Introduction
En mai 1972, à l’usine d’enrichissement d’uranium de Pierrelatte, dans le sud de la France, un spectromètre de masse a renvoyé un chiffre qui n’aurait pas dû exister. Un technicien effectuait un contrôle de routine sur un lot d’hexafluorure d’uranium — la forme gazeuse en laquelle l’uranium est converti avant l’enrichissement. L’instrument mesurait la proportion d’uranium 235, la variante rare et fissile de l’élément, celle qui peut se scinder et entretenir une réaction en chaîne. Partout sur Terre, dans les roches de la Lune, dans les météorites, cette proportion est fixe : 0,7202 %. L’échantillon de Pierrelatte indiquait 0,7171 %.
L’écart était de trois millièmes de pour cent. Et il était impossible.
Le rapport isotopique de l’uranium est censé être l’une des constantes de la nature, aussi fiable que la température d’ébullition de l’eau. Un déficit signifiait que de l’uranium 235 avait disparu, et dans un pays qui comptabilise chaque gramme de matière fissile, de l’uranium fissile manquant est le genre de chose qui déclenche des enquêtes. Le Commissariat à l’énergie atomique, le CEA, en a ouvert une.
L’enquête : sur la piste de l’uranium manquant, jusqu’au Gabon
Les enquêteurs ont d’abord écarté les explications banales. L’anomalie n’était pas un défaut de l’instrument : elle se répétait d’un échantillon à l’autre. Ce n’était pas non plus une contamination par de l’uranium usé ou appauvri provenant de l’usine elle-même, car il n’y avait pas d’uranium 236, l’empreinte révélatrice d’une matière passée dans un réacteur construit par l’homme. Ils ont donc remonté la chaîne d’approvisionnement à rebours, de Pierrelatte à l’usine de conversion de Malvési, puis au site de traitement de Gueugnon, et enfin jusqu’à la source : du minerai expédié par la société minière COMUF depuis un gisement du Gabon, ancienne colonie française d’Afrique centrale. L’endroit s’appelait Oklo.
Plus ils creusaient, plus l’affaire devenait étrange. L’appauvrissement n’était pas uniforme. Il se concentrait dans la riche partie nord du gisement d’Oklo, et, dans certains lots, la teneur en uranium 235 tombait à 0,44 %, soit près de 40 % en dessous de la normale. (Des décennies plus tard, des instruments plus sensibles repousseraient ce chiffre encore plus bas, autour de 0,36 % dans le minerai le plus intensément brûlé.) Sur l’uranium livré entre 1970 et 1972, plus de 200 kilogrammes d’uranium 235 manquaient rien que dans le minerai expédié, une fraction de ce que les réacteurs avaient brûlé au cours de leur existence, mais une masse de matière fissile qui, selon un calcul de l’époque, égalait ce que contiendraient une demi-douzaine de bombes de l’ampleur de celle d’Hiroshima, de quoi valoir une semaine d’insomnie à n’importe quel responsable des garanties nucléaires.
Un physicien a compris ce qu’il avait sous les yeux. Francis Perrin et ses collègues ont trouvé, à côté de l’uranium 235 manquant, les débris chimiques de la fission : des rapports caractéristiques d’éléments comme le néodyme et le ruthénium, qui correspondent à ce que laisse derrière elle la fission de l’uranium, et non à ce que contient une roche ordinaire. Le néodyme naturel contient environ 27 % de néodyme 142 ; celui d’Oklo en contenait moins de 6 %. Il n’y avait qu’une façon de lire ce résultat. Le minerai s’était comporté comme un réacteur. Le 25 septembre 1972, le CEA a annoncé que des réactions nucléaires en chaîne auto-entretenues s’étaient déroulées spontanément au sein d’un massif de minerai africain près de deux milliards d’années avant que quiconque songe à les tenter.
Le plus troublant, c’est que quelqu’un l’avait prédit. En 1956, un chimiste de l’université de l’Arkansas, Paul Kazuo Kuroda, avait établi les conditions dans lesquelles un filon d’uranium pouvait amorcer une réaction en chaîne sans aucune aide humaine. Il avait énoncé les exigences : suffisamment d’uranium 235, un gisement plus épais que la distance parcourue par un neutron de fission, peu d’impuretés absorbant les neutrons, et un modérateur pour dompter les neutrons. L’idée est restée aux limites du plausible pendant seize ans, jusqu’à ce qu’une mesure de routine en France lui donne raison.
