par Alain Préat - Version abrégée dans SPS n° 312

Nos premiers réacteurs nucléaires datent des années 1950… et suivent de près de 2 milliards d’années les 17 « réacteurs » naturels qui ont fonctionné de manière stable pendant 100 000 à 500 000 ans sur une période d’environ un million d’années. Ils produisirent de l’énergie avec des rendements modestes (100 kilowatts en moyenne par réacteur, bien inférieurs aux réacteurs actuels produisant 1 à 1,5 gigawatt, soit au moins 1 000 fois plus). Ces réacteurs se sont formés entre 12 et 250 m de profondeur dans les couches gréseuses du Paléoprotérozoïque 1 du bassin sédimentaire de Franceville au sud du Gabon à Oklo (16 réacteurs) et à 30 km au SE d’Oklo à Bangombé (un seul réacteur) suite à une série de processus géologiques aléatoires qui ont mené à un enrichissement de l’uranium. La taille de ces réacteurs est variable, le plus grand, situé à 18 m de profondeur, formant une lentille épaisse de 20 à 50 cm sur 12 m de longueur. Leur « cœur » consistait en une couche de 5 à 20 cm d’épaisseur d’uraninite (40 à 60% d’UO 2 ) emballée dans des argiles d’altération formées à 400° C suite à la fission nucléaire. Les produits radioactifs (plutonium, thorium, plomb…) sont pour la plupart restés à proximité des réacteurs depuis 2 milliards d’années, sans causer de dommages particuliers (l’encaissant n’a été affecté que sur quelques centimètres à quelques mètres), ce qui montrerait que le stockage géologique des déchets radioactifs est possible sur de longues périodes de temps.

Les conditions de fonctionnement de ces réacteurs naturels étaient semblables aux actuels basés sur la production des neutrons rapides. Ces derniers sont ralentis par un modérateur (eau ou graphite) et un agent refroidissant (eau) permettant l’entretien de la réaction de fission de l’235U, un des trois isotopes 2 uranifères présents sur la Terre (0,720 % de l’uranium naturel) avec l’238U (99,275 %) et l’234U (0,005%). L’235U étant peu abondant par rapport à l’isotope 238U doit donc être artificiellement enrichi (3 à 4 %) afin d’être utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires actuelles. La réaction peut être spontanément initiée par l’238U. La réaction de fission en chaîne nécessite également des absorbeurs de neutrons (cadmium, iridium, carbure de bore) sous forme de barres mises en contact avec le combustible (il s’agit de barres de contrôle permettant de museler la réaction en chaîne). Il y a 2 milliards d’années le taux d’235U présent dans l’uranium naturel avec l’238U était beaucoup plus important qu’aujourd’hui car la vitesse de désintégration de l’235U est six fois plus rapide que celle de l’238U, l’uranium naturel pouvait ainsi être à la base d’une réaction en chaîne spontanée. Finalement il faut quatre conditions pour qu’un réacteur naturel puisse exister : (i) une couche sédimentaire suffisamment épaisse (quelques décimètres) permettant à l’238U d’initier la réaction, (ii) suffisamment d’235U pour entretenir la fission, (iii) un élément modérateur ralentissant les neutrons produits et (iv) une absence d’éléments trop absorbeurs de neutrons qui arrêteraient la réaction de fission.

1. Zones des réacteurs naturels 2. Grès

3. Niveau uranifère 4. Socle granitique

(Messer Woland Wikipedia)

Comment toutes ces conditions furent-elles réunies à Oklo il y a 2 milliards d’années ? À la formation de la Terre (4,57 Ga)1, l’235U était plus abondant (30 %) et suite à la désintégration radioactive, son abondance passa à 3,6 % au Paléoprotérozoïque (2,0 Ga), suffisante pour engendrer une fission nucléaire auto-entretenue à condition que cet uranium soit assez concentré, qu’il y ait une substance modératrice probablement l’eau et qu’il n’y ait pas d’autres absorbeurs de neutrons à proximité. En 1972 le BRGM 3 était à la recherche d’uranium pour les centrales françaises. Il découvrit au Gabon un minerai anormalement appauvri en 235U, avec une valeur de 0,717% – parfois encore plus faible dans certains échantillons – au lieu de 0,720% qui est la teneur naturelle de cet isotope. Cette différence qui paraît minime est en fait considérable et est liée à une consommation d’235U dans les réacteurs nucléaires naturels. L’235U n’a pu se concentrer plus tôt (c’est à dire entre 4 et 2 Ga) à cause du manque d’oxygène, les conditions réductrices qui régnaient à cette époque empêchant la mobilité de l’uranium. L’oxygène apparu vers 2,4 Ga1 avec le développement des cyanobactéries et de la photosynthèse provoqua l’oxydation de la plupart des minéraux. C’est ce qui se passa à Oklo, dans la partie supérieure d’une couche d’un grès marin qui contenait de faibles quantités de minéraux uranifères (monazite, thorite, uraninite). Ce grès était localement affecté d’un réseau dense de fractures perméables qui fut infiltré latéralement et verticalement d’eaux oxydantes (très salines avec des températures de 100-170° C et des pressions de 800-1200 bars), qui provoquèrent la dissolution des minéraux ; ces eaux s’acidifièrent, et l’uranium étant plus facilement mobilisable dans ces conditions fut concentré (entre 20 et 60 %) et précipité à proximité, dans la couche de grès sous forme de phosphates et silicates à des températures de 400° C. La fission nucléaire démarra dès que la concentration en uranium atteignit 10 %. Ainsi deux des quatre conditions étaient réunies : (i) concentration suffisante d’uranium naturel et (ii) avec également suffisamment d’235U. Les deux autres conditions furent aussi réunies : (iii) l’hydrogène de l’eau qui percolait en continu dans le grès perméable joua un rôle de modérateur de neutrons, de même que les argiles et (iv) il n’y avait pas d’absorbeur important (par exemple le chlore) qui aurait pu arrêter la réaction de fission.

Photo de J.P. Prian (BRGM)

Aujourd’hui tout l’uranium ayant été exploité (28 000 tonnes ont été extraites de 1961 à 1999) il ne reste plus rien de ces anciens réacteurs, leur encaissant ayant été inondé et étant donc inaccessible. D’autres accumulations d’uranium étaient également présentes régionalement mais la convergence de toutes les conditions requises n’a pas permis la mise en route de réacteurs naturels supplémentaires. De tels réacteurs naturels ne peuvent plus se former aujourd’hui – et ce depuis ceux de Oklo – la teneur en 235U étant devenue trop faible. De même aucune bombe atomique à l’uranium n’a jamais pu se former naturellement depuis la formation de la Terre, l’isotope 235U n’étant jamais assez concentré (il faut au minimum 60 %, idéalement plus de 90 % de cet isotope, rappelons que sa concentration naturelle est de 0,720%), de plus il n’était pas mobilisable avant 2,4 à 2,2 Ga.