Réacteur nucléaire naturel d'Oklo
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2008-07-06T15:53:53Z
Christophe cagé
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ils y en avait plusieurs
[[Image:LocationGabon.svg|thumb|Localisation du Gabon]]
[[Image:Gabon Geology Oklo.svg|thumb|right|180px|Structure géologique du site<br/> 1. Zones des réacteurs nucléaires<br/> 2. couche de pierre poreuse<br/> 3. couche de minerai d’Uranium<br/> 4. Granite]]
Le '''réacteur nucléaire naturel d’Oklo''', près de la ville de [[Franceville]] dans la province de [[Haut-Ogooué]] au [[Gabon]], est un ensemble de [[réacteur nucléaire|réacteurs nucléaires]] naturels, c’est-à-dire que des réactions de [[fission nucléaire]] en chaîne auto-entretenue y ont eu lieu sans intervention humaine.
C’est le seul exemplaire connu sur la [[Terre]], découvert en [[1972]] par le physicien français [[Francis Perrin (physicien)|Francis Perrin]] dans la [[mine d'uranium|mine d’uranium]] d’Oklo exploitée par la [[Cogema]] ; tous les réacteurs du site sont aujourd’hui éteint.
== Histoire ==
Le Gabon était une [[colonie française]] quand des analyses de routine du [[Commissariat à l'énergie atomique|CEA]] (ou plutôt de son bras industriel qui devint plus tard la [[Cogema]]) ont été effectuées. Elles permirent la découverte d’uranium dans cette région en [[1956]]. La France ouvrit immédiatement des mines, gérées par la [[Comuf]] (Compagnie des Mines d’Uranium de Franceville) près du village de [[Mounana]] pour exploiter les ressources. Après l’[[indépendance]], en [[1960]], l’État du Gabon reçut une petite partie des bénéfices de la compagnie.
Pendant 40 ans, la France extrait de l’uranium dans cette partie du Gabon. Une fois extrait, l’uranium est utilisé en France et en [[Europe]]. Les mineurs du Gabon revendiquent ironiquement que sans eux, le [[TGV]] n’aurait pu exister. Aujourd’hui, la mine d’uranium est épuisée et n’est plus exploitée.
[[Image:UraniumUSGOV.jpg|thumb|Minerai d’uranium]]
Le "phénomène Oklo" a été découvert en [[1972]] à l’usine d’enrichissement d’uranium de [[Pierrelatte]], en France. Des analyses de routine sur un échantillon d’[[hexafluorure d'uranium|hexafluorure d’uranium]] ({{formule chimique|U||F|6}}) provenant de la mine d’Oklo mettent en évidence un manque anormal d’uranium 235 ({{p|235}}U). La proportion normale de {{p|235}}U est de {{unité|0.7202|%}}, alors que les échantillons ne présentent que {{unité|0.7171|%}}. Comme les quantités d’isotopes fissiles sont cataloguées précisément, cette différence devait être expliquée ; aussi, une enquête est lancée par le [[Commissariat à l'énergie atomique|CEA]]. Une série de relevés de la composition isotopique de l’uranium d’Oklo et d’autres mines est effectuée, et met en évidence des différences significatives ; la proportion de <sup>235</sup>U dans certains échantillons de minerai baisse jusqu’à {{unité|0.440|%}}.
Plusieurs hypothèses sont envisagées pour expliquer cette faible teneur en {{p|235}}U, mais la découverte de trace de [[produits de fission]] accrédita la thèse d’un réacteur nucléaire spontané.
== Physique ==
{{Article détaillé|réacteur nucléaire}}
Un réacteur nucléaire naturel est un dépôt d’uranium où les analyses montrent des symptômes de réaction de fission nucléaire en chaîne auto-entretenue. Le phénomène est découvert en [[1972]] par le physicien français [[Francis Perrin (physicien)|Francis Perrin]]. Les conditions dans lesquelles une réaction auto-entretenue naturelle peut survenir avaient été décrites en 1956 par [[Paul Kuroda]], à l’Université de l’Arkansas ; les conditions à Oklo sont proches des prévisions théoriques.