Ce qui s’est réellement passé sous terre à Oklo
Pour comprendre pourquoi Oklo a fonctionné, il est utile de rappeler ce dont un réacteur a besoin. La fission est la scission d’un noyau atomique lourd, ici l’uranium 235, lorsqu’il avale un neutron de passage. Le noyau se brise en fragments plus légers appelés produits de fission, libère de l’énergie sous forme de chaleur et crache deux ou trois nouveaux neutrons. Si au moins l’un de ces neutrons va scinder un autre noyau d’uranium 235, le processus s’entretient de lui-même : c’est une réaction en chaîne. Un isotope, de son côté, n’est qu’une version d’un élément : l’uranium 235 et l’uranium 238 sont tous deux de l’uranium, avec la même chimie, mais des nombres différents de neutrons dans le noyau, et seul le plus léger se scinde facilement.
Le hic, c’est la vitesse. Les neutrons jaillissent d’une fission beaucoup trop vite pour être capturés de façon fiable par le noyau suivant. Il faut les ralentir. La substance qui s’en charge est un modérateur : voyez-y un arbitre qui ramène les neutrons à une allure plus douce, celle à laquelle l’uranium 235 a le plus de chances d’en attraper un. Dans la plupart des centrales modernes, le modérateur est de l’eau ordinaire. À Oklo, le modérateur était aussi de l’eau : l’eau souterraine, qui s’infiltrait à travers un grès poreux jusque dans les veines riches en uranium.
Oklo disposait d’un ingrédient de plus, que la Terre actuelle n’a plus : un combustible assez riche pour brûler. Aujourd’hui, l’uranium naturel ne contient que 0,720 % d’uranium 235, une teneur trop faible pour entretenir une réaction en chaîne dans de l’eau ordinaire, ce qui explique précisément pourquoi les compagnies d’électricité enrichissent leur combustible à environ 3 à 5 %. Mais il y a environ deux milliards d’années, l’uranium naturel de ces veines gabonaises contenait déjà plus de 3 % d’uranium 235, soit le même ordre de grandeur que le combustible d’un réacteur à eau légère commercial d’aujourd’hui. La nature, en d’autres termes, utilisait un combustible préenrichi. Faites arriver de l’eau souterraine dans une lentille suffisamment épaisse de ce minerai, avec peu de poisons neutroniques pour tout gâcher, et la roche fait le reste.
Les chiffres vont à l’encontre de l’intuition, aux deux extrémités de l’échelle. Dans les gisements voisins d’Oklo et d’Okélobondo, les géologues ont fini par cartographier seize zones de réacteur distinctes, auxquelles s’ajoute une dix-septième à Bangombé, un petit gisement situé à environ 30 kilomètres au sud-est. Chaque zone était petite : une dalle de minerai large de quelques mètres. Ensemble, elles ont fissionné plusieurs tonnes d’uranium 235 et engendré en outre du plutonium, qui s’est désintégré en uranium 235 et a compensé une partie de la perte, laissant un appauvrissement net d’environ cinq tonnes. Et pourtant la puissance était modeste : par zone, elle atteignait en moyenne environ 100 kilowatts thermiques, comparables à une poignée de radiateurs d’appoint domestiques, pas à une centrale. Les réacteurs ont fonctionné, par intermittence, pendant quelques centaines de milliers d’années.
Cette expression, quelques centaines de milliers d’années, a son importance, car un chiffre largement répété de « 150 millions d’années » est tout simplement faux ; il découle d’une affirmation erronée et ne reflète pas les datations géochimiques. Le chiffre honnête est de centaines de milliers d’années, certaines zones ayant, selon les estimations, fonctionné de façon intermittente pendant des durées allant de quelques dizaines de milliers à quelques centaines de milliers d’années.
Le pouls : un réacteur qui respirait comme un geyser
Le rythme du réacteur est la partie qui paraît encore à peine croyable.
