L’Élémentarium
Le zircon est une pierre semi-précieuse qui a été ainsi nommée pour ses teintes jaunes. Son nom vient du persan zargun désignant la couleur de l’or. C’est en analysant cette pierre que le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth découvrit, en 1789, qu’elle contenait un nouvel élément chimique sous forme d’oxyde. Le nom de zirconium est alors proposé en 1808 par Humphry Davy qui tenta en vain de l’isoler. C’est le suédois Jons Jakob Berzelius qui, en 1824, parvint à isoler le zirconium métallique.
| Numéro atomique | Masse atomique | Configuration électronique | Structures cristallines | Rayon métallique pour la coordinence 12 |
| 40 | 91,22 g.mol-1 | [Kr] 4d2 5s2 | Forme alpha jusqu’à 863°C puis forme bêta.
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160,2 pm |
| Masse volumique | Dureté | Température de fusion | Température d’ébullition | Conductibilité électrique | Conductibilité thermique | Solubilité dans l’eau |
| 6,49 g.cm-3 | 5 | 1 852°C | 4 377°C | 2,36.106 S.m-1 | 22,7 W.m-1.K-1 | insoluble |
| Électronégativité de Pauling | E° : Zr4+ + 4e = Zr(s) | E° : ZrO2(s) + 4Haq+ + 4e = Zr(s) + 2H2O |
pKs : ZrO(OH)2 |
| 1,33 | -1,53 V | -1,43 V | 25,5 |
Zirconium cristallisé
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Zirconium gazeux
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La teneur moyenne de l’écorce terrestre en zirconium est de 165 ppm soit 165 g/t et de 6 ppm en hafnium.
Le zircon, silicate de zirconium (ZrSiO4), est la principale matière première pour élaborer le zirconium et ses composés dont la zircone.
La zircone, oxyde de zirconium (ZrO2), est un matériau céramique principalement élaboré à partir du zircon.
Le zirconium (Zr), est un matériau métallique utilisé principalement dans l’industrie nucléaire où il doit être exempt de hafnium.
Le hafnium (Hf), accompagne systématiquement le zirconium dans ses minerais, avec un rapport massique Zr/Hf d’environ 50. Ces deux éléments, appartenant à la même colonne de la classification périodique, subissent la même métallurgie lors de l’obtention des métaux. Le hafnium se trouve présent dans tous les composés de zirconium car, en général, les deux éléments ne sont pas séparés sauf pour le zirconium utilisé dans l’industrie nucléaire.
Le zirconium est préparé par carbochloration du zircon ou de la zircone, à 1 100°C, en lit fluidisé selon la réaction suivante pour le zircon :
ZrSiO4 + 4 Cl2(g) + 4 C = ZrCl4(g) + SiCl4(g) + 4 CO(g)
Par refroidissement en dessous de 200°C, le tétrachlorure de zirconium cristallise et est ainsi séparé du tétrachlorure de silicium qui reste gazeux. Lors de cette opération, le tétrachlorure de hafnium accompagne celui de zirconium. Pour des applications non nucléaires, le hafnium n’est pas extrait et la réduction des tétrachlorures par le procédé Kroll (voir plus loin) donne du zirconium pouvant contenir jusqu’à 4,5% de hafnium.
Le hafnium a la particularité d’absorber fortement les neutrons contrairement au zirconium. Pour des applications nucléaires du zirconium, celui-ci doit absorber le moins possible les neutrons et donc doit avoir une teneur en hafnium inférieure à 0,01 %.
Les propriétés des deux éléments étant proches, leur séparation est délicate. Deux procédés sont utilisés :
La réduction du tétrachlorure de zirconium est réalisée selon le procédé Kroll, à l’aide de magnésium liquide, 850°C, selon la réaction :
ZrCl4(g) + Mg(liq)= Zr + MgCl2(liq)
Un chauffage sous vide, à 900°C, permet d’éliminer par vaporisation le chlorure de magnésium et le magnésium restant et d’obtenir de l’éponge de zirconium.
La capacité de production mondiale était, en 2012, d’environ 8 500 t/an.
En 2012, les producteurs étaient :
| ATI (États Unis) | 2 000 t | TVEL (Russie) | 1 000 t | |
| Framatome (France) | 1 800 t | Chine | 800 t | |
| Westinghouse (États-Unis) | 1 000 t | Inde | 400 t |
Framatome, à Jarrie (38), produit de l’éponge de zirconium, à partir de zircone, avec une capacité de production de 2 200 t/an soit une part de marché mondial de 35 %. La mise en forme du zirconium est réalisée à :
En 2023, pour le zirconium brut ou en poudre, les exportations sont confidentielles.
Les importations s’élevaient à 236 t en provenance principalement à :
Consommations : dans le monde, en 2012, environ 7 000 t.
L’industrie nucléaire représente 85 % des utilisations. Il est employé sous forme d’alliages (Zircaloy 2 et 4 ou ASTM 704) exempts de hafnium et renfermant 1,45 % d’étain pour la réalisation de gaines de combustible.
Autres utilisations : pour des applications non nucléaires, la teneur en hafnium est comprise entre 0,2 et 4,5 %. Le zirconium utilisé dans ces applications provient, en général, des chutes de fabrication du zirconium élaboré pour les applications nucléaires et de zirconium recyclé.