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Réacteur nucléaire naturel d'Oklo
Localisation du Gabon
Localisation du Gabon
Structure géologique du site
Structure géologique du site

Le réacteur nucléaire naturel d'Oklo, près de la ville de Franceville dans la province de Haut-Ogooué au Gabon, est un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature,...) naturel aujourd'hui éteint, découvert dans la mine d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou l'arsenic, quatre fois...) d'Oklo exploitée par la Cogema (Areva NC, précédemment Cogema[1] (Compagnie générale des matières nucléaires, jusqu'au 1er mars 2006), créée en 1976, est une entreprise française, filiale à 100 % du groupe public Areva, spécialisée dans les activités...).

Histoire

Le Gabon était une colonie Française quand des analyses de routine du CEA (ou plutôt de son bras industriel qui devint plus tard la Cogema) sont effectuées. Elles découvrent de l'uranium dans cette région en 1956. La France ouvre immédiatement des mines, gérées par la Comuf (Compagnie des Mines d'Uranium de Franceville) près du village (Un village est, à la campagne ou à la montagne, un ensemble d'habitations, de bâtiments à usages divers, de fermes... de proportion modérée (quelque dizaines de bâtiments)) de Mounana pour exploiter les ressources. Après l'indépendance, en 1960, l'État du Gabon reçoit une petite partie des bénéfices de la compagnie.

Pendant 40 ans, la France mine de l'uranium dans cette partie du Gabon. Une fois extrait, l'uranium est utilisé en France et en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire...). Les mineurs du Gabon revendiquent ironiquement que sans eux, le TGV (Le TGV est une rame automotrice électrique d'origine française apte à circuler à des vitesses supérieures à 320 km/h en exploitation, mise au point par la SNCF et construite par la division...) n'aurait pu exister. Aujourd'hui, la mine d'uranium est épuisée et n'est plus exploitée.

Minerai d'uranium
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 (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) d'hexafluorure d'uranium (UF6) provenant de la mine d'Oklo mettent en évidence un manque anormal d'uranium-235 (235U). La proportion normale de 235U est de 0.7202%, alors que les échantillons ne présentent que 0.7171%. Comme les quantités d'isotopes fissiles sont cataloguées précisément, cette différence devait être expliquée ; aussi, une enquête est lancée par le 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 235 dans certains échantillons de minerais baisse jusqu'à 0.440%.

Plusieurs hypothèses sont envisagées pour expliquer cette faible teneur en 235U, mais la découverte de trace (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du premier pilier de...) de produits de fission accrédita la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à...) d'un réacteur (Un réacteur peut désigner :) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) spontané.

Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...)

Un réacteur nucléaire naturel est un dépôt d'uranium où les analyses montrent des symptômes de réaction de fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire se...) en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) auto-entretenue. Le phénomène est découvert en 1972 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) français Francis Perrin. Les conditions dans lesquelles une réaction auto-entretenue naturelle peut survenir avaient été décrites en 1956 par Paul Kuroda, à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) 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 1,5 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent...) d'années.

Signature isotopique des produits de fission

Néodyme

Le Néodyme trouvé à Oklo a une composition isotopique différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la...) de celle du Nd trouvé ailleurs sur Terre : le Nd typique contient 27% de 142Nd ; celui de Oklo en contient moins de 6%, et contient davantage de 143Nd. La composition correspond à celle du produit de la fission du 235U.

Ruthénium

Le ruthénium trouvé à Oklo présente une forte concentration de 99Ru (27-30%, contre 12.7% typiquement). Ce surplus peut s'expliquer par la désintégration du 99Tc en 99Ru.

Fonctionnement des réacteurs

Un réacteur nucléaire naturel se forme lorsqu'un dépôt de minerai riche en uranium est inondé par de l'eau : l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) agit comme modérateur de neutrons et démarre une réaction en chaîne de fission nucléaire. Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure que la réaction s'intensifie, l'eau s'évapore et s'échappe, ce qui ralentit la réaction, ce qui empêche un emballement du réacteur. 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 (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à décharge, il émet une...), 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 ; d'après les concentrations, la période devait être de deux heures (L'heure est une unité de mesure  :) et demie environ.

On estime que l'enrichissement secondaire de l'uranium a consommé dans les six tonnes de 235U, et produit de températures de plusieurs centaines de degrés. Les produits de fission non volatiles n'ont bougé que de quelques centimètres en 1,5 milliard d'années, ce qui donne un cas d'école de la migration des isotopes radioactifs dans la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les...), avec des applications dans le stockage en profondeur de déchets de l'industrie nucléaire (L’industrie nucléaire comprend l'ensemble des procédés de transformation et des acteurs économiques qui utilisent les propriétés du noyau atomique. Dans le domaine civil, l'industrie nucléaire...).

L'un des facteurs qui ont permis l'amorce de la réaction est que quand le dépôt a atteint la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) critique, l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre...) fissile 235U constituait environ 3% de l'uranium naturel, une valeur proche de celle de l'uranium enrichi utilisé dans les réacteurs nucléaires actuels. Comme l'uranium 235 a une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier, la demi-vie est le temps...) radioactive inférieure à celle du U-238, son abondance actuelle est d'environ 0,7 % : un réacteur nucléaire naturel comme celui d'Oklo n'est plus possible actuellement.

Un autre facteur est que l'uranium n'est soluble dans l'eau qu'en présence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). La teneur en oxygène de plus en plus importante de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...) explique pourquoi la réaction a démarré il y a environ 2 milliards d'années, et pas avant, quand les concentrations de 235U étaient encore plus élevées. Quand l'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. D'autres phénomènes géologiques ont pu contribuer à élever la concentration de l'uranium.

Le réacteur naturel d'Oklo est aussi utilisé pour mesurer la constante de structure fine (La constante de structure fine, représentée par la lettre grecque α, est une constante fondamentale qui régit la force électromagnétique assurant la cohérence des atomes et des...) α à différentes époques, et vérifier si elle change au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), comme il a été suggéré récemment. En 1976, Alex Shlyakhter a proposé de mesurer les abondances du 149Sm pour estimer la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de...) de la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa satellisation...) de neutrons par cet isotope à l'époque d'Oklo et la comparer à la valeur actuelle.

Applications industrielles

Le stockage de déchets radioactifs en profondeur consiste à conditionner des déchets radioactifs dans des conteneurs scellés et à le déposer dans des chambres excavées dans des couches géologiquement stables, à 500 ou 1 000 mètres de profondeur.

Le site d'Oklo illustre la capacité des couches géologiques à isoler les matières radioactives : pendant leur fonctionnement, les réacteurs naturels ont produit 5,4 tonnes de produits de fission, 1,5 tonnes de plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le...) 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 gouvernement des Etats-Unis cite Oklo dans son enquête sur la possibilité d'ouvrir un site de stockage à Yucca Mountain :

"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"
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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