Un réacteur nucléaire dans la nature

mine uraniumRassurez-vous, dans ce billet je ne vais pas vous parler d’une nouvelle catastrophe écologique; encore moins de l’implantation d’une centrale nucléaire pharaonique dans un endroit improbable.

Aujourd’hui nous allons plutôt voir pourquoi dans certaines conditions exceptionnelles, il est possible que dans la nature aient lieu des réactions nucléaires similaires à celles qui se produisent dans nos centrales.

Ces réactions en chaîne naturelles sont a priori rarissimes, mais on sait qu’au moins une s’est produite il y a environ 2 milliards d’années dans le sous-sol de l’actuel Gabon. Et ce phénomène étonnant a été découvert de manière tout à fait fortuite.

Une mesure à peine anormale

L’histoire commence en 1972 en France, dans l’usine d’enrichissement d’uranium de Pierrelatte, et plus précisément dans le laboratoire chargé de mesurer la concentration d’uranium 235. L’uranium 235, c’est celui que l’on utilise dans les centrales nucléaire, mais il ne représente qu’une toute petite partie de l’uranium extrait des gisements.

LocationGabonOkloCe jour-là, le minerai analysé provient du site d’Oklo au Gabon et une chose étrange se produit. En principe, quand on mesure la concentration d’uranium 235, on trouve toujours le même résultat : 0.7202%, et ce quelle que soit la provenance du minerai utilisé. Mais ce jour-là, une valeur différente s’affiche : 0.7171%.

Un tout petit chouilla en dessous de la valeur habituelle, pas de quoi s’affoler pensez-vous. Mais si ! C’est une anomalie inquiétante qui déclenche immédiatement une enquête. Puisque l’uranium 235 est aussi utilisé pour faire des bombes, il fait l’objet d’un suivi très attentif, et la moindre anomalie peut être le signe d’un détournement : il faut donc comprendre où est passé l’uranium 235 manquant !

Après investigation, les scientifiques du CEA en arrivent à une hypothèse étonnante : s’il manque de l’uranium 235, c’est peut-être qu’il a été consommé dans une réaction nucléaire spontanée ayant eu lieu dans le sous-sol du Gabon il y a bien longtemps. On parle de réacteur nucléaire naturel. Mais pour bien faire la lumière sur ce mystère, je dois vous expliquer un peu comment marchent les réactions nucléaires.

Les réactions nucléaires

Commençons par un phénomène plus familier : les réactions chimiques. Considérez une réaction simple comme la combustion du méthane

combustion methane

Dans une réaction chimique comme celle-ci, des molécules disparaissent et d’autres sont créées. En revanche les atomes qui composent les molécules, eux, restent les mêmes. Vous pouvez compter, de chaque côté de la réaction on retrouve 1 carbone, 4 oxygènes et 4 hydrogènes  : les atomes ne sont pas modifiés dans les réactions chimiques.

Une conséquence de cela, c’est qu’il est impossible avec des réactions chimiques de réaliser le vieux rêve des alchimistes : transformer le plomb en or, car ce sont deux atomes différents.

Si vous voulez faire disparaître des atomes ou en créer de nouveaux, les réactions chimiques ne servent à rien, il vous faut des réactions nucléaires ! On les appelle ainsi car pour changer la nature d’un atome, il faut modifier son noyau.

noyauVous savez peut-être que les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Le nombre de protons détermine la nature de l’atome (par exemple 6 pour le carbone, 79 pour l’or, 82 pour le plomb et 92 pour l’uranium), tandis que le nombre de neutrons permet d’obtenir différentes variantes d’un même atome (on parle d’isotopes). Les isotopes sont nommés en faisant la somme du nombre de protons et de neutrons. Par exemple :

  • 6 protons et 6 neutrons donnent du carbone 12 (le carbone habituel);
  • 6 protons et 8 neutrons donnent du carbone 14 (celui utilisé pour faire des datations);
  • 92 protons et 143 neutrons donnent de l’uranium 235;
  • 92 protons et 146 neutrons donnent de l’uranium 238.

Maintenant que vous savez comment on décrit le noyau d’un atome, voyons comment il est possible de le modifier à l’aide de réactions nucléaires.

Radioactivité et fission

Une réaction nucléaire, c’est donc une réaction qui modifie le noyau d’un atome, et peut ainsi changer sa nature. La réaction la plus simple, c’est la désintégration nucléaire qui est notamment à l’origine de la radioactivité. Certains isotopes sont en effet instables, et ont tendance à spontanément perdre un petit morceau de leur noyau, ce qui modifie leur nature.

