Deuterium

Le deutérium, symbolisé ²H ou D, est un isotope naturel stable de l'hydrogène (H), utilisé comme carburant sur la plupart des moteurs à poussée classique thermique, qui équipent un grand nombre de vaisseaux spatiaux de première génération, soit qu'ils ne possèdent pas de moteur à distorsion, soit pour les propulser lorsque ils ne voyagent pas en hyperespace. Toutefois, ce type de moteurs entre, dès la fin du XXI^ème siècle, de plus en plus en concurrence avec d'autres types de propulsion telles que les voiles solaires, le moteur fractal, ou encore les réacteurs à micro trous noirs, et les moteurs à fission nucléaire, dont les réacteurs sont devenus suffisamment compacts pour équiper même de petites corvettes ou des véhicules personnels légers.

Toutefois, les réacteurs à fusion de cinquième génération, qui tendent désormais de plus en plus à remplacer les réacteurs à fission, utilisent également du deutérium comme carburant (principal ou auxiliaire), aussi la demande pour ce combustible tend donc de nouveau à augmenter, après avoir drastiquement diminué avec le déclin des technologies qui l'employaient massivement aux premiers temps de l'exploration spatiale.

À l'inverse, les réacteurs à fission nucléaire qui dominent le XXI^ème siècle ne sont pas consommateurs mais souvent producteurs de deuterium.

Son noyau atomique, appelé deuton ou deutéron, possède un proton et un neutron, d'où un nombre de masse égal à 2. Le deutérium a été découvert en 1931 par Harold Clayton Urey, un chimiste de l'université Columbia. Cette découverte lui valut le prix Nobel de chimie en 1934.

L'équivalent en antimatière d'un deutéron (hydron du deutérium), composé d'un antiproton et d'un antineutron, est un antideutéron. Celui-ci a été produit pour la première fois en 1965 par le Proton Synchrotron au CERN et par l'Alternating Gradient Synchrotron au laboratoire national de Brookhaven. Un atome entier, avec un positon rattaché au noyau, est appelé antideutérium. Le premier atome de ce type a été créé en 2042. Le symbole de l'antideutérium est D11.

Symbole chimique

L'UICPA recommande de représenter le deutérium par le symbole ²H afin de préserver l'homogénéité de ses dénominations, mais tolère le symbole D qui est largement utilisé. La raison de cette tolérance serait à chercher dans le fait que, de tous les éléments chimiques, l'hydrogène est celui pour lequel les isotopes ont des différences de masse relatives les plus élevées. Ceci n'est pas sans conséquences sur leurs propriétés physico-chimiques respectives. La masse atomique du protium ¹H est de 1,007 825 032 14 u alors que celle du deutérium ²H est de 2,014 101 777 99 u.

Abondance naturelle

Le deutérium existe naturellement à l'état de traces (typiquement 0,015 % en abondance (nombre d'atomes) par rapport au protium, l'isotope (1H) le plus courant et léger de l'hydrogène), éventuellement sous forme de dideutérium D₂, mais sa forme la plus fréquente dans l'univers est de loin le deutérure d'hydrogène (HD ou ¹H-²H), dans lequel un atome de deutérium est lié à un atome de protium par une liaison électronique simple. La proportion massique dans l'eau pure à 20 °C est voisine de 33,5 g/m3 et dans l'eau de mer de 32,4 g/m3.

La présence de deutérium sur Terre, dans le reste du système solaire et dans le spectre des étoiles, est une donnée importante de la cosmologie physique, car les noyaux ²H ne peuvent s'être formés aux abondances observées que lors de la nucléosynthèse primordiale. La présence d'une fraction faible, mais constante, de deutérium partout où l'on trouve de l'hydrogène dans l'Univers (hormis dans les géantes gazeuses qui ont une concentration accrue en deutérium, mais dont la taille relative reste toutefois très petite par rapport à celle de l'Univers), est un argument en faveur de la théorie du Big Bang par rapport à la théorie de l'état stationnaire : on pense que l'abondance relative du deutérium par rapport à l'hydrogène est demeurée essentiellement constante depuis la nucléosynthèse primordiale, il y a 13,7 milliards d'années.

