Des réacteurs nucléaires naturels

Il y a 2 milliards d’années, le taux d’uranium 235 présent dans l’uranium naturel était de 3,6 %, donc beaucoup plus important qu’aujourd’hui (0,7 %) du fait que la période (demi-vie) de l’isotope 235 (710 millions d’années) est plus courte que celle de l’isotope 238 (4,5 milliards d’années). Par conséquent, l’uranium naturel pouvait alors déclencher la réaction en chaine dans la nature.

Aussi extraordinaire que cela puisse paraître, les conditions nécessaires pour atteindre la criticité (enrichissement ad hoc, forte concentration de l’uranium dans le minerai, présence d’eau en quantité suffisante, absence d’éléments trop absorbants) furent effectivement réunies il y a 1950 millions d’années sur le site d’Oklo au Gabon, où plusieurs réacteurs naturels ont pu fonctionner spontanément durant plusieurs milliers d’années en dégageant de la chaleur (quelques dizaines de kilowatts) par fission comme le font aujourd’hui les centrales nucléaires conçues par l’homme !

Pour que des réacteurs à fission contrôlée (réaction du type de celle utilisée dans le parc électronucléaire français) puissent fonctionner il faut réunir les conditions suivantes :

• un combustible suffisamment riche en 235U,
• une masse critique suffisante dans une configuration adaptée,
• un modérateur efficace,
• un système de régulation extrêmement complexe.

Le déroulement des réactions en chaîne nécessite d’une part qu’il y ait suffisamment de fissions spontanées produisant un grand nombre de neutrons et d’autre part que ces derniers puissent réagir avec d’autres noyaux fissiles. A Oklo :

• La première condition était assurée grâce au taux de 235U qui était naturellement, à cette époque, de 3,44%. Ce taux est très proche de celui qui est utilisé dans nos centrales électronucléaires.
• La seconde est réalisée par la présence d’une masse d’uranium suffisante dans certaines zones du gisement où des teneurs supérieures à 10% sont fréquentes.
• Enfin il fallait un modérateur, soit de l’eau, soit des matières organiques. Les deux ont été présentes, principalement l’eau qui a pu être abondante quand les mouvements de remontée du bassin ont ouvert les failles existantes et en ont créé de nouvelles.

Pour comprendre la genèse et le fonctionnement de ces réacteurs, il faut retourner aux conditions géologiques de leur formation. Le minerai d’uranium se trouve dans une épaisse série sédimentaire formée de grès et de pélites (argiles grossières). L’oxyde d’uranium était originellement dispersé dans une couche de grès grossiers entre 3500 et 5000 mètres de profondeur, la teneur en uranium pouvant dans certaines zones dépasser 10 %. Des mouvements tectoniques vont remonter l’ensemble du bassin sédimentaire, et y créer de nombreuses failles.

La proportion en isotopes 235 et 238 de l’uranium est une donnée physique, si l’âge estimé du gisement est le bon, car les deux sont liés. Les réactions ont démarré dans des amas qui, aujourd’hui, ont la forme de galettes très irrégulières dont l’épaisseur n’est que de quelques décimètres mais qui, dans les autres dimensions, peuvent dépasser les vingt mètres. Les géologues se sont longuement interrogés sur l’origine des lentilles argileuses très chargées en uranium dans lesquelles les réactions s’étaient développées. Ils ont fini par comprendre que ce n’était pas du tout l’état primitif du minerai ; au départ celui-ci était constitué par des grès avec des teneurs exceptionnelles. Les mouvements de convections créés par les courants de chaleur ont dissous tous les quartz, ne laissant subsister que le ciment argileux, d’où la formation ces lentilles très riches.

Bien que de faible ampleur à l’échelle du gisement, ce fut un phénomène important qui dégagea autant d’énergie qu’une centrale de 1000 MWe pendant 10 ans mais, ici, beaucoup plus lentement, de l’ordre du demi million d’années. Cette énergie chauffa l’eau qui, devenue agressive, a dissous les quartz des grès encaissant, permettant dans un premier temps la venue d’un plus grand volume d’eau pour une meilleure modération, suivie d’un effondrement des épontes qui en chassant l’eau arrêtait les réactions.

Les études ont montré qu’il y avait eu pendant les réactions de très grandes quantités d’eau, ce qui a nécessité une porosité de 30 à 40 %. Or, même en faisant appel à des réactions tectoniques, de tels chiffres paraissent difficiles à admettre. Ils s’expliquent en revanche s’il s’agissait de matériaux venant de perdre une partie de leur substance.

Pour qu’il y ait réaction entretenue, il faut qu’il y ait des mécanismes de stabilisation et des mécanismes de compensation à long terme qui permettent aux réactions de se poursuivre malgré les modifications irréversibles du milieu ; cela peut paraître invraisemblable, c’est toutefois assez simple.

Le minerai contenait des poisons neutroniques tel que le gadolinium et surtout du bore. Au départ, la criticité a été réalisée malgré ces captures importantes mais, les poisons se détruisant plus vite que l’uranium, la réactivité commençait par croître et les réactions se seraient emballées si un autre mécanisme n’était intervenu : c’est le grand dégagement de chaleur qui abaisse la densité de l’eau. Le flux de neutrons se trouvait stabilisé à un niveau qui, compte tenu des conditions d’évacuation de la chaleur, conduisait à des températures assurant la criticité. Ce schéma général doit être adapté aux conditions locales de fonctionnement de chaque zone de réaction.
Un point important concernant Oklo comme analogue d’un site de stockage est la température régnant dans le site à l’époque du fonctionnement des réacteurs.

En cristallisant, les minéraux peuvent piéger un peu du liquide qui les baigne. Dans les conditions normales, beaucoup de ces inclusions sont diphasiques. La température d’homogénéisation révèle la température minimale à la fermeture de l’inclusion. Sur les bordures gréseuses des réacteurs on a trouvé des filons de quartz qui avaient piégé des fluides à plus de 370°C. Dans le cœur du réacteur, il devait sûrement régner une température bien supérieure.

Sources :
http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/OkloGabon.htm
http://www.energethique.com/notions/oklo.htm
http://www.ecolo.org/documents/documents_in_french/oklo_reacteur_naturel.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_nucl%C3%A9aire_naturel_d%27Oklo

Des réacteurs nucléaires naturels a été publié le : jeudi 15 juillet 2010 par JP4U

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