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Des déchets radioactifs piégés dans les minéraux

En 1972, le grand physicien français Francis Perrin fit une découverte étonnante dans une mine d’uranium sur le site d’Oklo, au Gabon : du minerai d’hexafluorure d’uranium dont la teneur en uranium 235 était anormalement faible par rapport à sa concentration naturelle. Pour expliquer ce curieux phénomène, Perrin émit alors l'hypothèse que, d’une façon ou d’une autre, une réaction de fission nucléaire autoentretenue pendant plusieurs années avait consommé une partie de cet isotope dans le minerai.

Depuis, 16 autres de ces "réacteurs naturels", situés entre 12 et 250 mètres de profondeur, ont été identifiés sur le site d’Oklo, dont certains remontent à près de 2 milliards d’années. Ces réacteurs sont tous à l’arrêt depuis plusieurs centaines de millions d’années, mais ils intéressent les géologues car, durant leur activité, ils ont émis des radio-isotopes similaires aux produits de fission engendrés dans les centrales nucléaires actuelles, c’est-à-dire des « déchets nucléaires ». Aussi voit-on dans le site d’Oklo un modèle d’étude pour la gestion des déchets radioactifs par enfouissement.

En 2000, des chercheurs de l’Université Washington, à Saint-Louis, ont ainsi montré que certains minéraux (des phosphates) dans le réacteur 13 d’Oklo avaient piégé des isotopes radioactifs du xénon dans des proportions plus importantes que n’importe quel autre minéral sur Terre. À présent, Evan Groopman, du laboratoire de recherche navale américaine, à Washington, et ses collègues ont découvert qu’un métal présent dans le même réacteur, le ruthénium, a piégé des radio-isotopes de césium et de baryum particulièrement difficiles à traiter, notamment du césium 135 et 137.

Comment fonctionne un réacteur nucléaire naturel et, surtout, que deviennent ses déchets radioactifs ? Cinq conditions sont nécessaires pour qu’un réacteur nucléaire, naturel ou non, s’allume et se maintienne en activité. D’abord, il faut des atomes lourds, dont le noyau contient beaucoup de protons et de neutrons. À Oklo, il s’agit de l’uranium 235. Instables, ces atomes se divisent en atomes plus légers, en général après avoir capturé un neutron : c’est la fission nucléaire. La présence de neutrons, provenant d’un autre élément ou d’un isotope – l’uranium 238 à Oklo –, favorise donc le déclenchement du réacteur.

La fission dégage alors elle aussi des neutrons, mais très rapides. Or plus un neutron est rapide, moins il a de chances d’être capté par les noyaux lourds (ici l’uranium 235). Il est ainsi nécessaire que les neutrons soient freinés par un agrégat d’atomes légers. Dans les centrales nucléaires, on utilise de l’eau. À Oklo, l’eau infiltrée dans la roche remplissait également cette fonction. Ralentis, les neutrons provoquent à leur tour la fission d’atomes d’uranium 235, entraînant une réaction en chaîne, qui est à la base du fonctionnement des réacteurs nucléaires industriels.

Enfin, cette réaction en chaîne ne doit ni s’emballer ni s’arrêter. Dans les réacteurs industriels, des barres de contrôle contenant des matériaux capteurs de neutrons, comme le carbure de bore ou le cadmium, régulent la réaction nucléaire en absorbant l’excès de neutrons. À Oklo, les cycles d’apport d’eau et d’évaporation entretenaient la réaction en chaîne. Les matériaux environnants ne devaient par ailleurs pas trop modérer le flux de neutrons, sans quoi la réaction en chaîne se serait rapidement arrêtée.

Ainsi, les gisements d’Oklo réunissaient toutes les conditions pour devenir des réacteurs nucléaires. Leur production d’énergie a été évaluée à 100 kilowatts en moyenne par réacteur ; 100 000 fois moins que la production des réacteurs industriels. Ils ont fonctionné pendant 100 000 à 800 000 ans. En conséquence, ils ont produit des déchets radioactifs. Une partie de ces déchets a été évacuée dans par les eaux d’écoulement, mais l’étude des couches géologiques environnantes a montré que les matériaux proches du gisement en avaient retenu une autre partie.

C’est ce qu’ont montré Evan Groopman et ses collègues. Ils ont étudié la composition isotopique des roches environnant le réacteur 13 d’Oklo à l’aide d’un dispositif combinant un spectromètre de masse à ionisation secondaire et un spectromètre de masse par accélérateur. Le premier appareil bombarde la surface de l’échantillon de minerai avec un faisceau d’ions. Une partie de la surface pulvérisée est ionisée et ensuite accélérée dans le deuxième appareil permettant d’identifier les atomes, molécules ou isotopes de l’échantillon et de mesurer leur concentration.

La technique de spectrométrie de masse par accélérateur permet de mesurer des concentrations très faibles de radio-isotopes, dans un environnement complexe. L’équipe d’Evan Groopman a ainsi pu estimer précisément les différences de masses d’isotopes du baryum et du césium et en déduire l’âge du réacteur depuis son arrêt. En outre, ils ont constaté qu’une phase métallique à base de ruthénium a fixé en quantités égales du césium 134 et 137, deux produits de la fission de l’uranium 235, environ cinq ans après l’arrêt du réacteur. Ces produits sont ainsi restés piégés dans le ruthénium pendant 2 milliards d’années.

Le césium est un élément radioactif hautement volatil. Après les catastrophes de Tchernobyl et de Fukushima, du césium 134 et 137 a été relâché dans l’environnement. Ces radio-isotopes, très incompatibles avec le combustible nucléaire, se retrouvent piégés entre le combustible et la gaine du réacteur. Si ce gainage venait à rompre, le césium serait relâché instantanément vers l’extérieur, ce qui représente un réel danger. Le ruthénium constituerait ainsi un élément intéressant pour piéger le césium produit par les réacteurs.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Pour La Science

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