière de l'Hérault (bassin de Lodève)

Le bassin permien de Lodève est un demi-graben permien, conséquence de l'effondrement gravitaire de la chaine varisque. Il contient 20 000 t d'U récupérable ou déjà récupéré. Il a été exploité de 1956 à 1997. Le remplissage de ce bassin est constitué de 2000 à 2500 m de sédiments : 600 à 700 m de Permien basal (Assélien, 199 à 294 Ma, appelé Autunien par les Français – terme utilisé sur les “vieilles” cartes et publications) et d'environ 1500 m de Sakmarien, Artinskien et Kungurien (294 à 270 Ma, ensemble appelé Saxonien sur les “vieilles” cartes et publications).

L'Autunien est totalement réduit (gris) dans son tiers inférieur, majoritairement réduit mais localement oxydé (rouge) dans ses deux tiers supérieurs. C'est dans l'Autunien que se trouve l'uranium. Ce sont des sédiments essentiellement lacustres, lac parfois légèrement salé. Au Sud du bassin, cet Autunien s'est déposé sur du Carbonifère, exploité plus à l'Ouest dans le bassin de Graissessac (cf. Couches de charbon dans un bassin de type limnique et Fossiles de troncs d'arbres dans une couche de charbon). Ce Permo-Carbonifère s'est disposé (en discordance, cf. Discordance hercynienne, Permien inférieur (Autunien) sur Cambrien, et âge de l'orogenèse hercynienne, Loiras, Le Bosc (Hérault)) sur un Cambrien carbonaté.

L'Autunien est essentiellement un ensemble argileux, avec des argiles noires voire bitumineuses, grises ou vertes, interstratifiées avec des argiles rouges et des siltites arkosiques grises. Ces siltites arkosiques sont relativement poreuses et perméables ; elles forment des micro-réservoirs contenant des huiles issues de la diagenèse de la matière organiques des sédiments réduits. Des niveaux de cinérites (cendres volcaniques acides fines) sont interstratifiées dans ces argiles. Elles témoignent d'un volcanisme acide régional au Permien. N'oublions pas qu'à cette époque, avant le fonctionnement de la Faille Nord-Pyrénéenne (au Crétacé) et l'ouverture du Bassin Algéro-Provençal (à l'Oligo-Miocène), le bloc Corso-Sarde (riche en volcanisme rhyolitique permien, cf. Le volcanisme rhyolitique permien du Sud de la France : Estérel, Corse, Briançonnais et Béarn) était juste au Sud du Languedoc (voir la figure 19 de Un volcanisme bien méconnu et pourtant si riche d'enseignement : le volcanisme du Crétacé supérieur du Pays Basque, ses pillow-lavas et la salinité de l'eau de mer). L'ensemble a subi une diagenèse intense. Les cinérites ont été très argilisées, et la matière organique des niveaux argileux est devenu bitume, voire huile. Plusieurs épisodes de fracturation syn- et post-sédimentaires affectent la série autunienne (cf. Failles normales, failles inverses, basculement : un exemple de datation relative à la Lieude et au Mas d'Alary, bassin permien de Lodève (34)).

Bloc diagramme du bassin de Lodève (Hérault)

Figure 30. Bloc diagramme du bassin de Lodève (Hérault).

L'uranium se trouve dans les niveaux autuniens (gris-violacés).

J.-C. Bousquet, 2008. Découverte géologique : les plus beaux sites de l'Hérault, Écologistes de l'Euzière, 160p.


Vue d'ensemble d'une des carrières du Mas d'Alary (bassin de Lodève) dans son état de 1988

Figure 31. Vue d'ensemble d'une des carrières du Mas d'Alary (bassin de Lodève) dans son état de 1988.

L'exploitation en découverte (à ciel ouvert) de cette carrière avait en 1988 et la COGEMA avait arrêté (ou ralenti) le pompage, ce qui explique l'inondation des niveaux inférieurs. L'arrêt définitif de l'extraction de l'uranium dans la division de l'Hérault eu lieu en 1997.

On voit très bien les couches de l'Autunien (Permien inférieur) pendant vers le Sud (vers la gauche). Les sédiments de base (à droite) sont gris sombre. Ils sont entièrement réduits et riches en matière organique. La majorité des sédiments (les 4/5 supérieurs) sont constitués d'alternances oranges à violacées (couches oxydées avec Fe3+) et grises (couches réduites avec matière organique sans Fe3+). On devine des failles normales affectant la série. L'uranium se trouve dans les niveaux réduits gris, et en particulier à leur intersection avec les failles. Au fond à droite du petit lac d'inondation, on voit le départ d'une galerie d'exploration souterraine (entrée apparemment non bétonnée ni sécurisée).


Détail de la partie supérieure gauche de la photo précédente, photographiée en 1990, carrière d'uranium du Mas d'Alary (Hérault)

Figure 32. Détail de la partie supérieure gauche de la photo précédente, photographiée en 1990, carrière d'uranium du Mas d'Alary (Hérault).

L'éclairage met ici en évidence la différence entre les couches oranges à rouge violacé (couches oxydées) et les strates grises, réduites et qui contiennent l'uranium. Les failles normales (basculées, cf. Failles normales, failles inverses, basculement : un exemple de datation relative à la Lieude et au Mas d'Alary, bassin permien de Lodève (34) ) sont bien visibles.


Évolution, en 1992, d'une des carrières d'uranium du Mas d'Alary (Hérault)

Figure 33. Évolution, en 1992, d'une des carrières d'uranium du Mas d'Alary (Hérault).

Zoom de la vue générale ci-dessus, mais pris 4 ans plus tard, en 1992. Le pompage ayant été réactivé au moment de la prise de vue, le fond de la carrière n'est plus inondé. Deux galeries bien bétonnées (donc sans doute des galeries d'exploitation et non des galeries d’exploration) sont visibles, ce qui montre que les gisements de Lodève ont été exploités à la fois (ou successivement) en découvertes (à ciel ouvert) et en mines souterraines.

Les départs des deux galeries d'exploitations sont repérables sur la vue d'ensemble de 1988. On voit ainsi l'évolution du mode d'exploitation d'un même gisement au cours du temps. Tant qu'il est facile et peu cher d'exploiter en découverte, l'exploitation se fait à ciel ouvert. Quand les niveaux “intéressants” deviennent trop profonds pour que l'exploitation à ciel ouvert soit “facile”, sure et rentable, on se tourne vers l'exploitation par galeries souterraines.


Vue aérienne d'avril 2020 du secteur des mines et carrières d'uranium du Mas d'Alary et du Mas Laveyre, déjà recouvert de cinq champs de panneaux solaires

Figure 34. Vue aérienne d'avril 2020 du secteur des mines et carrières d'uranium du Mas d'Alary et du Mas Laveyre, déjà recouvert de cinq champs de panneaux solaires.

La punaise jaune localise ce qui reste de la découverte des figures précédentes.

L'arrêt définitif de l'extraction de l'uranium dans la division de l'Hérault date de 1997. Depuis 1999, les terrains sont progressivement “remis en état”. Les installations industrielles ont été rasées, et les anciennes découvertes sont en cours de remblaiement. Ces terrains sont en cours de conversion en champs de panneaux solaires. De l'utilisation intelligente des friches minières et industrielles.


Les géologues du CEA ont distingué trois types de minéralisations et de secteurs minéralisés dans les gisements de Lodève, conséquences de trois étapes de migration-piégeage de l'uranium, migration-piégeage conséquence de la solubilité de l'uranium dans les eaux oxydées (U6+) et de son insolubilité en milieu réducteur (U4+).