Oklo est le seul endroit connu de réacteur nucléaire naturel ; 16 sites y ont été découverts avec des traces de réactions de fission datant de près de 2 milliards d’années.
=== Signature isotopique des produits de fission ===
==== Néodyme ====
Le [[Néodyme]] trouvé à Oklo a une composition isotopique différente de celle du Nd trouvé ailleurs sur Terre : le Nd typique contient {{unité|27|%}} de {{p|142}}Nd ; celui de Oklo en contient moins de {{unité|6|%}}, et contient davantage de {{p|143}}Nd. La composition correspond à celle du produit de la fission du {{p|235}}U.
[[Image:Neodynium isotope signatures.svg|thumb|center|300px|Ce diagramme montre l’abondance isotopique naturelle (normale) du néodyme, ainsi que celle du site modifiée par les isotopes du néodyme produits par la fission de {{p|235}}U. <br /> À noter que le [[Cérium|{{p|142}}Ce]] (un émetteur béta à longue durée de vie) ne s’est pas encore transformé en {{p|142}}Nd, même depuis l’extinction des réacteurs.]]
==== Ruthénium ====
Le [[ruthénium]] trouvé à Oklo présente une forte concentration de {{p|99}}Ru (27-{{unité|30|%}}, contre {{unité|12.7|%}} typiquement). Ce surplus peut s’expliquer par la désintégration du {{p|99}}Tc (produit de fission) en {{p|99}}Ru.
[[Image:Ruthenium isotope signatures.svg|thumb|center|300px|Ce diagramme montre l’abondance isotopique naturelle (normale) du ruthénium, ainsi que celle du site modifiée par les isotopes du ruthénium produits par la fission de {{p|235}}U. <br /> À noter que le [[Molybdène|{{p|100}}Mo]] (un émetteur double-béta à longue durée de vie) ne s’est pas encore transformé en {{p|100}}Ru, même depuis l’extinction des réacteurs.]]
=== Fonctionnement des réacteurs ===
[[Image:Nuclear fission.svg|thumb|right|Une des multiples fissions nucléaires de l’uranium 235 induite par la capture d'un neutron.]]
Un réacteur nucléaire naturel se forme lorsqu’un dépôt de minerai riche en uranium est inondé par de l’[[eau]] : l’[[hydrogène]] de l’eau agit comme modérateur de neutrons et démarre une réaction en chaîne de fission nucléaire. Au fur et à mesure que la réaction s’intensifie, l’eau s’évapore et s’échappe, ce qui ralentit la réaction, empêchant un emballement du réacteur. Après la baisse de la température, l’eau afflue de nouveau et la réaction réaugmente.
La réaction d’Oklo s’est maintenue ainsi pendant plusieurs centaines de milliers d’années. La fission de l’uranium produit cinq isotopes du [[xénon]], qui ont tous été retrouvés dans les restes du réacteur, à différents taux de concentration ; ceci suggère que le taux de la réaction était cyclique (voir explication ci-dessus). D’après les concentrations, la période devait être de 2½ heures environ.
On estime que ces réacteurs naturels ont consommé environ 6 tonnes de {{p|235}}U (voir la section [[#Applications_industrielles|Applications industrielles]]), et fonctionna à une puissance de l’ordre de {{unité|100|[[Watt|kW]]}}, produisant des zones portées à des [[température]]s de plusieurs centaines de [[degré Celsius|degrés Celsius]]. Les produits de fission non volatiles n’ont bougé que de quelques centimètres en 2 milliards d’années, ce qui donne un cas d’école de la migration des isotopes radioactifs dans la [[croûte terrestre]], avec des applications dans le stockage en profondeur de déchets de l’industrie nucléaire.
Une telle réaction a pu s’amorcer parce qu’à l’époque où le dépôt a été constitué, la part de l’isotope fissile {{p|235}}U dans l’uranium naturel était de l’ordre de {{unité|3|%}}, valeur proche de celle de l’uranium enrichi utilisé dans les réacteurs nucléaires actuels. Comme l’uranium 235 a une [[demi-vie]] radioactive inférieure à celle de l’uranium 238, son abondance relative diminue avec le temps. La proportion de nos jours est d’environ {{unité|0.7|%}} : un réacteur nucléaire naturel comme celui d’Oklo n’est donc plus possible actuellement.