Prenons un exemple, le radium 226, découvert par les époux Curie, a tendance à se désintégrer en Radon 222 en perdant 2 neutrons et 2 protons (sous la forme d’une particule dite alpha)

désintégration radium

Beaucoup d’isotopes sont radioactifs et suivant leur degré d’instabilité, la désintégration a lieu plus ou moins rapidement : de quelques millisecondes à quelques milliards d’années !

Voilà pour la désintégration. L’autre réaction nucléaire essentielle, c’est la fission. Il s’agit d’un phénomène différent car d’une part il n’est pas en général spontané, d’autre part il conduit à casser le noyau en deux morceaux.

L’exemple typique, c’est la fission de l’uranium 235 lors qu’il est percuté par un neutron : il peut alors se briser alors en deux comme dans la réaction suivante

fission uranium

Il y a deux choses importantes dans une réaction comme celle-ci : la première c’est qu’elle émet de l’énergie, beaucoup d’énergie ! L’autre c’est qu’elle émet des neutrons. Ces neutrons sont alors disponibles pour aller canarder d’autres atomes d’uranium 235 et provoquer ce qu’on appelle une réaction en chaîne !

C’est grâce à des réactions de ce genre que l’on peut produire de l’énergie dans les centrales nucléaires, mais aussi faire des bombes atomiques.

La radioactivité et la fission peuvent sembler assez analogues, mais elle sont bien différentes. Notamment, si la désintégration radioactive est un phénomène très courant, la fission nucléaire est beaucoup plus rare. On connait des centaines d’éléments radioactifs, mais presque seulement deux qui permettent de faire de la fission : il s’agit de l’uranium 235 et du plutonium 239.

Que s’est-il passé à Oklo ?

Maintenant que nous avons en tête les mécanismes de fission, peut-on comprendre ce qui s’est passé dans le sous-sol d’Oklo ?

Le minerai d’uranium contient naturellement deux isotopes : l’uranium 238 et l’uranium 235. Seul ce dernier permet de faire de la fission, et malheureusement c’est le moins abondant : seulement 0.7202% des atomes d’uranium sont de l’uranium 235.

Mais si on imagine qu’un jour, il y a très longtemps, une réaction de fission s’est produite dans le sous-sol d’Oklo, elle aura consommé une partie de l’uranium 235 et donc diminué sa concentration. C’est l’hypothèse qui permet d’expliquer les mesures anormales obtenues à l’usine de Pierrelatte.

Cette hypothèse a pu être confirmée en analysant d’autres éléments radioactifs trouvés dans le sous-sol d’Oklo, qui correspondent exactement aux éléments produits lors de la fission de l’uranium 235. L’affaire semble donc claire : il y a bien eu une fission nucléaire naturelle dans le passé à cet endroit !

Il y a cependant un mystère supplémentaire à élucider sur l’affaire d’Oklo: il est heureusement très improbable qu’une fission se déclenche naturellement et que surtout la réaction en chaîne s’entretienne. Voyons pourquoi, et comment cela a pu se produire à Oklo.

Une réaction improbable

Dans la réaction de fission de l’uranium, nous avons vu qu’il faut envoyer un neutron au départ, et qu’on en récupère trois à la sortie. C’est cela qui permet d’entretenir la réaction en chaîne. Mais il manque une précision dans mon équation, voici ce qu’il faudrait écrire :

fission uranium neutrons

Le point clé concerne la vitesse des neutrons. Pour pouvoir être absorbé par le noyau de l’uranium 235, le neutron doit être relativement « lent », mais les 3 neutrons qui sont émis suite à la réaction sont très rapides. Pour que la réaction en chaîne ait lieu, il faut donc un ingrédient supplémentaire : un ralentisseur de neutrons (on parle de modérateur). Dans un réacteur nucléaire industriel, on utilise très souvent de l’eau.

Ce qu’ont pu déterminer les scientifiques, c’est qu’il est vraisemblable que la fission naturelle sur le site d’Oklo se soit déclenchée au moment où de l’eau inondait le gisement, permettant ainsi de ralentir les neutrons et donc de maintenir la réaction en chaîne. Ils ont également montré que le phénomène devait être cyclique : de l’eau envahit le gisement, la réaction en chaîne se déclenche, l’eau s’évapore sous l’effet de la chaleur dégagée, la réaction s’interrompt quand il n’y a plus d’eau, puis l’eau pénètre à nouveau le gisement. Grâce à la mesure de l’abondance de certains isotopes du Xenon, ils ont même pu calculer la durée des cycles : environ 3 heures.

Une production énergétique modeste

Il semble que ces réactions cycliques aient perduré à Oklo pendant quelques centaines de milliers d’années (une broutille à l’échelle géologique). Au total, ce sont seulement quelques tonnes d’uranium 235 qui ont ainsi été consommées, et la puissance dégagée était probablement de l’ordre de 100 kiloWatts. C’est une puissance tout à fait limitée, puisqu’elle correspond à seulement un dix millième de la puissance dégagée par un réacteur de centrale nucléaire : de quoi alimenter au mieux une cinquantaine de bouilloires électriques.