  1. Une concentration diagénétique précoce, voire syn-sédimentaire. L'uranium “imprègne“ actuellement de grandes plages dans les niveaux bitumineux de l'Autunien. Le kérogène (matière organique, réductrice) de ces sédiments a piégé l'uranium des eaux du lac et surtout des eaux issues de la compaction débutante des sédiments rouges immédiatement sous-jacents (niveaux oxydés à uranium mobile). Ce premier type de dépôts constitue moins de 1 % de l'uranium récupérable.
  2. Une concentration diagénétique tardive. Elle résulte du piégeage de l'uranium contenu dans les eaux issues de la diagenèse et de la compaction des cendres volcaniques et des sédiments rouges. Ce piégeage se fait par les niveaux d'argiles bitumineuses au voisinage des intersections entre ces niveaux bitumineux et des failles synsédimentaires (en général de petite taille). Ce deuxième type de dépôts constitue environ 10 % de l'uranium récupérable.
  3. Une concentration post-diagénétique. Des eaux profondes, issues du karst installé dans les carbonates cambriens sous-jacents, ont circulé vers le haut à travers l'Autunien, en empruntant les failles et fractures ouvertes post-autuniennes. Ces eaux ont lessivé l'uranium situé dans les roches de part et d'autre des failles et fractures. Aux intersections failles / couches sédimentaires réduites, l'uranium contenu dans ces eaux ascendantes s'est fait piéger par la matière organique des argiles bitumineuses et surtout des siltites arkosiques riches en huile. C'est ce troisième type de concentration qui constitue la majorité de l'uranium récupérable.

En plus de ces trois étapes de concentration, on peut en rajouter une autre, que l'on pourrait appeler l'étape 0 : la concentration de l'uranium dans les cendres rhyolitiques ayant recouvert la région, l'uranium étant un élément incompatible se concentrant dans les liquides issus de fusion partielle ou de cristallisation fractionnée.

On peut alors ouvrir une parenthèse sur la pédagogie. En Europe occidentale, la très grande majorité des gisements d'uranium est associée à des granites (ce qui n'est pas le cas général dans le monde). Pour faire trouver le lien génétique granite-uranium, les enseignants montraient à leurs élèves une carte géologique de la France et une carte des gisements d'uranium pour que l'élève fasse la corrélation. Et si un élève bon observateur faisait remarquer qu'un des grands gisements français, Lodève (et au moins deux autres plus petits), n'était pas associé à un granite, l'enseignant « noyait le poisson » en disant que l'uranium de Lodève venait du lessivage des granites hercyniens voisins, alors que ce secteur de la Montagne Noire est remarquablement pauvre en granite. Mais tordre le cou à la réalité pour qu'elle colle aux modèles est, hélas, une pratique courante dans l'enseignement. En fait, les sources primaires de l'uranium de Lodève seraient surtout les niveaux de cendres volcaniques acides : cendres déposées dans le bassin, ou lessivage des cendres déposées sur le bassin versant entourant le lac de Lodève.

Deux autres gisements “sédimentaires” ont eu une importance économique en France : le gisement de Lombre-Cerilly dans l'Allier qui comme à Lodève exploitait un bassin permien, et le gisement de Saint-Pierre-du-Cantal qui exploitait un petit bassin oligocène.

Les gisements périgranitiques de la division minière de La Crouzille (Haute-Vienne)

Le Limousin est, avec ses plus de 40 mines d'uranium cumulées, la région qui a été responsable de près de 50 % de la production nationale dans les années 1970. Jusqu'en 2001, plus de 30 000 tonnes d'uranium seront produites par plusieurs mines pour la plupart regroupées sous la division minière de La Crouzille.

Outre son intérêt économique, la région du Limousin a aussi un intérêt pédagogique, car deux musées y sont totalement ou partiellement consacrés à la géologie et à l'exploitation de l'Uranium : UREKA, un musée interactif sur la mine d'uranium à Bessine-sur-Gartempe (Haute-Vienne), et le Musée de Minéralogie et de Pétrographie d'Ambazac, également en Haute-Vienne, où, en plus de minerais d'uranium, on peut découvrir la richesse minéralogique du Limousin (cf., par exemple, Les pegmatites du Limousin : des minéraux et des métaux rares, une mise en place plus complexe qu'imaginée et des modèles pour aider à comprendre la genèse des gisements des métaux “ du futur” ou encore Les pegmatites du Limousin : d'anciens gisements exploités pour l'industrie électrique, les porcelaines et autres céramiques, la verrerie… et des curiosités géologiques).

Les gisements d'uranium exploités en Limousin de 1949 à 2001

Figure 35. Les gisements d'uranium exploités en Limousin de 1949 à 2001.

En bas à gauche, la carte de la teneur naturelle en uranium des roches du sous-sol français. Les roches les plus riches en U visibles à cette échelle sont les granites, les rhyolites (par exemple dans l'Estérel), et les sédiments riches en matière organique (par exemple le Permo-Carbonifère de la zone briançonnaise). Parmi les granites, les leucogranites sont en moyenne 2 à 3 fois plus riche en uranium (> 10 ppm – mg/kg) que les granites “classiques” (4 à 6 ppm).


Schéma structural le l'Ouest du Massif Central

Figure 36. Schéma structural le l'Ouest du Massif Central.

Les leucogranites, les granites les plus riches en uranium où sont localisés les gisements d'uranium du Limousin, ont été colorés en rose-violet. La division minière de la Crouzille est approximativement localisée par l'ellipse rouge


Les filons uranifères du Limousin sont toujours associés aux leucogranites tardi-hercyniens, la variété de granite la plus riche en uranium (> 10 ppm). Un filon péri-granitique “standard et pédagogique“ a une origine assez simple dans les livres. Quand le magma granitique de l'intrusion est presque complètement cristallisé, le faible pourcentage de magma résiduel encore liquide est concentré (1) en eau et autres composés volatils, et (2) en éléments incompatibles comme l'uranium, le plomb, l'étain… Ce magma saturé en eau s'injecte dans les fissures péri-granitiques et va donner des filons de pegmatites (cf. par exemple, Filons de pegmatite en Bretagne et en Himalaya). Ces filons sont d'ailleurs nombreux en Limousin (cf, par exemple, Les pegmatites du Limousin : des minéraux et des métaux rares, une mise en place plus complexe qu'imaginée et des modèles pour aider à comprendre la genèse des gisements des métaux “ du futur”). Une fois que même les magmas saturés en eau ont cristallisé, il reste de l'eau chaude, supercritique, non incorporée dans les roches magmatiques et très chargée en substances dissoutes. Cette eau circule dans des fissures autour de et dans l'intrusion encore chaude mais déjà solide et, au cours de son refroidissement, y dépose les composés qu'elle contient en solution. Ce modèle théorique existe dans la nature, mais, comme souvent, la réalité est beaucoup plus complexe. C'est le cas des filons uranifères du Limousin, assez loin des filons théoriques décrits ci-dessus. Nous allons évoquer deux gisements limousins en choisissant le premier gisement à avoir été exploité, le filon Henriette, et le dernier gisement à avoir fermé, le gisement du Bernardan.

