Réacteur à fission nucléaire naturelle - Natural nuclear fission reactor

Situation géologique au Gabon conduisant à des réacteurs à fission nucléaire naturelle
  1. Zones de réacteurs nucléaires
  2. Grès
  3. Couche de minerai d'uranium
  4. Granit

Un réacteur à fission nucléaire naturel fossile est un gisement d' uranium où se sont produites des réactions nucléaires en chaîne autonomes . Ceci peut être examiné par l'analyse des rapports isotopiques . Les conditions dans lesquelles un réacteur nucléaire naturel pourrait exister avaient été prédites en 1956 par Paul Kazuo Kuroda . Le phénomène a été découvert en 1972 à Oklo , Gabon par le français physicien Francis Perrin dans des conditions très similaires à ce qui était prévu.

Oklo est le seul endroit connu pour cela dans le monde et se compose de 16 sites avec des parcelles de couches de minerai centimétriques. Ici, on pense que les réactions de fission nucléaire auto-entretenues ont eu lieu il y a environ 1,7 milliard d' années et ont duré quelques centaines de milliers d'années, avec une moyenne probablement inférieure à 100 kW de puissance thermique pendant cette période.

Histoire

En mai 1972, sur le site d'enrichissement d'uranium du Tricastin à Pierrelatte en France, une spectrométrie de masse de routine comparant des échantillons d' UF 6 de la mine d'Oklo , située au Gabon , a montré un écart dans la quantité de235
U
isotope. Normalement, la concentration est de 0,72 % alors que ces échantillons n'avaient que 0,60 %, une différence significative. Cet écart nécessitait une explication, car toutes les installations civiles de manutention d'uranium doivent méticuleusement comptabiliser tous les isotopes fissiles pour s'assurer qu'aucun n'est détourné vers la construction d' armes nucléaires . C'est ainsi que le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) a ouvert une enquête. Une série de mesures des abondances relatives des deux isotopes les plus significatifs de l'uranium extrait à Oklo a montré des résultats anormaux par rapport à ceux obtenus pour l'uranium d'autres mines. Des investigations plus poussées sur ce gisement d'uranium ont permis de découvrir du minerai d'uranium avec un235
U
concentration aussi faible que 0,44%. L'examen ultérieur des isotopes des produits de fission tels que le néodyme et le ruthénium a également montré des anomalies, comme décrit plus en détail ci-dessous.

Cette perte en 235
U
c'est exactement ce qui se passe dans un réacteur nucléaire. Une explication possible était que le minerai d'uranium avait fonctionné comme un réacteur à fission naturelle. D'autres observations ont conduit à la même conclusion, et le 25 septembre 1972, le CEA a annoncé sa découverte que des réactions nucléaires en chaîne auto-entretenues s'étaient produites sur Terre il y a environ 2 milliards d'années. Plus tard, d'autres réacteurs à fission nucléaire naturelle ont été découverts dans la région.

Signatures isotopiques des produits de fission

Signatures isotopiques du néodyme naturel et produit de fission néodyme de 235
U
 qui avait été soumis à des neutrons thermiques.

Néodyme

Le néodyme et d'autres éléments ont été trouvés avec des compositions isotopiques différentes de ce que l'on trouve habituellement sur Terre. Par exemple, Oklo contenait moins de 6 % des142
nd
isotope alors que le néodyme naturel en contient 27% ; cependant Oklo contenait plus de143
nd
isotope. En soustrayant l'abondance isotopique naturelle de Nd de l'Oklo-Nd, la composition isotopique correspond à celle produite par la fission de235
U
.

Ruthénium

Signatures isotopiques du ruthénium naturel et produit de fission ruthénium de 235
U
qui avait été soumis à des neutrons thermiques. Les100
Mo
 (un double émetteur bêta à longue durée de vie) n'a pas eu le temps de se désintégrer 100
Ru
 au fil du temps depuis que les réacteurs ont cessé de fonctionner.

Des recherches similaires sur les rapports isotopiques du ruthénium à Oklo ont trouvé un99
Ru
concentration qu'autrement naturellement (27-30 % contre 12,7 %). Cette anomalie pourrait s'expliquer par la dégradation de99
Tc
 à 99
Ru
. Dans le diagramme à barres, la signature isotopique naturelle normale du ruthénium est comparée à celle du produit de fission ruthénium qui est le résultat de la fission de235
U
avec des neutrons thermiques. Il est clair que le ruthénium de fission a une signature isotopique différente. Le niveau de100
Ru
dans le mélange de produits de fission est faible en raison d'un isotope à longue durée de vie (demi-vie = 10 19 ans) du molybdène . Sur l'échelle de temps de fonctionnement des réacteurs, très peu de décroissance100
Ru
 aura eu lieu.