En 2004, trois physiciens de l’université Washington de Saint-Louis, Alex Meshik, Charles Hohenberg et Olga Pravdivtseva, ont publié dans Physical Review Letters une étude qui lisait les battements de cœur du réacteur. Leur preuve était le xénon, un gaz noble produit lors de la fission de l’uranium, enfermé pendant deux milliards d’années dans de minuscules grains de phosphate alumineux de la roche d’Oklo. En utilisant un laser pour vaporiser les grains petit à petit et un spectromètre de masse sensible pour compter les atomes, ils ont mesuré les plus fortes concentrations de xénon de fission jamais trouvées dans un matériau naturel.
Les proportions des différents isotopes du xénon étaient étranges. Un réacteur fonctionnant simplement à petit feu constant ne pouvait pas les expliquer. Mais elles s’accordaient à merveille avec un réacteur qui se serait mis en marche et arrêté tout seul à un rythme régulier. Le cycle qu’ils ont reconstitué : environ 30 minutes de fission active, suivies d’environ 2,5 heures de dormance. Puis on recommençait. Encore et encore, aussi longtemps que le réacteur a vécu.
« La structure isotopique spécifique du xénon dans ce minéral définit un fonctionnement cyclique du réacteur, avec des impulsions actives de 30 min séparées par des périodes de dormance de 2,5 h », Meshik, Hohenberg et Pravdivtseva, Physical Review Letters 93, 182302 (2004)
Imaginez la scène. L’eau souterraine s’infiltre dans le minerai et modère les neutrons ; la réaction en chaîne démarre ; la roche s’échauffe. Au bout d’une demi-heure environ, l’eau s’évapore en vapeur. Privée de son modérateur, la réaction cale, les neutrons se remettent à filer trop vite pour être capturés. La roche reste tranquille pendant environ deux heures, se refroidissant lentement, jusqu’à ce que de l’eau liquide s’infiltre de nouveau et que tout se rallume. C’est exactement la logique d’un geyser comme Old Faithful, à ceci près que ce que ce cycle évacuait n’était pas seulement de la vapeur, mais une réaction nucléaire contrôlée. Un réacteur, enfoui dans la roche précambrienne, qui expire à heure fixe, sans ingénieurs, sans barres de commande, sans électronique, entièrement régi par la température d’ébullition de l’eau.
Cette même autorégulation explique pourquoi Oklo n’a jamais volé en éclats. À mesure que la roche se réchauffait, l’eau se raréfiait et la réaction ralentissait ; à mesure qu’elle refroidissait, l’eau revenait et la réaction reprenait. Le réacteur est resté tenu en laisse par lui-même pendant des centaines de milliers d’années.
Pourquoi cela n’a pu se produire que dans un passé lointain
Oklo est un événement unique dans l’histoire de la Terre, et la raison tient aux horloges radioactives. L’uranium 235 et l’uranium 238 se désintègrent tous deux, mais à des rythmes différents, mesurés par leur demi-vie, le temps nécessaire pour que la moitié d’un échantillon disparaisse par désintégration. L’uranium 235 a une demi-vie d’environ 700 millions d’années ; celle de l’uranium 238 est d’environ 4,5 milliards d’années, soit environ six fois plus longue. L’isotope fissile, en d’autres termes, consume sa propre chandelle bien plus vite.
Remontons le temps. Comme l’uranium 235 disparaît plus vite, il représentait une part d’autant plus grande de l’uranium naturel que l’on remonte loin dans le passé. Aujourd’hui, elle est de 0,720 %. Il y a deux milliards d’années, elle était d’environ 3 %. À la naissance du système solaire, elle était de l’ordre de 24 %. La fenêtre d’opportunité pour un réacteur naturel modéré par l’eau s’est refermée depuis longtemps ; avec le combustible dilué d’aujourd’hui, aucun gisement sur Terre ne peut devenir critique avec la seule eau souterraine. Oklo a pu exister parce qu’il est apparu à une époque où l’uranium de la planète était encore, en pratique, de qualité réacteur.