Le filon Henriette

La mine Henriette exploitait un réseau de petites fractures (quelques mètres de long tout au plus) minéralisées (silice, pyrite et pechblende) situées de part et d'autre de filons de lamprophyre. La partie du filon de lamprophyre la plus entourée de fractures minéralisée (sur 60 m du Sud-Ouest au Nord-Est, 5 m d'épaisseur et 255 m de haut en bas), était appelée la « colonne Henriette » par les mineurs. Rappelons la définition des lamprophyres. Un lamprophyre est une roche magmatique filonienne basique (ferromagnésienne) à texture microgrenue. Cette roche est caractérisée par l'abondance de mica noir (biotite) et/ou d'amphibole brune avec parfois de l'olivine, des feldspaths et des clinopyroxènes. Les lamprophyres les plus riches en biotites sont appelés « minettes » (à ne pas confondre avec la “minette de Loraine” qui est un minerai de fer sédimentaire). Les filons de lamprophyre se mettent généralement en place lors des derniers épisodes magmatiques des orogenèses (phases distensives tardi-orogéniques correspondant à l'effondrement de la chaine). Comme toutes les roches basiques, ils ont une origine mantellique.

Les filons de lamprophyre de la mine Henriette recoupent le leucogranite, et sont donc postérieurs à la fin de la cristallisation de ce dernier. Ils ont “localisé” et “guidé” les fractures minéralisées principalement en silice, sulfures et pechblende. Ces fractures minéralisées sont donc postérieures au lamprophyre, et donc très largement postérieures au granite.

Les géologues du CEA (voir Sarcia & Sarcia, 1958 [F14], pour les références) ont proposé l'interprétation suivante pour expliquer les fortes teneurs d'uranium dans ces fractures minéralisées au voisinage des filons de lamprophyre recoupant le leucogranite. La mise en place des filons dans le granite déjà cristallisé et en cours de refroidissement accompagnait une fracturation du massif de granite (en la créant ou en en profitant), et réchauffait ce granite. Fracturation et éventuellement apport de chaleur (favorisant la convection) ont mis en mouvement l'eau supercritique (cf. L'état supercritique en sciences de la Terre ) “imprégnant” le granite solide. Cette eau circulante a lessivé le granite, solide depuis longtemps, en a extrait les substances solubles à ces conditions de pression et de température, et s'est chargée en uranium et autres substances solubles. Ces substances ont précipité lorsqu'elles rencontraient des discontinuités physiques (fractures ouvertes) ou chimiques. Dans le cas de l'uranium autour des filons de lamprophyre, la précipitation de pechblende est liée à la possibilité de réactions d'oxydo-réduction couplées entre les deux couples Fe2+/Fe3+ et U4+/U6+, réactions se produisant quand ces eaux chaudes rencontraient un filon de lamprophyre, riche en minéraux ferromagnésiens (donc riche en Fe2+).

Croquis de situation de la mine Henriette et coupe schématique NO-SE (approximativement localisée par le trait rouge) au niveau du puits Henriette (Saint-Sylvestre, Haute-Vienne)

Figure 37. Croquis de situation de la mine Henriette et coupe schématique NO-SE (approximativement localisée par le trait rouge) au niveau du puits Henriette (Saint-Sylvestre, Haute-Vienne).

Les lignes horizontales (notées N) sur la coupe de droite correspondent à des niveaux de galeries d'exploitation. Le chiffre suivant la lettre N indique la profondeur (en m) par rapport à un niveau de référence à la surface.


Coupe verticale (à gauche) et série de cartes horizontales à différents niveaux du principal filon de lamprophyre (= minette) au niveau du puits Henriette

Figure 38. Coupe verticale (à gauche) et série de cartes horizontales à différents niveaux du principal filon de lamprophyre (= minette) au niveau du puits Henriette.

Le “manchon” noir qui entoure le filon de minette correspond à la zone atteinte par les fractures ouvertes minéralisées en pechblende. Ces fractures ouvertes minéralisées sont situées de 5 à 15 m de part et d'autre du filon de lamprophyre et lui sont approximativement perpendiculaires, ce qui montre une tectonique cassante complexe.


Bloc diagramme de la mine Henriette (Saint-Sylvestre, près d'Ambazac, Limousin)

Figure 39. Bloc diagramme de la mine Henriette (Saint-Sylvestre, près d'Ambazac, Limousin).

Le filon de lamprophyre correspond au “plan ondulé” subvertical dans lequel ont été forées les galeries horizontales.


Échantillon de pechblende du Limousin

Figure 40. Échantillon de pechblende du Limousin.

Contrairement à de nombreux minerais d'uranium, la pechblende (UO2) n'a pas de belles couleurs, n'est pas fluorescente aux ultra-violets, et n'est pas une “vedette” des galeries des musées de minéralogie.


Le gisement du Bernardan

Le gisement du Bernardan (commune de Jouac, Haute-Vienne) est un gisement dit d'imprégnation, qui exploite une roche (ignorée dans les classifications usuelles) appelée épisyénite. Le résumé d'une publication de Jacques Leroy (1984, [F8]) se suffit à lui-même pour expliquer l'origine de ce gisement. « Le gisement d'uranium du Bernardan exploité dans le granite à deux micas de la Marche Occidentale appartient au groupe des gisements « d'imprégnation ». La minéralisation uranifère (pechblende, « produits noirs », autunite, ...) est disséminée et a précipité dans les pores d'une roche vacuolaire appelée « épisyénite ». Cette dernière résulte d'une altération hydrothermale du leucogranite par des solutions chaudes (370–260°C) et salées (2–5,7 % poids équiv. NaCl). Le quartz est dissout ; les feldspaths (principalement les plagioclases) et les biotites sont partiellement transformés en [phyllosilicates] […]. Les muscovites et orthoses granitiques se rééquilibrent avec perte de sodium. Cette altération est guidée par un réseau de fractures intragranitique à différentes échelles. Une altération comparable a été observée dans d'autres gisements du Nord-Ouest du Massif Central français, comme Margnac et Fanay dans le massif de St Sylvestre [division de La Crouzille] et Hyverneresse dans celui du Millevaches. Les transformations minéralogiques, à l'exception de la quantité de [phyllosilicates] secondaires, les changements chimiques (lessivage de silice et métasomatisme potassique), les conditions P-T et le contrôle tectonique sont les mêmes dans tous ces gisements. »

Figure 41. structure du gisement du Bernardan en l'état de l'exploitation deux ans avant sa fermeture en 2001.

Ce gisement a d'abord été exploité en découverte (photo en haut à droite) puis par exploitation souterraine.


Ces deux gisements (Henriette et Bernardan) sont représentatifs des gisements du Limousin. Ils montrent que les gisements dits “péri-granitiques” sont loin de toujours correspondre à la représentation classique qu'on s'en fait.

Le gisement de Pen Ar Ran (Piriac-sur-mer, Loire-Atlantique), interaction entre un granite et des méta-sédiments riches en matière organique

Le résumé d'un article de C. Ballouard et al. (2017 [F2]) permet de bien comprendre la géologie du gisement de Pen Ar Ran. Voici une traduction de ce résumé.