Mécanisme

Le réacteur nucléaire naturel s'est formé lorsqu'un gisement minéral riche en uranium a été inondé d' eaux souterraines , qui pourraient agir comme modérateur des neutrons produits par la fission nucléaire. Une réaction en chaîne s'est produite, produisant de la chaleur qui a fait bouillir les eaux souterraines; sans un modérateur qui pourrait ralentir les neutrons, cependant, la réaction a ralenti ou s'est arrêtée. Après refroidissement du dépôt minéral, l'eau est revenue, et la réaction a redémarré, réalisant un cycle complet toutes les 3 heures. Les cycles de réaction de fission se sont poursuivis pendant des centaines de milliers d'années et se sont terminés lorsque les matières fissiles de plus en plus réduites ne pouvaient plus supporter une réaction en chaîne.

La fission de l'uranium produit normalement cinq isotopes connus du xénon, gaz produit de fission ; tous les cinq ont été retrouvés piégés dans les vestiges du réacteur naturel, à des concentrations variables. Les concentrations d'isotopes du xénon, retrouvés piégés dans les formations minérales 2 milliards d'années plus tard, permettent de calculer les intervalles de temps spécifiques de fonctionnement du réacteur : environ 30 minutes de criticité suivies de 2 heures et 30 minutes de refroidissement pour compléter un cycle de 3 heures cycle.

Un facteur clé qui a rendu la réaction possible était qu'au moment où le réacteur est devenu critique il y a 1,7 milliard d'années, l' isotope fissile235
U
composé d'environ 3,1 % de l'uranium naturel, ce qui est comparable à la quantité utilisée dans certains réacteurs d'aujourd'hui. (Les 96,9 % restants étaient non fissiles238
U
.) Parce que 235
U
a une demi-vie plus courte que238
U
, et donc décroît plus rapidement, l'abondance actuelle de 235
U
dans l'uranium naturel est d'environ 0,70-0,72 %. Un réacteur nucléaire naturel n'est donc plus possible sur Terre sans eau lourde ni graphite .

Les gisements de minerai d'uranium d'Oklo sont les seuls sites connus où existaient des réacteurs nucléaires naturels. D'autres gisements riches en uranium auraient également eu suffisamment d'uranium pour soutenir les réactions nucléaires à cette époque, mais la combinaison d'uranium, d'eau et de conditions physiques nécessaires pour soutenir la réaction en chaîne était unique, pour autant que l'on sache actuellement, aux gisements d'Oklo. .

Un autre facteur qui a probablement contribué au démarrage du réacteur nucléaire naturel d'Oklo à 2 milliards d'années, plutôt qu'avant, était l' augmentation de la teneur en oxygène dans l'atmosphère terrestre . L'uranium est naturellement présent dans les roches de la terre, et l'abondance des matières fissiles235
U
était d'au moins 3 % ou plus en tout temps avant le démarrage du réacteur. L'uranium n'est soluble dans l'eau qu'en présence d' oxygène . Par conséquent, l'augmentation des niveaux d'oxygène au cours du vieillissement de la Terre peut avoir permis à l'uranium d'être dissous et transporté avec les eaux souterraines vers des endroits où une concentration suffisamment élevée pourrait s'accumuler pour former de riches gisements de minerai d'uranium. Sans le nouvel environnement aérobie disponible sur Terre à l'époque, ces concentrations n'auraient probablement pas pu avoir lieu.

On estime que les réactions nucléaires dans l'uranium dans des veines centimétriques à métriques ont consommé environ cinq tonnes de 235
U
et des températures élevées à quelques centaines de degrés Celsius. La plupart des produits de fission non volatils et des actinides ne se sont déplacés que de quelques centimètres dans les veines au cours des 2 derniers milliards d'années. Des études ont suggéré qu'il s'agissait d'un analogue naturel utile pour l'élimination des déchets nucléaires.

Relation avec la constante de structure fine atomique

Le réacteur naturel d'Oklo a été utilisé pour vérifier si la constante de structure fine atomique aurait pu changer au cours des 2 derniers milliards d'années. C'est parce que α influence le taux de diverses réactions nucléaires. Par exemple,149
SM
 capture un neutron pour devenir 150
SM
, et puisque le taux de capture des neutrons dépend de la valeur de , le rapport des deux isotopes du samarium dans les échantillons d'Oklo peut être utilisé pour calculer la valeur de il y a 2 milliards d'années.

Plusieurs études ont analysé les concentrations relatives d'isotopes radioactifs laissés à Oklo, et la plupart ont conclu que les réactions nucléaires étaient alors sensiblement les mêmes qu'aujourd'hui, ce qui implique que était également le même.

Voir également

Les références

Liens externes