D’autre part, l’uranium n’est soluble dans l’eau qu’en présence d’oxygène. Quand une eau riche en oxygène érode le minerai d’uranium, elle l’emporte sous forme de particules, et le re-dépose lorsqu’elle perd son oxygène, augmentant la concentration en uranium à l’endroit où l’oxygène « dégaze » (où il est réduit). La présence d’oxygène — et d’autres phénomènes géologiques — est nécessaire pour élever la concentration de l’uranium. C’est l’augmentation de la teneur en oxygène de l’atmosphère terrestre qui explique que la réaction n’a démarré il n’y a qu’environ 2 milliards d’années, et pas avant, quand les concentrations de {{p|235}}U étaient encore plus élevées.
Le réacteur naturel d’Oklo est aussi utilisé pour mesurer la [[constante de structure fine]] <math>\alpha</math> à différentes époques, et vérifier si elle change au cours du temps, comme cela a été suggéré récemment. En 1976, [[Alex Shlyakhter]] a proposé de mesurer les abondances du {{p|149}}[[Samarium|Sm]] pour estimer la [[section efficace]] de la capture de neutrons par cet isotope à l’époque d’Oklo, et la comparer à la valeur actuelle.
== Applications industrielles ==
Le [[stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde|stockage de déchets radioactifs en profondeur]] consiste à conditionner des [[déchet radioactif|déchets radioactifs]] dans des conteneurs scellés et à le déposer dans des chambres excavées dans des couches géologiquement stables, à 500 ou {{formatnum:1000}} mètres de profondeur.
Pendant leur fonctionnement, les réacteurs naturels ont produit 5,4 tonnes de produits de fission, 1,5 tonnes de plutonium et d’autres éléments transuraniens. Tous ces éléments sont restés confinés jusqu’à leur découverte, en dépit du fait que l’eau coule dedans et qu’ils ne sont pas sous des formes chimiquement inertes.
Le site d’Oklo illustrerait donc la capacité des couches géologiques locales à isoler les matières radioactives. Ainsi, selon une thèse de doctorat de l'université d'Orsay :
{{début citation}}Des observations minéralogiques, des analyses chimiques et des analyses isotopiques sur roche totale nous ont permis de conclure qu'une partie des radioéléments et de leurs descendants est restée concentrée dans les zones de réaction, associée à des phases minérales secondaires, tandis qu'une autre fraction a migré vers la bordure du réacteur. Suivant l'intensité des réactions nucléaires et la présence ou non du faciès argile de pile, qui constitue souvent un faciès intermédiaire entre le cœur du réacteur et le grès encaissant, les radioéléments sont restés concentrés à la bordure du réacteur ou ont migré dans les premiers mètres de grès encaissant massif. [...] Les principaux enseignements de ce travail pour le stockage de déchets nucléaires de haute activité concernent la stabilité à long terme des oxydes d'uranium dans un environnement géologique réducteur et la capacité de rétention des phases minérales secondaires et de la barrière argileuse vis-à-vis de plusieurs radioéléments. Nos résultats indiquent également que les interfaces entre les différentes barrières artificielles d'un site de stockage peuvent limiter la migration des radioéléments en champ proche. Par ailleurs, cette étude confirme que des transferts de radioéléments peuvent s'effectuer par l'intermédiaire de fissures.<ref name="Menet-Dressayre">''[http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=152949 Etude du comportement géochimique des radioéléments et de leurs descendants autour des réacteurs nucléaires naturels 10 et 13 d'Oklo (Gabon). Application au stockage de déchets nucléaires de haute activité]'', thèse de doctorat de Catherine Menet-Dressayre, Université de Paris 11, Orsay, FRANCE, publié sur [Institut de l’Information Scientifique et Technique CAT.INIST].</ref>{{fin citation}}
Toutefois, le site d'Oklo étant un milieu ouvert, en perpétuelle modification, il ne peut constituer un modèle ni une référence de site de stockage des déchets radioactifs ; il constitue un exemple unique de comportement, à long terme, de produits issus des réactions nucléaires dans un milieu naturel et apporte des renseignements sur les propriétés de l'argile en matière de confinement. Dans ce cas, c'est la présence de matière organique associée à des minéraux Fe<sup>II</sup>/Fe<sup>III</sup> dans une « zone tampon redox » autour du réacteur naturel qui permet d’expliquer la préservation de l’uraninite au sein de la zone de réaction et la faible migration de l’uranium au cours des temps géologiques<ref>Benoît Madé, Emmanuel Ledoux, Anne-Lise Salignac, Bénédicte Le Boursicaud et Ioana Gurban, Modélisation du transport réactif de l’uranium autour du réacteur nucléaire naturel de Bangombé (Oklo, Gabon), comptes rendus de l’académie des sciences - Series IIA - Earth and Planetary Science, Volume 331, Issue 9, 15 November 2000, Pages 587-594</ref>.