« Dans la partie Sud du Massif armoricain, le leucogranite de Guérande (daté de 310 Ma) s'est mis en place dans une zone de déformation extensive et décrochante. Il est spatialement associé à plusieurs gisements et occurrences d'uranium. La zone apicale de l'intrusion est structurellement située sous le gisement d'uranium de Pen Ar Ran, un gisement de type filon péri-granitique. Les concentrations d'uranium y sont localisées dans l'encaissant du granite et non pas dans le granite lui-même. Cet encaissant, d'âge ordovicien (≈ 460 Ma) est constitué de méta-rhyolite et de méta-pelites noires (riches en matière organique et en graphite). Les minéralisations uranifères sont situées au contact entre les schistes noirs et les méta-volcaniques. […] Sur la base de très nombreuses données de tous types, il a été proposé que le leucogranite de Guérande soit la principale source d'uranium du gisement de Pen Ar Ran et que l'enrichissement primaire dans la zone apicale du granite s'est produite à la fois pendant la cristallisation fractionnée et l'interaction avec les fluides magmatiques. […] Après la cristallisation totale du granite et son refroidissement, ce massif, et en particulier sa zone apicale, a été altéré par des fluides oxydants à faible salinité, à une température de 250 à 350°C, fluides d'origine superficielle et non pas fluides magmatiques résiduels. Ce sont ces fluides qui ont probablement lessivé l'uranium, à partir d'oxydes d'uranium dispersés dans le leucogranite. L'uranium lessivé a quitté le granite, a migré dans l'encaissant (de façon diffuse et surtout en empruntant des fractures devenues filons) et a précipité en arrivant au contact de l'environnement réducteur que représentent les schistes noirs. Les minéralisations d'uranium ont été daté de 296,6±2,6 Ma, environ 15 Ma après la mise en place du granite. »

Cadre géologique du leucogranite de Guérande (cadre rouge) au Sud du Massif Armoricain et localisation du gisement de Pen Ar Ran (disque rouge)

Figure 42. Cadre géologique du leucogranite de Guérande (cadre rouge) au Sud du Massif Armoricain et localisation du gisement de Pen Ar Ran (disque rouge).

Les leucogranites Sud-armoricains sont figurés en rose-violet. L'association leucogranite / gisements (exploités ou non) d'uranium (cercles gris) est évidente.


L'encaissant du granite de Guérande, à 200 m au Nord-Ouest de la bordure Nord de ce granite, Piriac-sur-Mer, Loire-Atlantique

Figure 43. L'encaissant du granite de Guérande, à 200 m au Nord-Ouest de la bordure Nord de ce granite, Piriac-sur-Mer, Loire-Atlantique.

Ici, cet encaissant est majoritairement constitué de métarhyolites (en clair sur l’image) et de métapélites riches en matière organique devenue graphite (en noir sur l’image). C’est là où les fluides venant du granite (circulation diffuse ou le long de fractures devenues filons) rencontraient ces niveaux très réducteurs que précipitait l’uranium.


Le paléo-réacteur nucléaire naturel d'Oklo (Gabon)

Le phénomène découvert au Gabon à Oklo en 1972 est (pour l'instant) unique au monde : le Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) a alors mis en évidence que des réactions en chaine – ce qui se passe dans les réacteurs nucléaires – avaient eu lieu naturellement, dans un gisement d'uranium, il y 2 milliards d'années et ce pendant des centaines de milliers d'années (entre 100 000 a et 1 Ma d'après les estimations).

Gisement et origine de la minéralisation

Le gisement d'Oklo, au Gabon, est compris dans la formation de base du Francevillien, subdivisé en cinq unités, de FA à la base à FE au sommet. À la base de la formation FA, un conglomérat radioactif de 100 à 1000 m d'épaisseur, de couleur rouge, repose directement sur le socle archéen. Ce conglomérat rouge est recouvert de grès et de conglomérats typiques de dépôts fluviaux et d'environnement deltaïque. Au-dessus, FB repose en discordance et consiste en une formation de shale noir, une roche sédimentaire riche en matière organique (d'où sa couleur), généralement composée de minéraux argileux, de silt, de quartz et de matière organique. Les dépôts sédimentaires de FB ont eu lieu lors d'un épisode tectonique d'extension avec graben – la formation FB atteint 1000 m d'épaisseur au milieu du bassin. Les formations FC à FE sont formées de lithologies diverses (shale, dolomite, et roches volcaniques plus présentes à mesure que l'on remonte dans la formation). La série FA-FE est recouverte par les sédiments continentaux du Mésozoïque du bassin du Congo. Comme on pourra le voir dans la suite, la disposition de la base de la série est un facteur clé dans la formation du gisement d'uranium.

Le gisement d'uranium se trouve dans la partie supérieure de la formation FA, donc au contact avec les shales noirs de FB. La concentration en uranium (tous isotopes confondus) varie en général autour de 0,1 à 1 %, avec localement des poches d'uraninite à haute teneur (1 à 10 %). Dans les zones où les réactions en chaine ont eu lieu, la concentration peut atteindre 80 % dans des enveloppes argileuses localisées. On peut noter que ces séries sédimentaires du Francevillien sont célèbres dans le monde de la géologie pour une deuxième raison : c'est là qu'on a découvert les candidats au titre de « plus vieux fossiles de métazoaires », cf. De Burgess à Franceville (Gabon) : les plus anciennes traces fossiles de pluricellulaires.

Alors que l'unicité et la particularité du gisement d'Oklo attiraient l'attention de nombreux scientifiques, et après quelques débats sur la datation de la minéralisation et des réactions en chaine, un consensus est trouvé dans les années 1990 sur l'âge de la minéralisation : la minéralisation daterait d'environ 2050 Ma alors que les réactions en chaine dateraient de 1980 Ma. Aux marges d'incertitudes près, la minéralisation semble quasi contemporaine de la période durant laquelle les réactions en chaine ont eu lieu.

Dans ce gisement, la minéralisation du gisement résulterait des processus suivants : pendant la période d'enfouissement maximal du bassin, l'huile a migré des shales noir (FB) vers la partie supérieure de FA, le grès et les conglomérats deltaïques. Simultanément, des fluides riches en oxygène migraient dans la partie inférieure de FA, causant la précipitation d'hématite (et donnant sa couleur rouge au conglomérat) et mobilisant l'uranium originellement présent dans ce conglomérat radioactif.

Un épisode tectonique souleva le bassin d'environ 1000 m (au vu des températures d'enfouissement observées). Le grès, au plafond de la formation FA est fracturé, des fluides circulent et sont piégés par la formation de shale, imperméable, de FB. Dans ces fractures, les fluides riches en oxygène et en uranium entrèrent en contact avec des fluides réducteurs riches en matière organique, causant un front redox et la précipitation de l'uraninite, formant le gisement. La forte disparité des teneurs en uranium dans le gisement a été interprétée par le fait que l'uranium présent à la fin de ce premier épisode de précipitation a été en partie remobilisé pour être précipité dans les environs. Mais cette hypothèse est aujourd'hui abandonnée et l'explication admise est que les teneurs fortes en uranium correspondent aux zones de fractures lors de l'épisode tectonique décrit ci-dessus.

Le réacteur nucléaire naturel

Nous l'avons vu en introduction, la composition isotopique de l'uranium est similaire partout sur Terre (99,2743 % 238U ; 0,7202 % 235U ; 0,0055 % 234U). Cette composition isotopique dépend (1) de la composition isotopique initiale de la nébuleuse présolaire et (2) de la différence des périodes de désintégration radioactive des isotopes de l'uranium. Oklo fait exception. Alors que des échantillons du gisement sont étudiés au laboratoire du CEA à Pierrelatte, les analyses montrent que la proportion usuelle d'235U tombe à 0,7171 % et atteint sur certains échantillons 0,29 %. Cette analyse de routine déboucha sur une analyse systématique du gisement qui démontra un déficit généralisé en 235U. Une différence de taille qui devait être expliquée ! En tout cas, ce déficit en 235U est exactement ce que l'on obtient dans un combustible de centrale nucléaire usagé…

Il y a deux milliards d'années, la concentration naturelle en 235U était plus forte (3,65 %), car la période de demie vie de l'235U est 6,35 fois plus courte que celle de l'238U. Une telle concentration permet d'atteindre la criticité et donc une réaction en chaine d'avoir lieu – ce qui serait impossible aujourd'hui avec seulement 0,7202 %.