Le rapport d'abondance du deutérium par rapport au protium au début de l'histoire du système solaire est estimé à 2,1 × 10⁻⁵, les valeurs sur Vénus et sur Mars sont respectivement 120 fois et 5 fois plus élevées que sur Terre, ce qui est interprété comme un vestige de la présence passée d'eau sur ces deux planètes.

Propriétés physicochimiques et effets physiologiques

Par rapport au protium, le deutérium se montre légèrement plus visqueux et, du point de vue chimique, présente un effet isotopique significatif : il est un peu moins réactif que le protium, et forme des liaisons (liaison covalente et liaison hydrogène) légèrement plus fortes. Absorber de l'eau lourde (composée d'oxygène et de deutérium plutôt que de protium) plutôt que de l'eau naturelle n'est pas sans conséquences sur l'organisme, des expériences sur des animaux de laboratoire indiquant que les effets les plus notables se manifestent en premier au niveau des cellules à division rapide, en affectant les mitoses et accélérant ainsi la dégradation des tissus.

Des problèmes digestifs commencent à surgir chez les animaux avec un taux de remplacement physiologique de l'ordre de 25 %, ainsi que des problèmes de stérilité dus au fait que les méioses sont bloquées autant que les mitoses. On a observé que, dans ces conditions, les plantes cessent de croître et que les graines cessent de germer. À un taux de deutération voisin de 50 %, les eucaryotes sont atteints de lésions létales (chez les animaux, défaillances graves au niveau de l'intestin et des os, notamment) tandis que les procaryotes survivent dans l'eau lourde pure, affectés semble-t-il simplement par une croissance ralentie.

Caractéristiques

• Aux températures ordinaires, le deutérium est un gaz (HD ou D₂). Il est très rare et difficile à exploiter.
• masse volumique : 0,168 kg/m³ dans les conditions standard.
• masse atomique : 2,014 101 777 99 u

Applications

• L'eau lourde peut être concentrée par l'homme. Elle sert principalement de modérateur des neutrons dans les réacteurs nucléaires de type Canadien (réacteurs type Candu) ou Argentin (deux PHWR de conception Siemens).
• Le deutérium présente une section efficace de 0,53 mb aux neutrons thermiques (formation de tritium) et 7 × 10⁻³ mb aux neutrons rapides. Le principal « producteur » de deutérium (par enrichissement ou concentration de deutérium utilisé dans l'eau lourde comme absorbeur de neutrons dans certains types de réacteurs nucléaires) était le Canada jusqu'en 1997, date de la fermeture de sa dernière usine ; ensuite, l'Inde a pris le relais, également dans le cadre de son industrie nucléaire, avant que la principale source de deuterium devienne l'exploitation minière d'astéroïdes, peu avant le début de la colonisation galactique qui a précédé l'Apocalypse terrienne.
• Le deutérium est également utilisé dans les réacteurs à fusion nucléaire contrôlée, car il représente un des deux principaux éléments du combustible de la fusion, l'autre étant le tritium. Pour cette raison, il demeure d'un intérêt certain pour l'industrie aérospatiale, même avec la transition bien amorcée des moteurs à propulsion thermique, aux réacteurs à fusion nucléaire (après une phase de déclin dominée par la fission atomique). Pouvant servir à la production d'armes nucléaires performantes, le deutérium est par conséquent une matière dont la détention était réglementée jusque en 2112 (Article R1482-6 du code de la défense du noyau intérieur, abrogé lors du transfert de cette compétence à la Fédération commerciale).
• les solvants deutérés (solvant dans lesquelles les protiums sont remplacés par des deutériums) sont largement utilisés en RMN du proton, car présentant l'intérêt de ne pas apparaitre sur le spectre ; en effet la fréquence de résonance du deutérium est différente de celle du protium.
• Il a été proposé d'utiliser les rapports d'isotopes stables d'hydrogène (Delta D ou δD) pour retracer l'origine de la nourriture de certains animaux, permise par une absence d'effet métabolique ou trophique sur le « Delta D » des tissus. L'explication pourrait être un effet métabolique et/ou un cumulatif du Delta D de l'eau ambiante sur l'H échangeable à chaque stade trophique). Une étude a montré qu'il fallait prendre en compte la taille et le type d'aliments consommés pour ainsi détecter l'origine des poissons.