Pour ceux qui s’en inquiéteraient, une telle réaction ne pourrait plus se déclencher spontanément aujourd’hui. En effet il y a 2 milliards d’années, la concentration d’uranium 235 dans le minerai était de l’ordre de 3%, mais aujourd’hui à cause de la désintégration radioactive de l’uranium 235, elle n’est plus que de 0.72%. C’est un seuil insuffisant pour avoir une réaction de fission entretenue en présence d’eau. Et c’est d’ailleurs pour cela que pour faire fonctionner la plupart des centrales, on doit enrichir l’uranium, c’est-à-dire augmenter la concentration d’uranium 235.

Petite remarque scientifico-géo-politique pour finir : un des moyens d’augmenter la proportion d’uranium 235, c’est de le centrifuger car les atomes d’uranium 238 plus lourds migreront à la périphérie. C’est pourquoi on s’intéresse tant aux centrifugeuses dans les affaires de contrôle des activités nucléaires de certains pays. Détail technique : une installation nucléaire civile nécessite de l’uranium enrichi à 3%; pour faire une bombe, il faut plutôt du 80-90%. On imagine la différence !


Pour aller plus loin…

Quelques remarques en vrac pour les curieux. Tout d’abord je parle de cette réaction de fission naturelle en insistant sur le fait que c’est un phénomène exceptionnel. Il existe une autre réaction nucléaire naturelle extrêmement répandue dans la nature : la fusion. C’est elle qui fait marcher les étoiles !

Ensuite j’ai mentionné qu’essentiellement seuls l’uranium 235 et le plutonium 239 étaient fissiles. Ca n’est pas tout à fait vrai car il y a quelques cas exotiques, notamment de fission spontanée. Il existe aussi des isotopes qui pourraient marcher mais dont la demi-vie est bien trop courte. Enfin certains peuvent fissionner mais sans produire assez de neutrons qui permettent d’entretenir une réaction en chaîne. En anglais on distingue « fissile » et « fissionable », mais qui ne m’a pas l’air de recouvrir exactement les termes « fissile » et « fissible ». Enfin certains isotopes ne sont pas fissiles, mais le deviennent par absorption d’un neutron : on parle d’isotopes fertiles. C’est le principe de la filière du thorium par exemple.

Autre imprécision : j’ai montré une réaction de fission de l’uranium 235, mais il en existe des tas qui peuvent produire d’autres éléments que le Kr et le Ba !

Un truc qui m’a surpris : l’usine d’enrichissement d’uranium du Tricastin consomme à elle-seule les 2/3 de la puissance électrique produite par la centrale voisine !

Enfin détail amusant pour les fans de physique fondamentale : les mesures réalisées sur le site d’Oklo sont utilisées pour tester l’hypothèse d’une variation au cours du temps des constantes fondamentales, notamment de la constante de structure fine. Si sa valeur il y a 2 milliards d’années était différente d’aujourd’hui, cela a pu laisser une trace détectable dans la répartition des différents isotopes. Il me semble qu’à ce jour, rien de convaincant n’ait été détecté.

Crédits

27 réflexions sur “Un réacteur nucléaire dans la nature

    • J’avais compris que non, car justement la concentration en U-235 est très élevée.

      En gros pour soutenir la réaction en chaîne, il faut que la probabilité d’absorption d’un neutron émis soit suffisante, et cette probabilité dépend notamment de deux choses : la concentration en U-235 et la vitesse des neutrons.

      Donc :

      * soit on ralentit les neutrons et on peut travailler à faible concentration (et même à concentration « naturelle » si on ralentit avec de l’eau lourde),
      * soit on les ralentit pas et on doit se placer à concentration élevée, et c’est ce qu’on fait dans les bombes.

    • Nop. Le modérateur sert aussi à canaliser la réaction. Dans le cas d’une bombe A, on souhaite maximiser la réaction en chaîne. Qui plus est, il serait impossible de faire exploser un contenant mais de garder un modérateur autour 😉

      Pour vous donner un autre exemple, on suppose que Tchernobyl fut le fruit d’un modérateur défaillant (en bore, donc solide) car l’eau lourde (mélange d’eau « pure » et de deutérium) coûtait trop cher pour l’URSS.

      • Je me permets de vous contre dire sur le modérateur des RBMK (celui de Tchernobyl).