En plus de la forte concentration d'uranium couplée à la forte concentration en 235U, le gisement d'Oklo réunissait deux autres conditions nécessaires à la mise en place d'un réacteur naturel. Tout d'abord la présence d'eau agissant comme un modérateur de la réaction en ralentissant les neutrons (si les neutrons sont trop rapides, leur probabilité d'être absorbé par les atomes d'uranium est trop faible). Ensuite, la relative absence de métaux absorbeurs de neutrons, notamment le chlore.

Ces conditions réunies, le réacteur démarre par une réaction de fission de l'235U libérant des neutrons qui vont à leur tour et parce que l'eau environnante leur permet de rester lent, engendrer la fission d'autres atomes d'235U. Au fur et à mesure que la réaction en chaine s'intensifie, la température de l'eau augmente, jusqu'à évaporation. L'eau ne joue alors plus son rôle de modératrice de la réaction, les neutrons ne sont plus ralentis et la réaction en chaine perd en intensité, faisant baisser la température de l'eau, permettant la reprise de la réaction, etc.

La probabilité que ces cycles – que l'on estime d'une durée de quelques heures seulement – perdurent sur des durées significatives à l'échelle de temps géologique est faible. Comme évoqué en introduction de ce paragraphe, il est probable que les réactions en chaine dans le réacteur naturel d'Oklo aient eu lieu pendant 100 000 a à 1 Ma seulement, il y a environ 1980 Ma.

Il a été estimé qu'environ 500 tonnes d'uranium ont été affectées par ces réactions en chaines, dégageant une énergie de 100 milliards de kWh (soit 100 TWh, ou encore 20 % de la production française d'électricité en 2020… mais en 100 000 a à 1 Ma).

Au-delà du réacteur

Ce phénomène unique au monde ne pourrait plus avoir lieu aujourd'hui. Le couplage des quatre conditions (haute teneur en uranium, haute teneur relative en 235U, présence d'eau et absence d'absorbeur de neutron), déjà peu probable au début du Protérozoïque est impossible aujourd'hui à cause de la faible teneur en 235U… sauf, bien sûr, dans les réacteurs des centrales nucléaires !

L'étude du gisement d'Oklo a présenté un intérêt pour une application industrielle directe liée à l'industrie nucléaire : la gestion des déchets radioactifs. Le site d'Oklo a servi d'illustration de la capacité des formations géologiques pour la rétention des matières radioactives, et fut donc l'objet d'étude quant au stockage en profondeur des déchets radioactifs. Oklo a permis de valider la stabilité à long terme des oxydes d'uranium dans un environnement réducteur (et la faible migration – dans certains cas – des produits de fission) et l'intérêt des barrières artificielles aux limites d'un site de stockage de déchets nucléaires (plus grandes quantité et concentration en éléments radioactifs).

Concentration des minerais et fabrication du combustible nucléaire

Nous l'avons vu, les gisements présentent des teneurs en uranium très variables. Mais aucune de ces roches ne peut être encore utilisée telle quelle comme combustible ou toute autre application industrielle. L'uranium, dans toutes ses applications, s'utilisent dans une forme concentrée. Nous détaillons ici la chaine de transformation d'un minerai en combustible nucléaire, de loin la principale utilisation de l'uranium dans le monde.

L'objectif est de conduire la chaine de réaction suivante, afin d'obtenir du dioxyde d'uranium : UO42− → UO22+ → UO3 → UO2 → UF4 → UF6 → UO2.

Concentration des minerais par hydrométallurgie

Les teneurs des minerais exploités varient significativement d'un gisement à l'autre. Les minerais extraits des gisements canadiens nécessitent un traitement particulier étant donné leurs teneurs déjà très élevées. Il s'agit non pas de tenter d'augmenter la concentration en uranium du minerai mais de ne pas diluer l'uranium pour ne pas perdre l'avantage qu'offre ces roches très riches en U ! L'usine de McLean Lake, unique au monde, permet de conduire le processus de la lixiviation dynamique sur les minerais riches.

Pour les gisements à basse teneur, les minerais sont concentrés à 70 % d'uranium dans des installations proches des sites miniers.

La concentration des minerais est effectuée par voie chimique, soit par lixiviation acide, soit par lixiviation en tas.

Lixiviation acide pour les minerais riches

Le minerai riche en U est attaqué par une solution d'acide sulfurique et de chlorure de sodium dans des cuves, à 60°C pendant 3 heures.

Lixiviation en tas

Ce traitement est appliqué uniquement aux minerais dont la teneur est faible ou aux résidus de la lixiviation des minerais riches. Le minerai – de teneur 0,01 à 0,1 % d'uranium – est concassé – augmentation de la surface de contact pour la lixiviation – et placé en tas sur un terrain en légère pente. L'installation se fait sur un sol imperméabilisé. Les tas ainsi formés sont arrosés avec une solution très diluée d'acide sulfurique. L'acide traversant le minerai “emporte” avec lui l'uranium (mais aussi d'autres ions métalliques) et la solution se concentre en U au cours du traitement et de ses passages répétés dans les tas de minerai. L'arrosage acide dure plusieurs mois.

Le rendement d'une telle lixiviation se situe entre 50 % et 85 %.

Les complexes d'uranium sont ensuite séparés des autres ions et extraits des solutions obtenues par fixation sur des résines échangeuses d'ions ou à l'aide d'une extraction par solvant. L'extraction donne des solutions d'ions uranyle UO22+.

En milieu basique, l'uranium précipite sous forme d'uranate (Na,Mg,NH4)UO4. Cette substance, jaune, et concentrée à 70 % d'uranium est appelée yellowcake.

Purification et conversion (obtention de l'UF6)

L'objectif de la purification et de la conversion est d'obtenir un composé gazeux (UF6) qui permette la séparation isotopique. En effet, jusqu'à cette étape comprise, les concentrations d'uranium sont données en U, c'est-à-dire en incluant tous les isotopes de l'uranium.

La purification permet d'abord de se débarrasser d'impuretés, d'ions corrosifs (comme les ions F, Cl) ou d'ions indésirables lors de l'étape suivante de conversion (CO32−, SO42−, PO43−).

Deux méthodes de purification existent : soit par extraction de solvants avant fluoration et obtention d'UF6, soit par distillation d'UF6 (et donc après fluoration).

Purification par extraction de solvants suivie de la conversion en UF6

Le yellowcake est mis en solution dans l'acide nitrique. Les ions UO22+ réagissent avec le solvant TBP (phosphate de tributyle) pour former un complexe qui, une fois récupéré, permet l'extraction des seuls ions UO22+ et la régénération du solvant, recyclé pour ré-entrer dans le process. On enrichit donc la solution sortante en UO22+.

L'uranium ainsi purifié est dit « de pureté nucléaire », ou « de qualité nucléaire » (> 99,95 % de nitrate d'uranyle UO2(NO3)2).