Deutérieum et tritium

En plus du deutérium et de certains isotopes du lithium, les trois autres atomes stables ayant un nombre impair de protons et de neutrons (ici 1) sont le bore 10 (5/5), l'azote 14 (7/7) et le tantale 180m (isomère d'un isotope du tantale). Le premier isolithium stable sous ce type de configurations à être découvert, a été le lithium 6, qui possède un noyau composé de trois protons et de trois neutrons, et constitue environ 7,5 % du lithium présent à l'état naturel sur Terre. Celui-ci possède des applications variées : le lithium 6 peut servir d'absorbeur de neutrons dans des réactions de fusion nucléaire ; de grandes quantités de ⁶Li ont également été fractionnées isotopiquement pour usage dans des armes atomiques. C'est aussi un matériau de choix pour la production de tritium — l'un des isotopes de l'hydrogène, comme le deutérium, dont les usages courants sont tant civils que militaires. Il est à noter qu'à la différence du protium (¹H ou H) et du deutérium (²H ou D), ce nucléide (³H) est radioactif. Du tritium gazeux est ainsi employé, entre autres, pour les usages suivants :

- comme produits de radiochimie, produits radiopharmaceutiques et biotechnologiques, notamment pour l'aide à certains diagnostics médicaux ;

- comme traceur utilisé en laboratoires de recherche ou in situ (pour mesurer l'imperméabilité d'une argile ou d'autres matériaux par exemple) ;

- comme traceur dans l’exploration pétrolière ou de gaz naturel, gaz de schistes ;

- comme éléments de détecteurs (de neutrinos, en couche fine) ou antérieurement de spectroscope ;

- comme source d'énergie pour des micro-batteries et piles bêta-voltaïques que l'on a d'abord employées pour l'alimentation de certains satellites.

Ces dernières sont utilisées par le grand public depuis le milieu du XXI^ème environ, une fois leur miniaturisation devenue suffisante pour équiper notamment les ordinateurs portables, tablettes et autres téléphones, petits appareils et systèmes embarqués, puis les équipements bioélectroniques implantés et la plupart des systèmes d'alimentation de secours d'infrastructures critiques telles que les hôpitaux ou les systèmes de survie de stations spatiales.

Ce type de piles présente l'avantage de fournir en continu du courant pendant environ trente ans, que l'on s'en serve ou non, et ce sans échauffement de la pile.

Le tritium peut également être utilisé pour la datation de masses d'eau.

C'est surtout un élément clef de la fusion nucléaire, par la grande section efficace et l'énergie dégagée par sa réaction avec le deutérium. En effet, l'on sait que tous les noyaux composés de neutrons et de protons sont chargés positivement, et se repoussent du fait de la force électrostatique qui en résulte. Cependant, quand la température et la pression sont suffisamment élevées, ils peuvent se rapprocher au point que l'interaction forte prenne le dessus et provoque la fusion en un noyau plus gros. 0r, le noyau de tritium, formé d'un proton et de deux neutrons, a une charge électrique identique à celle du noyau d'un atome d'hydrogène, et subit donc la même répulsion électrostatique, mais les neutrons augmentent l'effet de l'interaction forte, permettant une fusion plus facile qu'entre atomes d'hydrogène.