Mais un combustible riche ne suffit pas : il faut aussi le concentrer, et ce volet de l’histoire est lié à l’air que nous respirons. L’uranium sous sa forme réduite ne se dissout presque pas dans l’eau. Sous sa forme oxydée, il se dissout facilement, voyage avec l’eau souterraine et peut s’accumuler là où les conditions changent. Pendant la majeure partie des débuts de l’histoire de la Terre, l’atmosphère ne contenait presque pas d’oxygène libre, si bien que l’uranium restait en place et dispersé. Puis est venue la Grande Oxydation, à partir d’environ 2,4 milliards d’années, lorsque des microbes photosynthétiques ont inondé l’air et les océans d’oxygène pour la première fois. Des eaux souterraines oxygénées pouvaient désormais dissoudre l’uranium, le transporter et, au contact d’agents réducteurs comme la matière organique, le déposer sous forme de minerai concentré. La même transformation planétaire qui a remodelé le ciel a aussi constitué le combustible d’Oklo. Les réacteurs ont fonctionné durant l’Orosirien, période du Paléoprotérozoïque, il y a environ deux milliards d’années, à une époque où les formes de vie les plus complexes sur Terre étaient des algues et les premiers eucaryotes unicellulaires.
Pourquoi Oklo compte encore : tester une constante et enfouir nos déchets
Un réacteur éteint au Gabon pourrait sembler être une affaire classée, mais c’est tout le contraire. Oklo est devenu un laboratoire naturel pour deux questions que la science moderne ne peut guère poser autrement.
La constante de structure fine a-t-elle dérivé au fil du temps cosmique ?
Voici l’enjeu : si l’une des constantes fondamentales de l’Univers a discrètement dérivé au fil de milliards d’années, une bonne partie de la physique devrait être réécrite, et Oklo est l’un des rares endroits où l’on peut le vérifier. La constante en question est la constante de structure fine, notée par la lettre grecque alpha (α), qui fixe l’intensité de la force électromagnétique, c’est-à-dire la force avec laquelle la lumière et les particules chargées interagissent. C’est l’un de ces nombres purs que la physique considère comme fixes. Mais certaines théories qui cherchent à unifier les forces ou à expliquer l’énergie noire autorisent les « constantes » à dériver très lentement sur des milliards d’années. Si alpha avait eu une valeur différente dans un passé lointain, les énergies auxquelles les noyaux atomiques absorbent les neutrons auraient elles aussi changé.
En 1976, le physicien Alexander Shlyakhter a compris qu’Oklo pouvait servir à tester cela. Un isotope particulier, le samarium 149, engloutit les neutrons lents grâce à une résonance, une énergie très finement accordée à laquelle la capture est extraordinairement efficace, située à tout juste environ 0,1 électronvolt. Cette résonance est d’une extrême sensibilité à la valeur d’alpha. En mesurant la quantité de samarium 149 que les réacteurs d’Oklo ont consumée, on peut se demander si cette résonance se situait, il y a deux milliards d’années, là où elle se situe aujourd’hui.
L’analyse de référence date de 1996, lorsque Thibault Damour et Freeman Dyson ont repris le problème avec soin. Leur conclusion, à un niveau de confiance de 95 %, était une borne serrée : la variation relative d’alpha depuis le fonctionnement d’Oklo se situe entre environ −0,9 × 10⁻⁷ et 1,2 × 10⁻⁷. Une réanalyse complète en physique des réacteurs par Yuri Petrov et ses collègues en 2006, à l’aide de codes modernes de transport des neutrons de type Monte-Carlo, a encore affiné la modélisation. Le point crucial, souvent déformé dans les récits de vulgarisation : Oklo n’a pas montré qu’alpha avait changé ; c’est un résultat nul, la démonstration qu’alpha est restée remarquablement stable, limitant toute dérive à quelques parties sur dix millions, voire moins, sur deux milliards d’années. Oklo fournit l’une des limites les plus strictes dont nous disposions sur une constante vagabonde, précisément parce qu’il n’a constaté aucune errance.
Peut-on enfouir les déchets nucléaires et faire confiance au sous-sol pour les retenir ?
Le second bénéfice est d’ordre éminemment pratique. Tout réacteur nucléaire actuel laisse derrière lui des produits de fission et des éléments plus lourds, des actinides comme le plutonium, qui restent dangereux pendant des dizaines de milliers d’années. Le plan, dans les grandes lignes, consiste à enfouir ces déchets en profondeur et à faire confiance à la géologie pour les garder enfermés. Oklo a mené exactement cette expérience, par accident, sur une échelle de temps de deux milliards d’années.