La conversion proprement dite consiste à mettre la solution d'ions UO22+ en contact avec NH3 pour précipiter du diuranate (NH4)2U2O7, qui lui est calciné à 400°C, pour obtenir UO3. UO3 est ensuite réduit en présence de dihydrogène (H2) pour obtenir UO2, qui ensuite réagit avec HF pour former UF4.

En France, ces deux étapes sont effectuées dans l'usine Comurhex de Malvési (près de Narbonne, Aude), filiale d'Orano (ex-Areva). L'étape suivante est, elle, effectuée à 235 km de là, à l'usine Comurhex de Pierrelatte (Drôme).

Pour l'industrie nucléaire, UF4 est oxydé par F2 en UF6 (F2 est un composé difficilement stockable, non transportable, obtenu par électrolyse de l'hydrogénodifluorure de potassium, KHF2).

Le rendement de cette étape est supérieur à 99,5 %. Cela joue évidemment sur la rentabilité économique du processus de conversion, mais 99,5 % est aussi le rendement minimal que les autorités internationales imposent aux industriels pour cette étape de conversion. En effet, pour éviter toute perte en ligne d'uranium à un moment où celui-ci est déjà “bien concentré”, mieux vaut avoir un œil sur le rendement des étapes de transformation pour réduire au maximum la disparition dans la nature d'une quantité d'uranium significative, et dans le même temps réduire le risque de prolifération nucléaire.

Purification par distillation d'UF6

Aux États-Unis, la purification est effectuée après obtention de l'UF6. Comme dans le cas précédent, le yellowcake subit les mêmes transformations, à l'exception de la première étape de purification avec le TBP pour obtenir de l'UF6.

L'UF6 non purifié est distillé en deux étapes. La solution est vaporisée et transférée d'un système chaud à des pièges froids, puis enfermé dans des cylindres pour son transport. Honeywell est propriétaire de ces processus.

Enrichissement

L'enrichissement [B8] consiste à exploiter la différence de masse des différents isotopes de l'uranium – rappelons-le, pour l'instant, nous parlons toujours d'uranium non enrichi, c'est-à-dire d'uranium rassemblant tous les isotopes dans leurs proportions naturelles, et pas d'uranium enrichi en U235. La différence de masse étant très faible, l'238U a une masse qui n'est que moins de 1,277 % plus importante que l'235U, la séparation nécessite des processus répétés maintes fois.

Diffusion en phase gazeuse

L'uranium naturel non enrichi, sous sa forme gazeuse d'UF6, passe à travers des membranes poreuses qui permettent la séparation isotopique : l'238UF6 “lourd” traversant moins la membrane que l'235UF6 “léger”. Un nombre de cycle et de membranes adéquat permet l'enrichissement progressif de l'échantillon en U235.

Cette étape est effectuée à l'usine George-Besse du site nucléaire de Tricastin, à 10 km de l'usine de Pierrelatte (Drôme). Une consommation d'énergie importante est caractéristique de cette étape : 12,5 MWh sont nécessaires pour l'enrichissement de 9 kg d'uranium naturels en 1 kg d'uranium enrichi à 3,7 % (qui contient 40 g d'U235).

Sur les 9 kg d'uranium naturels entrant dans le process, 1 kg est enrichi. Les 8 kg restants sont dits, par opposition, « appauvris ». Une centaine de tonnes par an est utilisée dans la fabrication de MOx [Mélange d'OXydes) (qui permet d'utiliser une partie du plutonium produit par la désintégration de l'uranium dans les centrales nucléaires). Le reste est stocké dans des « cubes verts » (conteneurs métalliques scellés) à Bessines-sur-Gartempes ou sur le site de Tricastin.

Ultracentrifugation

De plus en plus, et depuis 2011 à l'usine George-Besse II du Tricastin, la méthode d'ultracentrifugation est préférée.

La vitesse de rotation fait migrer l'238UF6, plus “lourd”, plus vite vers la périphérie que l'235UF6. Des centrifugations successives permettent d'atteindre l'enrichissement désiré.

On entend régulièrement parler d'ultracentrifugation à propos du risque de prolifération de l'arme nucléaire par l'Iran. En effet, des installations d'ultracentrifugation, utiles pour un enrichissement à usage civil, sont soupçonnées d'être utilisées à des fins militaires (en tout cas pour dépasser, dans un premier temps, un enrichissement purement “civil”).

Fabrication du combustible nucléaire

L'hexafluorure d'uranium enrichi est converti en oxyde d'uranium (UO2) par voie sèche. Dans une étuve et en contact avec de la vapeur d'eau à 250-300°C, l'UF6 est hydrolysé en UO2F2 ensuite réduit en présence de dihydrogène à 700-800°C, produisant l'UO2 sous forme de poudre.

La poudre d'UO2 est compactée avec du stéarate de zinc pour obtenir des pastilles (8 mm de diamètre, 13,5 mm de haut) qui sont cuites dans un four à 1 700 °C, sous atmosphère réductrice. On obtient des pastilles de combustible.

L'empilement de 360 pastilles forment un crayon d'environ 4 m de long dont la gaine est en alliage de zirconium qui non seulement résiste à des hautes températures et à un environnement très corrosif mais surtout n'absorbe pas les neutrons !

Ensuite, 250 crayons parallèles (90 000 pastilles) sont assemblés en réseaux et maintenus entre eux par des grilles horizontales tandis qu'un cintre en haut de l'assemblage permet sa manutention et son accrochage dans le cœur du réacteur nucléaire.

En France, les pastilles, les crayons et les assemblages sont produits sur le site nucléaire de Romans (Drôme).

Spécificités du marché de l'uranium

Un marché pas si réglementé

L'uranium n'est pas échangé via une grande bourse internationale des métaux (comme la London Metal Exchange par exemple). Il est le plus souvent échangé de gré à gré, directement entre un producteur et un acheteur. Récemment cependant la bourse de New York (le New York Mercantile Exchange) a lancé des contrats long terme sur l'uranium.

L'AIEA formule des recommandations en matière de sureté pour éviter tout risque de prolifération. Elle dispose d'un corps d'ingénieur et d'inspecteurs qui contrôlent régulièrement les sites sensibles.

Un marché sens dessus dessous !

Malgré le fait que le marché de l'uranium soit peu réglementé, il a une structure assez traditionnelle.

  • Le marché de l'uranium est fragmenté : un certain nombre de fournisseurs sont présents de par le monde et propose du minerai d'uranium, même si 16 pays produisent 95 % de l'uranium dans le monde (à contratrio, pour le cobalt, par exemple, plus de 60 % de la production vient d'un seul pays, la République démocratique du Congo).
  • La demande est elle aussi fragmentée : un certain nombre de pays produisent de l'électricité nucléaire et ont donc besoin d'uranium. Il y a environ 450 centrales nucléaires en fonctionnement aujourd'hui dans 30 pays, et 55 autres sont en cours de construction.
  • L'équilibre entre offre et demande est légèrement en faveur de l'offre.

S'ajoute à cela le fait que la demande court et moyen terme peut être anticipée de façon quasi-certaine (mais personne n'est à l'abri d'un Fukushima) étant donné que les cycles d'investissement dans les centrales sont longs – leur construction nécessite un capital financier important. Les projets sont connus et bien établis, rendant “facile“ l'anticipation de la demande en uranium à des fins de production d'électricité à court et moyen termes.

Un certain nombre de mines sont en état de fonctionnement mais arrêtées à cause du prix faible de l'uranium. Les opérateurs de ces mines ont la possibilité de les redémarrer rapidement, une agilité fortement appréciée dans un marché de matière première traditionnellement inerte.

