Le zirconium porte le symbole Zr et le numéro atomique 40 : son noyau contient donc 40 protons. Sa masse atomique indiquée dans la fiche d’identité est de 91,222 u. Il appartient aux métaux de transition et se trouve dans le groupe 4, à la période 5. À température ambiante, c’est un métal solide, dont les usages dépendent autant de ses propriétés que de la forme chimique sous laquelle il est employé.
Où trouve-t-on le zirconium dans la nature ?
Le zirconium est présent dans la croûte terrestre, principalement dans le zircon, un minéral de formule ZrSiO₄. Le zircon est la principale matière première du métal et de plusieurs de ses composés. Il ne faut pas le confondre avec la zircone, nom courant du dioxyde de zirconium, ZrO₂. La fiche de L’Élémentarium précise aussi que le zircon contient naturellement de l’hafnium, un élément chimiquement proche du zirconium.
Le zircon est souvent récupéré lors du traitement de sables minéraux lourds, exploités notamment pour leurs minéraux de titane. Selon le service géologique des États-Unis (USGS), le zircon est la principale source économique de zirconium et contient également de l’hafnium. Pour certaines applications nucléaires, le métal doit être séparé de cet élément : l’hafnium absorbe davantage les neutrons, ce qui le rend indésirable dans les matériaux destinés à certaines parties du réacteur.
Obtenir le métal demande plusieurs étapes. Le minerai est transformé en composés intermédiaires, puis le zirconium est séparé de l’hafnium et réduit pour produire le métal. La Société Chimique de France décrit une voie où le tétrachlorure de zirconium est réduit par du magnésium à haute température, selon le procédé Kroll. Le métal obtenu peut ensuite être travaillé ou intégré à des alliages.
Pourquoi l’utilise-t-on dans les réacteurs ?
Le zirconium métallique résiste à la corrosion et absorbe peu les neutrons. Ces caractéristiques en font un matériau utile pour les gaines qui entourent le combustible nucléaire : elles doivent contenir le combustible tout en permettant le fonctionnement de la réaction dans le réacteur. Il est généralement utilisé sous forme d’alliages, plutôt que comme métal pur. Le tableau périodique de la Royal Society of Chemistry relève cette faible absorption neutronique parmi les raisons de son emploi dans les centrales nucléaires.
La même résistance à la corrosion est utile dans des équipements industriels exposés à des produits chimiques agressifs, comme des conduites, des pompes ou des échangeurs de chaleur. Les propriétés varient toutefois selon la composition de l’alliage, le milieu et les conditions de fonctionnement : le seul nom « zirconium » ne suffit donc pas à déterminer si un matériau convient à une application précise.
Quelle différence entre zircon, zircone et zirconium ?
Ces noms désignent des matières distinctes, même si elles contiennent toutes du zirconium :
- Le zircon est un minéral naturel, le silicate de zirconium ZrSiO₄. Il sert de minerai et peut aussi être utilisé en joaillerie.
- La zircone est le dioxyde de zirconium ZrO₂. Sa résistance aux températures élevées en fait un matériau réfractaire, utilisé notamment dans des céramiques et des équipements de fours.
- Le zirconium est l’élément chimique, notamment sous forme métallique ou dans des alliages.
La zircone cubique, matériau artificiel employé en bijouterie, ne doit pas non plus être confondue avec le zircon naturel. Son aspect peut rappeler celui du diamant, mais sa composition et sa structure sont différentes.
Le zirconium présente-t-il des risques particuliers ?
Le risque dépend de sa forme et des conditions de manipulation. Le métal massif est difficile à enflammer, tandis que des poudres fines de zirconium peuvent s’enflammer spontanément et brûler vivement. Le guide du NIOSH, l’institut américain de santé et sécurité au travail, signale ce danger pour les poudres et rappelle que l’exposition professionnelle aux poussières ou composés appelle des mesures de prévention adaptées. Ces précautions concernent surtout la manipulation industrielle : elles ne signifient pas que le zircon, la zircone et le métal présentent les mêmes dangers dans leurs usages courants.