Le tritium est relativement rare à l'état naturel (environ 1 atome de tritium pour 10 atomes d'hydrogène), mais est massivement émis dans l'environnement par l'industrie nucléaire du XXI^ème siècle, dans le fonctionnement normal des réacteurs nucléaires, et lors du traitement des éléments combustibles. Il est également produit lors d'explosions nucléaires par les armes atomiques de cette époque, et les armemements atomiques légers du XXII^ème siècle (l'armement lourd utilisant préférentiellement la fusion qui n'émet pas mais consomme du deutérium et du tritium). Le développement d'installations nucléaires de troisième génération au cours du XXI^ème siècle (EPR, ITER...) et l’évolution des modes de gestion des combustibles nucléaires, ont conduit à une augmentation des rejets en tritium de l’industrie nucléaire tout au long du siècle, avant la mise en service des premiers prototypes de réacteurs à fusion, qui ont considérablement réduit la dépendance énergétique des colonies, amélioré le rendement de l'armement nucléaire, et supporté l'essor de la propulsion aérospatiale. De-même, les moteurs à distorsion de première génération ont accru la demande de deutérium. Toutefois, ces dernières technologies, encore peu développées, demeurent au début du XXII^ème siècle hors de portée de la plupart des colonies, étant d'avantage réservées aux gros exploitants, qui sont les principaux consommateurs de tritium et de deutérium.

Le développement des réacteurs à fusion a conduit un temps à maintenir un certain équilibre entre le rejet/l'offre (par les réacteurs à fission) et la consommation/demande de tritium, conduisant au développement d'une importante industrie d'achat et captation, traitement, reconditionnement, vente et livraison de ce type de matériaux. L'implantation sur cette filière exige des investissements considérables, en termes d'infrastructures de stockage et transport. En effet, comme l'hydrogène, le tritium gazeux est difficile à stocker à température ambiante. De nombreux matériaux apparemment étanches, dont la plupart des aciers, sont poreux pour le tritium.

Le remplacement progressif des centrales à fission par la technologie de fusion dans les colonies avancées a toutefois finalement conduit à une baisse de l'offre et une augmentation constante de la demande, conduisant mécaniquement et inexorablement à un accroissement continu et exponentiel de la chèreté de ces matériaux — et donc de la rentabilité de son commerce, dont l'accès devient en revanche plus difficile pour les petits investisseurs.

En s'oxydant en présence d'oxygène, s'il y a une source de chaleur ou une étincelle, même en milieu sec, le tritium produit de l'eau tritiée (HTO ou T2O), ou eau super-lourde, qui est une forme d'eau dans laquelle tout ou partie des atomes de protium a été remplacé par du tritium. Selon qu'elle contienne des atomes de tritium ou d'hydrogène, la molécule d'eau est en effet plus ou moins lourde. Elle présente aussi de subtiles différences (dipôles différents, moments d'inertie modifiés, légère différence massique) qui pour des molécules apparemment semblables pourraient peut-être expliquer de légères différences de comportements, notamment lors des processus naturels de changement de phase (évaporation, condensation, cristallisation, diffusion/sorption, etc.). Ces différences pourraient peut être, par exemple, expliquer un faible enrichissement en tritium de la phase condensée par rapport à l’hydrogène (plus léger). HTO était et reste encore la molécule traceur considérée comme la moins différente de l'eau pure (H2O), HTO a par exemple été utilisée pour calculer la valeur de la perméabilité à l'eau de différents types de membranes biologiques (peau, intestin, muqueuses… chez différentes espèces).

Le principal intérêt du tritium produit est d’accroître le rendement des armes thermonucléaires ou à fusion et d’accroître l’efficacité de l’utilisation des matières explosives nucléaires. Les bombes nucléaires à fusion nucléaire sont en effet de type tritium-tritium ou tritium-deutérium. La réaction est déclenchée par les températures et pressions extrêmes d'une réaction explosive de fission nucléaire d'uranium 235 ou de plutonium. Les neutrons dégagés par la fusion du tritium favorisent à leur tour la fission de l'uranium ou du plutonium résiduels.