Le marché de l'uranium est donc “facile à lire”, en légère surcapacité, fragmenté (la demande et l'offre), et flexible. Aucune raison de douter sur une capacité des opérateurs miniers à livrer les volumes requis dans les années à venir… et pourtant ! On observe depuis la crise de 2008 des prix long terme (prix pour une livraison à une date fixée dans le futur, pour l'uranium de 2 ans à 10 ans après signature du contrat, en général entre 2 et 5 ans) plus élevés que le prix spot (le prix pour une livraison immédiate). C'est une spécificité remarquable de l'uranium, et elle est importante – 85 % de l'uranium est vendu sous contrat long terme.

En effet, les opérateurs de centrales nucléaires ont investi de grandes sommes d'argent pour construire et faire tourner leurs centrales. Ils ne peuvent pas risquer de ne pas avoir l'uranium requis pour faire fonctionner leurs centrales. Ainsi, ils sont prêts à payer l'uranium plus cher que le prix de marché spot pour s'assurer sa livraison dans le futur.

Prix spot et prix à terme de l'uranium, 2000-2020

Figure 46. Prix spot et prix à terme de l'uranium, 2000-2020.

Il existe deux types de marché selon que la livraison est “immédiate” (prix spot, marché au comptant) ou différée de 2 à 10 ans (prix à terme, marché à terme).


Vient s'ajouter à cela le fait que le combustible ne représente qu'une partie infime (moins de 5 %) des couts opératoires d'une centrale nucléaire. Et dans le combustible, l'uranium ne représente qu'un tiers du coût total du combustible ! Ainsi, un opérateur de centrales peut s'offrir le luxe de favoriser l'approvisionnement en uranium quitte à payer plus cher (ce qui ne bouleversera pas totalement ses couts opératoires étant donné la faible importance de l'uranium dans ses coûts (un tiers de 5 % soit environ 1,7 %).

Quid du marché à long terme ?

À long terme, des questions de disponibilité peuvent-elles se poser comme elles se posent pour le charbon, le pétrole ou le gaz ?

Le BP Statistical Review évalue le rapport R/P (réserves sur production, soit le « temps qu'il nous reste ») à environ 132 ans pour le charbon (beaucoup trop si l'on considère son impact sur le climat), environ 50 ans pour le gaz et le pétrole. Attention ! Ce ratio n'est pas à prendre au pied de la lettre… et pour preuve, il est réévalué tous les ans. Le rapport R/P est d'environ 50 ans pour le gaz et le pétrole depuis… plusieurs année ! Les années passent, le rapport R/P reste ! Mais il a le mérite de donner un idée.

Pour l'uranium, un rapide calcul sur les « ressources raisonnables » proposées par l'AIEA et la NEA, comparées à la consommation annuelle d'uranium donne un ratio R/P de 175 ans. On a donc de quoi voir venir… à condition, entre autres, que la consommation n'explose pas. La faible empreinte carbone de l'électricité nucléaire a de grands mérites en période de transition vers une société bas carbone. Certains vont même jusqu'à la présenter comme un amortisseur de la décroissance. Si le monde entier se rue vers cette solution, la donne pourrait alors changer (si on augmente la part de nucléaire dans la production d'électricité et/ou si on remplace certaines sources fossiles par de l'électricité – voir l'essor des voitures électriques).

Utilisations de l'uranium

La génération d'électricité

La production d'électricité est la plus importante utilisation de l'uranium, et de très loin. Chaque année, environ 50 000 à 60 000 tonnes d'uranium sont utilisées dans les centrales nucléaires, alors que seules quelques tonnes sont utilisées dans les autres applications.

Usages militaires

Il n'échappe à personne que l'uranium rentre dans la composition des bombes nucléaires. Cela dit, ce n'est pas avec de l'uranium de qualité nucléaire civile que l'on fabrique des bombes atomiques ! Nous l'avons vu, l'uranium naturel est enrichi à 3,7 % d'U235 pour le nucléaire civil (et c'est déjà bien assez). L'uranium militaire est quant à lui enrichi à plus de 90 % d'U235. Des processus spéciaux dans des usines spécifiques sont nécessaires pour aboutir à une telle concentration.

Cela dit, de l'uranium enrichi “civil” ou des déchets radioactifs peuvent entrer dans la fabrication d'une bombe sale : il s'agit là tout simplement d'associer un explosif classique à des échantillons de matières radioactives. Pas d'explosion atomique, mais une dispersion de matière radioactive qui pourrait nécessiter l'isolement de la zone contaminée par l'explosion pendant une durée très longue.

L'uranium est aussi utilisé dans une autre application militaire : les projectiles perforants. Sa masse volumique très élevée (19 g.cm-3) permet d'atteindre une énergie cinétique très élevée, et une onde de choc associée importante. Les obus et balles contenant de l'uranium (généralement, de l'uranium appauvri en 235U, “résidu” ou “sous-produit” de l'enrichissement en 235U) permettent de perforer certains blindages, y compris ceux de chars et de missiles. Une partie de l'énergie cinétique est transformée en chaleur qui fond partiellement l'uranium. Si cet uranium fondu (T > 1132°C) pénètre à l'intérieur d'un char, il y met le feu. Perforer les blindages et mettre le feu à l'intérieur des chars (des autres), le rêve pour tout militaire !

Utilisations civiles mineures

Elles sont certes anecdotiques mais méritent d'être mentionnées ici.

  • L'uranium appauvri a été utilisé comme contrepoids de gouverne dans les Boeing et dans les quilles de bateaux (c'était le cas du célébrissime Pen Duik VI de Tabarly), mais plus maintenant.
  • L'utilisation d'uranium comme colorant orange n'est plus autorisée.
  • En géologie, l'uranium est utilisé dans les méthodes de datation radiochronologique. L'analyse de l'uranium naturel de roches et minéraux nécessite parfois l'usage de solutions artificielles aux rapports isotopiques “exotiques”, les “spikes”.

L'affaire UraMin

L'idée ici n'est pas de revenir en détails sur ce fiasco mais de présenter les grandes lignes de l'affaire (qui, en février 2021, est toujours en cours de jugement).

Avant le début. UraMin est une junior minière créée en 2005 par Stephen Dattels (un habitué des histoires louches et qui tournent mal en matière de géologie minière) et James Mellon.

Qu'est-ce qu'une junior ? Dans l'industrie minière, les grands groupes n'ont pas forcément la flexibilité des petites structures lorsqu'il s'agit d'exploration. Des petites entreprises indépendantes, généralement composée d'une dizaine de membres dont des géologues, se créent. Elles ont cette flexibilité et peuvent chercher des gisements, en levant des fonds auprès de bourses spécialisées (notamment la bourse de Toronto). Tout un chacun peut investir dans ces entreprises, à condition, bien sûr, de croire dans les compétences de ses membres ! Lorsqu'un gisement est trouvé par une de ces juniors, les grands groupes miniers peuvent racheter l'entreprise. C'est alors un beau retour sur investissement pour les actionnaires ayant cru dans l'aventure. Lorsqu'une junior découvre un ou des gisements de classe mondiale, alors là, c'est le jackpot – et le groupe minier acheteur doit mettre la main au portefeuille.

UraMin est l'une de ces juniors, créée pour chercher de l'uranium. Quelques mois après sa création, en mai 2005, UraMin achète les droits d'exploration sur Trekkopje, une zone en Namibie, pour 4,4 millions de dollars. En octobre de la même année, UraMin acquiert les droits sur une zone en Afrique du Sud, Ryst Kuil.