Le verdict est encourageant. Dans un article de 1991 paru dans Nature, Bernd Nagy, François Gauthier-Lafaye et leurs collègues ont montré que, dans les zones de réacteur riches en matière organique, des grains de minerai d’uranium avaient été enrobés d’un bitume graphitique solidifié qui les maintenait en place. « L’uraninite enrobée de matière graphitique solide dans les zones de réacteur riches en matière organique n’a pratiquement perdu aucun isotope fissiogénique de lanthanides », écrivent-ils. Les déchets n’ont presque pas bougé. De nombreux produits de fission sont restés en place pendant deux milliards d’années ; le plutonium, selon des travaux ultérieurs, n’a migré que sur une courte distance à partir de son lieu de formation. Même les gaz volatils que sont le xénon et le krypton ont été piégés dans des grains minéraux, et c’est précisément ce qui a permis à l’équipe de Meshik de lire le pouls du réacteur.
Ce n’est pas une garantie générale : la géologie d’Oklo est spécifique, certains éléments ont bel et bien migré localement, et les ingénieurs ne peuvent pas se contenter de copier une veine de grès poreux. Mais en tant qu’analogue naturel, c’est ce qui se rapproche le plus d’un essai de terrain à long terme, et cela montre que la bonne roche peut confiner des déchets radioactifs sur des durées qui éclipsent toute l’histoire humaine écrite.
Il y a un post-scriptum mélancolique. Les zones de réacteur d’Oklo ont été découvertes à l’intérieur d’une mine en exploitation, et la plupart ont depuis été excavées pour leur minerai. En 1997, Gauthier-Lafaye a plaidé dans Nature pour la préservation du dernier réacteur intact, à Bangombé, le jugeant tout aussi unique et bien plus irremplaçable que les roches les plus précieuses rapportées de la Lune ou de Mars. Le gisement qui nous a appris que la nature pouvait faire fonctionner un réacteur a été en grande partie consommé pour alimenter les nôtres.
Voilà l’étrange double vision qu’Oklo vous laisse. C’est un témoignage du passé lointain de la planète : une atmosphère en train d’être remodelée, un combustible assez riche pour s’enflammer, de l’eau qui bout à heure fixe sous un monde peuplé seulement de microbes. C’est aussi un message sur les avenirs lointains, car la même roche qui a bercé un réacteur pendant des centaines de milliers d’années peut en garder les cendres pendant deux milliards d’années de plus. Le plus ancien réacteur de la Terre est aussi, discrètement, une répétition générale pour la chose la plus difficile que nous ayons jamais demandée à la géologie : garder un secret pendant des durées qui éclipsent toute l’histoire écrite.
Questions fréquentes
Quel est l’âge du réacteur nucléaire naturel d’Oklo ?
Les réacteurs d’Oklo sont devenus critiques il y a environ 1,7 à 2 milliards d’années, au Paléoprotérozoïque. Ils ont fonctionné par intermittence pendant quelques centaines de milliers d’années, avant que le combustible ne devienne trop appauvri et que les réactions en chaîne ne s’arrêtent pour de bon.
La nature a-t-elle vraiment fabriqué un réacteur nucléaire ?
Oui. À Oklo, au Gabon, un minerai d’uranium naturellement enrichi (à plus de 3 % d’uranium 235 à l’époque) s’est combiné à de l’eau souterraine jouant le rôle de modérateur de neutrons pour entretenir de véritables réactions de fission en chaîne. Le Commissariat à l’énergie atomique l’a confirmé en 1972 à partir du déficit en uranium 235 et des signatures chimiques des produits de fission.
Un réacteur nucléaire naturel pourrait-il se former sur Terre aujourd’hui ?
Non. L’uranium naturel ne contient plus aujourd’hui que 0,720 % d’uranium 235, une teneur trop faible pour entretenir une réaction en chaîne avec de l’eau ordinaire comme modérateur. Comme l’uranium 235 se désintègre plus vite que l’uranium 238, le combustible n’a été assez riche que dans un passé lointain.
Oklo est-il aujourd’hui radioactif et dangereux ?
Les réacteurs se sont éteints il y a environ deux milliards d’années, et la radioactivité à vie courte a disparu depuis longtemps. Fait remarquable, les produits de fission et le plutonium sont restés en grande partie piégés dans la roche environnante, ce qui explique pourquoi Oklo est étudié comme analogue naturel du stockage à long terme des déchets nucléaires.