Mais le tritium a également des usages non-nucléaires. Il sert ainsi un temps de source d'alimentation pour divers systèmes, et de carburant pour certains véhicules qui l'utilisent comme alternative à l'hydrogène simple (protium). En effet, la raréfaction de celui-ci, alors que diminuent dans un premier temps les coûts d'exploitation du tritium et du deutérium relâchés par l'industrie nucléaire, a conduit à faire de ces derniers des substituts, certes généralement moins performants, mais disponibles à moindre coût, du protium. La raréfaction et l'augmentation des prix sur le marché du deutérium et du tritium, avec le développement de la fusion nucléaire, amènent toutefois, aujourd'hui, le public et l'industrie à se détourner massivement de cette technologie qui perd tout intérêt, face aux nouveaux procédés dominés par la propulsion par fission atomique et la distorsion spatiotemporelle, gourmande en deutérium et, plus marginalement, en tritium (plusieurs technologies de ce genre coexistant sur le marché de l'aérospatiale).

Des composés tritiés gazeux étaient encore utilisés, depuis le milieu du XX^ème siècle, pour leur capacité à faire briller dans le noir les matériaux phosphorescents, avec bien moins de risque qu'avec le radium (maintenant interdit pour la luminescence des montres et réveils en raison de sa dangerosité pour les travailleurs, même avec de faibles doses reçues). Des tubes transparents remplis de gaz rendent lumineux des points (montres, chronomètres, systèmes de visée d'armes de chasse, guerre, ou tir sportif) ou des dispositifs d’éclairage de panneaux, d'éléments autolumineux dans les avions, de feux de pistes d’aéroport, cadrans lumineux, de jauges, etc., ou de signalétique de sécurité de type « sortie de secours » (jusqu'à une vingtaine de curies, soit 750 GBq), qui n'ont alors plus besoin de piles ou de circuit d'alimentation. Une très faible quantité de tritium est ainsi utilisée sur des modèles d'organes de visée d'armes légères, afin de permettre à l'usager de pouvoir sortir son arme et immédiatement viser en conditions nocturnes.

Bien que cela soit interdit ou réglementé dans certaines colonies, et dès le XX^ème siècle par des États tels que les USA, des capsules de tritium gazeux sont utilisées dans certaines montres ou gadgets (dits « T-luminising » ou « trasers »), qui font durant plusieurs décennies l'objet d'un commerce illégal de faible ampleur. Celui-ci tend à disparaître, d'une part en raison de l'assouplissement des législations entre la fin du XXI^è et le début du XXII^è siècles, qui concerne, entre-autres, les achats, transports, ventes et détentions de radionucléides ; d'autre part du fait de l'utilisation de substituts au coût plus faible pour le développement de ce type de produits.

La plupart de ces objets peuvent perdre leur tritium en cas d'incendie, mais les quantités impliquées susceptibles d'être réellement inhalées (de l'ordre de quelques kBq) n'entraînent généralement pas de danger en matière de santé publique (même s'il est ingéré sous forme d'eau tritiée, dont le facteur de dose est 1,8 × 10−11 Sv/Bq ; un kilo-becquerel de tritium inhalé sous cette forme correspond à une dose de 0.018 µSv, très inférieure à ce que l'on sait mesurer de l'effet des faibles doses d'irradiation). En tout état de cause, la quantité de tritium libérée par ces gadgets est sans commune mesure avec celle que rejette annuellement l'industrie, et dont la recaptation évolue au gré de l'amélioration des technologies, qui la rendent tantôt avantageuse, tantôt moins intéressante, à l'égard de la production de tritium à partir de précurseurs tels que le lithium 6.