Cet exemple de confinement en milieu naturel constitue un argument de poids, pour la promotion des stockages souterrain ; le gouvernement des États-Unis cite et extrapole les observations faites à Oklo, dans son enquête sur la possibilité d’ouvrir un site de stockage à [[Yucca Mountain]] :
{{citation bloc|Lorsque ces réactions nucléaires en chaîne naturelles souterraines se sont arrêtées, la nature a montré qu’elle était capable de confiner efficacement les déchets produits par les réactions. Nulle réaction en chaîne ne va jamais avoir lieu dans un site de stockage de déchets radioactifs. Mais si un site de stockage devait être construit dans les Yucca Mountains, les scientifiques compteraient sur la géologie de l’endroit pour contenir les radionucléides générés par ces déchets avec la même efficacité.}}
==Références==
{{reflist}}
* A. P. Meshik ''et al.'': ''[http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.93.182302 Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon]''. Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004).
* Andrew Karam, ''[http://www.physics.isu.edu/radinf/Files/Okloreactor.pdf The natural nuclear reactor at Oklo]''{{pdf}}, Radiation Information Network, April 2005.
* W. Miller ''et al.'': ''Geological Disposal of Radioactive Wastes and Natural Analogues''. ISBN 0-08-043852-0, Pergamon (2000)
* Gauthier-Lafaye, ''et al.'': ''Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system'', Geochim. Cosmochim. Acta, 60, 48314852, 1996.
* Neuilly, M.''et al.'': ''Sur l’existence dans un passé reculé d’une réaction en chaîne naturelle de fission, dans le gisement d’uranium'', C. R. Acad. Sci., 275D, 1847, 1972.
* Raffenach, J. C., Menes, J., Devillers, C., Lucas, M. and Hagemann, R. (1976). Études chimiques et isotopiques de l’uranium, du plomb et de plusieurs produits de fission dans un échantillon de minerai du réacteur naturel d’Oklo. Earth Planet. Sci. Lett. 30, 94–108.
* Alex P. Meshik: The Workings of an Ancient Nuclear Reactor; November 2005; Scientific American Magazine.
* Kuroda, P. K., J. Chem. Phys., 25, 781–2; 1295–6 (1956)
==Liens externes==
* {{en}} [http://www.physics.isu.edu/radinf/Files/Okloreactor.pdf ''The natural nuclear reactor at Oklo: A comparison with modern nuclear reactors'']
* {{en}} [http://www.oklo.curtin.edu.au/ ''Oklo Fossil Reactors'']
* {{en}} [http://www.ocrwm.doe.gov/factsheets/doeymp0010.shtml ''Yucca Mountain Project: Oklo:Natural Nuclear Reactors'']
* {{en}} [http://www.ocrwm.doe.gov/factsheets/doeymp0010.shtml ''Natural Reactor Fact Sheet'']
* {{en}} [http://www.newscientist.com/article/dn6092.html ''New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value'']
* {{en}} [http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap021016.html ''NASA, Astronomy Picture of the day: Oklo, Fossile Reactor, Zone 15'']
* {{fr}} [http://www.ecolo.org/documents/documents_in_french/oklo_reacteur_naturel.htm Oklo – réacteur nucléaire naturel]
* {{fr}} [http://www.energethique.com/notions/oklo.htm Fiche sur les réacteurs nucléaires naturels d'OKLO - Par l'ARCEA (Association des Retraités du groupe CEA)]
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