Les réacteurs nucléaires naturels d'OKLO   (fiche n° 15)

« Il y a un milliard sept cents millions d’années, une partie de ce qui est maintenant la carrière d’uranium d’Oklo en République Gabonaise était spontanément le siège des mêmes réactions nucléaires en chaîne, auto-entretenues qui, de nos jours, sont produites dans les piles atomiques construites de main d’homme.

Cette conclusion s’est imposée après plusieurs semaines d’études aux ingénieurs du Commissariat à l’Énergie Atomique qui recherchaient l’origine d’anomalies de teneurs en isotope 235 (l’isotope fissile de l’uranium) observées dans quelques lots de minerais provenant du Gabon. »¹

Il est à noter que la possibilité théorique d’un tel phénomène avait été indiquée en 1956, par un chercheur américain mais à ce jour, aucune des recherches faites sur la composition isotopique de l’uranium naturel, n’avait abouti à déceler de variations importantes

1. LA DECOUVERTE                     

Tout à commencé en Juin 1972, lors d'une analyse de routine, par l'observation d'une très légère anomalie isotopique de l'uranium dans des échantillons d'oxyde d'uranium (UO₂) provenant du Gabon et devant être enrichis au centre de Pierrelatte.

Il avait été trouvé une teneur de 0,7171 % pour l’isotope ²³⁵U alors que sa teneur normale aujourd'hui est de 0,7202 %. La différence est faible mais significative. Des contrôles indiquèrent qu'il n'y avait pas eu d'erreur de mesure. En remontant la piste de ce minerai anormal on arriva à la mine d'Oklo et plus précisément à l'extrémité nord de celle-ci. On trouvera même un prélèvement sur une carotte provenant d'un forage où la teneur était aussi faible que 0,440 %.

Or appauvrir en ²³⁵U un minerai d'uranium naturel, par des procédés physiques, n'est pas plus facile que de l'enrichir et tout le monde sait bien les importantes usines qu'il faut pour produire de l'uranium enrichi en quantité significative.

Reste une voie possible, même si cela parait osé : la voix nucléaire. Encore faut-il parvenir à démontrer cette hypothèse. Les faits étant tellement anciens, tous les produits de fission ont disparu, ils se sont transformés en produits stables ; ce n'est que par l'analyse isotopique de ces derniers que l'on peut remonter à l'origine des différents isotopes d'un même corps, n'ayant pas les mêmes parents.

L'origine des anomalies a pu être déterminée sans aucun doute, car on obtenait pour un certain nombre d'éléments des rapports isotopiques caractéristiques de la fission. Seules des réactions nucléaires en chaînes au sein du gisement pouvaient les expliquer. Plus tard, on devait trouver dans une partie du gisement non exploitée des zones à haute teneur en uranium qui avaient été le siège de fissions en très bon état de conservation ². De nombreux éléments issus des réactions étaient restés en place et dans des distributions représentatives, ce qui pouvait permettre une étude minutieuse des phénomènes. Pour cela des coupes très fines, comme sur un chantier archéologique, ont été pratiquées et des milliers d'analyses isotopiques ont été effectuées sur des prélèvements de celles-ci.

Il a pu être déterminé, sans aucun doute possible, qu'il y a 2 milliards d'années de nombreux réacteurs nucléaires spontanés ont fonctionné durant plus de 400000 ans sur le site d'OKLO.

2. FONCTIONNEMENT DES REACTIONS NUCLEAIRES                     

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.

3. ENSEIGNEMENTS POUR UN STOCKAGE                     

Un milieu ouvert, en perpétuelle modification, ne peut constituer un modèle de site de stockage des déchets radioactifs, de ce point de vue Oklo n'est pas une référence ; en revanche, il est une source d'information extraordinaire sur le comportement des éléments issus des réactions nucléaires en milieu naturel sur de très longues durées.

Que trouve-t-on à Oklo à ce sujet ? Dans l'uraninite restante il a été découvert des agrégats métalliques contenant du ruthénium, du rhodium, du palladium, du plomb ainsi que des inclusions à tellure, bismuth, arsenic et soufre. Ces deux types d'agrégats ressemblent à ceux observés dans les combustibles irradiés. Leur ségrégation date des réactions nucléaires et, malgré des conditions peu favorables, ils sont toujours présents.
On retrouve à Oklo des traces de radiolyse de l'eau : on a observé de l'oxygène et de l'hydrogène libres dans des inclusions fluides de cristaux de quartz en bordure du cœur du réacteur 10. Toutefois le cœur des réacteurs est resté pauvre en oxygène comme en témoigne l'abondance du plomb métallique, de la galène et de la coffinite (un silicate d'uranium). Cet environnement réducteur a subsisté parce que de la matière organique était abondante dans le gisement. Ce rôle de prévention pourrait favoriser le choix d'un milieu argileux, où se rencontre généralement une petite proportion de matériaux organiques.

Les argiles qui entourent les réacteurs d'Oklo sont parsemées de grains de quartz corrodés puisque résultant de la désilicification des grès d'origine. On y a observé, en bordure du réacteur 10, un enrichissement en uranium 235. Une partie des éléments radioactifs a été lessivée par les solutions chaudes du foyer et entraînée vers les argiles. Là, les minéraux en cours de cristallisation ont incorporé à leur réseau le plutonium 239 précurseur de l'uranium 235.

L'analyse des réacteurs Gabonais montre que la libération des éléments radioactifs du combustible usé résulterait plus d'une dissolution de surface que d'une transformation en masse, ce qui est favorable pour la sûreté.

A Oklo, l'uraninite s'est peu modifiée depuis l'arrêt des réacteurs, l'uranium s'est lentement désintégré en donnant du plomb alors que les descendants des éléments transuraniens demeuraient dans le réseau. Les minéraux argileux entourant les foyers ont adsorbé l'uranium migrant, malgré de faibles qualités d'adsorption, bien inférieures à celles des argiles prévues pour les sites de stockages. En outre F. Gauthier-Lafaye a signalé la présence d'apatites (minéraux phosphatés) contemporaines des réactions nucléaires. On y retrouve des inclusions solides d'uraninite enrichie en produits de fission; leur composition isotopique montre qu'elles avaient incorporé du plutonium. Cette incorporation est contemporaine des réactions et la rétention a été durable. Oklo nous dit que si nous savons utiliser les informations qu'il nous donne, l'enfouissement des déchets apparaît comme l'une des solutions les plus sûres... C'est normal : c'est la plus naturelle puisque déjà employée il y a 2 milliards d'années et elle remplit encore ses fonctions aujourd'hui.

4. CONCLUSION                     

Le 25 septembre 1972, l'Administrateur du CEA, André Giraud, rompt le secret qui entourait les premières analyses et annonce qu'un réacteur nucléaire vieux de 2 milliards d'années a été découvert au GABON, sur le site de la mine d'uranium d'OKLO.

Les travaux effectuées par le CEA ont été poursuivis, dans le cadre de la Communauté Européenne, dans une deuxième phase d'études, avec la coopération de six partenaires : les agences de gestion des déchets de Suède, d'Espagne et l'ANDRA ainsi que le CNRS et deux universités espagnoles. Ayant débuté en 1991 elles se sont poursuivies jusqu'en 1999 alors qu'en fin 1997 la société minière a fermé le site qui a été de nouveau envahi par les eaux.

Au-delà des enseignements précieux sur le comportement à long terme d'un site de stockage géologique de déchets, OKLO a fait la démonstration, s'il en était encore besoin, que le recours à la fission nucléaire était un moyen parfaitement naturel pour produire de l'énergie.