En 2006, UraMin entre en bourse à Londres, et acquiert les droits d'exploration sur trois zones en Centrafrique.

Le premier début. En 2006, UraMin propose à Anne Lauvergeon, alors présidente du directoire d'Areva d'être rachetée pour 471 millions de dollars. Offre qui n'eut pas de suite. Fin 2006, UraMin entre en bourse à Toronto.

Le deuxième – et vrai – début. Début 2007, UraMin a 5 propriétés :

  • la zone de Trekkopje, principal “gisement” d'UraMin, en Namibie ;
  • la zone de Bakouma en Centrafrique ;
  • la zone de Ryst Kuil en Afrique du Sud ;
  • la zone de Saraya au Sénégal ;
  • la zone de Kamas au Niger.

Toutes ces zones avaient auparavant été explorées, mais il avait été décidé d'abandonner chaque projet pour cause de trop faible rentabilité.

En mars 2007, Areva achète 5,5 % UraMin, le cours explose. Puis Arevb achète la totalité de la junior dans la foulée, pour 2,5 milliards de dollars. Le prix payé par Areva est 10 fois supérieur au prix de l'entreprise 6 mois plus tôt. Le monde se dit : « UraMin est une poule aux œufs d'or ! »

Le milieu. À part quelques difficultés avec l'état centrafricain qui finira par obtenir 40 millions de dollars de la part d'Areva pour la zone de Bakouma en 2008, une enquête de la direction centrale du renseignement intérieur dès 2009, et un directeur de la sûreté chez Areva qui diligente une enquête interne en 2010, tout va bien.

Un audit d'état est finalement lancé en 2010. René Ricol a pour mission d'éclaircir les comptes d'Areva. Une première provision de 426 millions d'euros est inscrite sur les comptes d'UraMin.

Le début de la fin. En 2011, quatre ans après le rachat, pas un gramme d'uranium n'est sorti des mines, ce qui n'est pas anormal lorsqu'on connait les durées de développement de gros projets miniers.

Malgré cela, la pression monte sur le groupe nucléaire français. Il annonce le gel de ses projets en Afrique, après avoir, quand même, investi un milliard d'euros dans une usine de dessalement d'eau de mer en Namibie qui aurait dû servir à l'exploitation du gisement de Trekkopje.

La fin. Après étude approfondie, il apparait que les gisements d'UraMin ne contiennent pas beaucoup d'uranium, et ne valent donc pas grand-chose.

Des informations judiciaires sont ouvertes contre plusieurs protagonistes pour “délit d'initié”, “blanchiment d'argent”, “présentation et publication de comptes inexacts et diffusion de fausses informations”.

Areva (et donc indirectement le contribuable français) aura déboursé plusieurs milliards d'euros pour des zones à explorer qui ne contiennent que très peu d'uranium.

Un mot sur le pourquoi du comment. Il est intéressant de se poser la question de savoir pourquoi un groupe comme Areva a plongé tête baissée dans le rachat faramineux d'une junior, à ce moment-là.

Il faut comprendre le modèle vanté à l'époque par la présidente Anne Lauvergeon. Après avoir, avec succès, intégré quasiment toutes les activités amont de la filière nucléaire dans un groupe unique, Areva, il a été décidé de vendre les centrales nucléaires comme des cafetières Nespresso© : non seulement le groupe vend la centrale et sa construction, mais il vend aussi le combustible, sur la durée de vie de la centrale. Pour pouvoir vendre une centrale dans ce modèle d'affaire, il faut pouvoir prouver au client que le groupe détient dans ses réserves assez d'uranium pour fournir la centrale vendue, pendant 40 à 60 ans ! Pour vendre les centrales, il fallait donc… des réserves d'uranium ! Quitte à prendre tous les risques pour signer des contrats de rachat qui finiront par ne plus rien valoir (ou pas grand-chose) et ce, sur le dos du contribuable… qui finira par recapitaliser Areva quelques années plus tard.

Bibliographie

A/ Pages web de type “encyclopédique“

Uranium sur L'élémentarium

L'uranium sur GéoWiki

Uranium / Compteur Geiger / UraMin sur fr.wikipedia.org

B/ Sites d'information (presse, associations) et ouvrages d'enquête

An Introduction To Uranium Deposits, 23/08/2013, Geology for Investors

L'uranium, une ressource naturelle, 25/11/2020, Sfen (Société française de l'énergie nucléaire)

Peut-on fabriquer une bombe avec l'uranium utilisé en centrale nucléaire ?, 07/10/2020, Sfen (Société française de l'énergie nucléaire)

Geology of Uranium Deposits / Uranium Markets, 2020, World Nuclear Association

Récupérer l'uranium sans creuser : la lixiviation in situ, 19/09/2014, I'MTech (Institut Mines-Télécom)

Enrichissement de l'uranium, 08/07/2019, Connaissance des Énergies

S. Compère, 2017. La grande aventure de l'uranium en Limousin, Le Populaire du Centre

M. Eichinger, 2020. L'homme qui en savait beaucoup trop, Massot Éditions, 300p. [« Un agent secret au cœur du scandale d'Areva »]

C/ Sites institutionnels

Olympic Dam, Government of South Australia, Department for Energy and Mining

E/ Rapports, ouvrages collaboratifs

Unconformity-Related Uranium Deposits, 2018, IAEA TecDoc Series, IAEA-TECDOC-1857, 310p.

F/ Articles, présentations, rapports de recherche

C. Ballouard, M. Poujol, P. Boulvais, J. Mercadier, R. Tartèse, T. Venneman, E. Deloule, M. Jolivet, I. Kéré, M. Cathelineau, M. Cuney, 2017. Magmatic and hydrothermal behavior of uranium in syntectonic leucogranites: The uranium mineralization associated with the Hercynian Guérande granite (Armorican Massif, France), Ore Geology Reviews, 80, 309-331 [pdf]

C.D. Card, 2001. Basement rocks to the western Athabasca basin in Saskatchewan, Summary of investigations, Volume 2, Saskatchewan Geological Survey, Saskatchewan Energy Mines, Misc. Rep. 2001-4-2

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[1] À Tchernobyl et Fukushima, il n'y a pas eu emballement au sens de la bombe A, mais l'arrêt du refroidissement et/ou le non déclenchement des dispositifs absorbant les neutrons ont fait que la réaction, hors de contrôle, a été plus intense que “prévue”, que la chaleur dégagée a fait fondre le cœur du réacteur. La radioactivité a entrainé la radiolyse de l'eau avec dégagement d'H2 et d'O2. La haute température a aussi entrainé la dégradation des gaines et le dégagement d'H2. C'est cet H2 qui a explosé. Ainsi quand on parle d'explosion de ces centrales, il s'agit d'explosions chimiques (qui ont pulvérisé à l'extérieur des tonnes de produits radioactifs) et pas (heureusement) d'explosions nucléaires qui auraient été encore plus graves (plus forte énergie et plus grande quantité d'éléments radioactifs libérée).

[2] Par capture neutronique, 238U donne 239U qui, par deux désintégrations β successives, donne du neptunium 239 – 239Np, puis du plutonium 239 – 239Pu.

[3] L'activité est le nombre de désintégrations radioactives par unité de temps. Un béquerel (Bq) correspond à une désintégration par seconde (le Bq est donc homogène à l'inverse de la seconde).

[4] La lixiviation est l'extraction, la récupération d'un élément soluble par un solvant.