        Le bore n’est pas utilisé en tant que modérateur mais en tant qu’absorbeur de neutrons, et ce dans la grande majorité des réacteurs en service (voir tous). Avec sa grande capacité à capteur les neutron il « tue » la réaction en chaîne. Ce bore est inséré sous forme de barre dans le réacteur soit pour en réguler la puissance soit pour le stopper.
        Vous avez cependant raison : les barres de bore ont joué un rôle important dans la catastrophe de Tchernobyl.

        Dans les RBMK le modérateur est du graphite (carbone), tout comme sur la filière Graphite-Gaz française (tous ces réacteurs sont arrêtés en France, ne reste que des REP et bientôt des EPR).
        Dans la majorité des réacteurs le modérateur est de l’hydrogène (eau), et certains (très peu, ça se limite aux CANDU canadiens, une petites série anglaise et quelques autres réacteurs isolés) fonctionne avec du Deutérium (Eau Lourde).
        Le coût de l’eau lourde en URSS n’est donc pas un facteur déterminant de la catastrophe.

        A noter que certaines réacteurs fonctionnent sans modérateurs : les Réacteurs à Neutrons Rapides.

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  2. Merci pour cet article, toujours excellent.
    J’aimerai, si cela vous est possible, qu’il soit complété par une mise au point sur la fission « propre » à sels fondus (à base de Thorium ?) qui me parait d’avenir et dont on parle très peu « en haute sphère pensante ».

    • J’ai fait une petite allusion dans mon paragraphe final. L’idée est de partir du Thorium 232 et de lui faire absorber un neutron pour le transformer en Uranium 233. Ce dernier est fissile mais quasi inexistant à l’état naturel. C’est donc le principe de l’utilisation d’un isotope fertile (Th-232) pour produire le combustible fissile.

      Supposément la filière au Thorium émet moins de produits de fission radioactifs, mais je ne suis pas spécialiste : en tout cas ça me paraît inévitable d’en avoir quand même.

    • La filière Thorium n’est pas plus « propre » que la filière uranium.

      Cependant elle présentent 4 avantages :
      – la filière ne peut exister que avec des Réacteurs à Neutrons Rapide, or ces réacteurs offrent la possibilité de « incinérer » les déchets radioactifs (en les irradiants). A noter que ces réacteurs fonctionnent aussi avec la filière Uranium (cf. SuperPhénix, pour les intéressés un rapport dont je suis l’auteur fais durant mes études : https://onedrive.live.com/redir?resid=AAB68B134834A06F!234&authkey=!AFAVx3_aq_Sq9oA&ithint=file%2c.pdf ).
      – le Thorium est plus abondant que l’Uranium sur terre (y compris en France (Bretagne))
      – il n’est pas possible de faire une bombe nucléaire avec la technologie thorium : pas de 235U ni de 239Pu.
      – l’élément fissible est l’Uranium 233 qui est très facilement détectable et de loin (entre autre parce que absent dans la nature) ce qui rends le contrôle de la prolifération très aisée.

  3. Petite précision : pour l’électro-nucléaire civil, les taux d’enrichissement vont de 0,7 % (uranium naturel, utilisé dans les réacteurs UNGG) à plus de 5 %. Par contre, il existe d’autres activités civiles, comme la fabrication de certains isotopes pour des besoins radiopharmaceutiques, qui nécessitent des enrichissements nettement supérieurs (plus de 20 %).

  4. Même question que François Gelineau : que se passe t’il dans une bombe nucléaire à fission ? Les neutrons rapides doivent-ils également être ralentis ?

    • Si j’ai bien compris, dans ce cas et vu la concentration d’ U235, le modérateur c’est l’ U235 lui même !
      Le neutron rapide, à force de traverser les noyaux sans être assimilé fini tout de même par ralentir et rencontrer un énième atome d’ U235 avec la bonne vitesse.
      Corrigez moi si je dit une connerie …

  5. Exposé basique extrêmement pédagogique . Bravo !…
    A propos de la centrale du Tricastin les 4 réacteurs nucléaires installés produisent parait-il autant que toutes les centrales hydroélectriques du Rhône en aval de Génissiat. Quand l’usine d’enrichissement de l’uranium voisine utilisait la diffusion gazeuse elle consommait à pleine puissance la quasi totalité de l’énergie de la centrale.

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    • Fission spontanée : peu probable donc incapable de donner une véritable réaction nucléaire constante et productrice d’énergie, mais assez fréquente pour servir d’allumage !

    • Exact, et c’est pour cela que la date de début de réaction en chaine significative est enregistrée. On appelle cela la date de première divergence d’un réacteur. C’est son premier démarrage de puissance.

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  13. Très instructives vos explications. Ça m’a vraiment fait du bien. Quand j’étudiais à Franceville, j’avais fait un tour non loin de cet endroit et on m’en avait parlé.
    Quand même assez impressionnant.

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