Il y a 1,7 milliard d’années, la Terre possédait un réacteur nucléaire naturel

Les planètes peuvent créer de l’énergie nucléaire par elles-mêmes, naturellement, sans aucune intelligence ni technologie. La Terre l’a déjà fait : il y a 1,7 milliard d’années.

Si vous étiez à la recherche d’une intelligence extraterrestre, à la recherche d’une signature infaillible de leur activité à travers l’Univers, vous auriez quelques options. Vous pourriez chercher une émission radio intelligente, comme celle que les humains ont commencé à émettre au 20e siècle. Vous pourriez chercher des exemples de modifications à l’échelle de la planète, comme la civilisation humaine lorsque vous observez la Terre à une résolution suffisante. Vous pourriez rechercher un éclairage artificiel la nuit, comme celui de nos villes, villages et pêcheries, visible depuis l’espace.

Ou encore, vous pouvez rechercher une réalisation technologique, comme la création de particules telles que les antineutrinos dans un réacteur nucléaire. Après tout, c’est ainsi que nous avons détecté pour la première fois des neutrinos (ou antineutrinos) sur Terre. Mais si nous choisissons cette dernière option, nous risquons de nous tromper nous-mêmes. La Terre a créé un réacteur nucléaire, naturellement, bien avant l’existence de l’homme.

Pour créer un réacteur nucléaire aujourd’hui, le premier ingrédient dont nous avons besoin est un combustible de qualité réacteur. L’uranium, par exemple, se présente sous la forme de deux isotopes naturels différents : l’U-238 (avec 146 neutrons) et l’U-235 (avec 143 neutrons). Le fait de changer le nombre de neutrons ne change pas le type d’élément, mais modifie la stabilité de l’élément. L’U-235 et l’U-238 se désintègrent tous deux par une réaction radioactive en chaîne, mais l’U-238 vit en moyenne six fois plus longtemps.

À l’heure actuelle, l’U-235 ne représente qu’environ 0,72 % de l’uranium naturel, ce qui signifie qu’il doit être enrichi à au moins 3 % pour que la réaction de fission soit durable, ou qu’une configuration spéciale (impliquant des médiateurs d’eau lourde) est nécessaire. Mais il y a 1,7 milliard d’années, l’U-235 avait plus de deux demi-vies complètes. À l’époque, dans la Terre ancienne, l’U-235 représentait environ 3,7 % de l’uranium total : c’était suffisant pour qu’une réaction se produise.

Entre les différentes couches de grès, avant d’atteindre le socle granitique qui constitue la majeure partie de la croûte terrestre, on trouve souvent des veines de dépôts minéraux, riches en un élément particulier. Parfois, celles-ci sont extrêmement lucratives, comme lorsque nous trouvons des veines d’or sous terre. Mais parfois, on y trouve d’autres matériaux plus rares, comme l’uranium. Dans les réacteurs modernes, l’uranium enrichi produit des neutrons, et en présence d’eau, qui agit comme un modérateur de neutrons, une fraction de ces neutrons va frapper un autre noyau d’U-235, provoquant une réaction de fission.

Lorsque le noyau se sépare, il produit des noyaux filles plus légers, libère de l’énergie et produit également trois neutrons supplémentaires. Si les conditions sont réunies, la réaction déclenchera d’autres événements de fission, conduisant à un réacteur autonome.

Deux facteurs se sont conjugués, il y a 1,7 milliard d’années, pour créer un réacteur nucléaire naturel. Le premier est que, au-dessus de la couche de granit du substratum rocheux, les eaux souterraines circulent librement, et ce n’est qu’une question de géologie et de temps avant que l’eau ne s’écoule dans les régions riches en uranium. Entourez vos atomes d’uranium de molécules d’eau, et c’est un bon début.

Mais pour que votre réacteur fonctionne bien, de manière autonome, vous avez besoin d’un composant supplémentaire : vous voulez que les atomes d’uranium soient dissous dans l’eau. Pour que l’uranium soit soluble dans l’eau, l’oxygène doit être présent. Heureusement, les bactéries aérobies, qui utilisent l’oxygène, ont évolué à la suite de la première extinction de masse de l’histoire de la Terre : le grand événement d’oxygénation. Avec l’oxygène dans les eaux souterraines, la dissolution de l’uranium serait possible chaque fois que l’eau inonde les veines minérales, et aurait même pu créer des matériaux particulièrement riches en uranium.

Lors d’une réaction de fission de l’uranium, un certain nombre de signatures importantes sont produites.

1. Cinq isotopes de l’élément xénon sont produits comme produits de réaction.
2. Le rapport U-235/U-238 restant doit être réduit, car seul l’U-235 est fissile.
3. L’U-235, lorsqu’il se divise, produit de grandes quantités de néodyme (Nd) d’un poids spécifique : Nd-143. Normalement, le rapport entre le Nd-143 et les autres isotopes est d’environ 11-12% ; voir une augmentation indique une fission de l’uranium.
4. Même chose pour le ruthénium avec un poids de 99 (Ru-99). Présent à l’état naturel avec une abondance d’environ 12,7 %, la fission peut le faire passer à environ 27-30 %.

En 1972, le physicien français Francis Perrin a découvert un total de 17 sites répartis sur trois gisements de minerai dans les mines d’Oklo au Gabon, en Afrique occidentale, qui contenaient ces quatre signatures.

Les réacteurs à fission d’Oklo sont les seuls exemples connus de réacteur nucléaire naturel ici sur Terre, mais le mécanisme par lequel ils se sont produits nous amène à penser qu’ils pourraient se produire dans de nombreux endroits, et même ailleurs dans l’Univers. Lorsque les eaux souterraines inondent un gisement minéral riche en uranium, les réactions de fission, c’est-à-dire la séparation de l’U-235, peuvent se produire.

L’eau souterraine agit comme un modérateur de neutrons, permettant (en moyenne) à plus d’un neutron sur trois d’entrer en collision avec un noyau d’U-235, poursuivant ainsi la réaction en chaîne.

Comme la réaction ne dure que peu de temps, l’eau souterraine qui modère les neutrons se met à bouillir, ce qui arrête complètement la réaction. Cependant, avec le temps, sans qu’aucune fission ne se produise, le réacteur se refroidit naturellement, permettant à l’eau souterraine de revenir.

En examinant les concentrations d’isotopes de xénon qui sont piégés dans les formations minérales entourant les gisements de minerai d’uranium, l’humanité, tel un détective hors pair, a pu calculer la chronologie spécifique du réacteur. Pendant environ 30 minutes, le réacteur passe en mode critique, la fission se poursuivant jusqu’à ce que l’eau s’évapore. Au cours des 150 minutes suivantes, il y aurait une période de refroidissement, après quoi l’eau inonderait à nouveau le minerai et la fission recommencerait.

Ce cycle de trois heures se répète pendant des centaines de milliers d’années, jusqu’à ce que la quantité d’U-235, qui ne cesse de diminuer, atteigne un niveau suffisamment bas, inférieur à 3 %, pour qu’une réaction en chaîne ne puisse plus être maintenue. À ce moment-là, l’U-235 et l’U-238 ne pourraient plus que se désintégrer par radioactivité.

En examinant les sites d’Oklo aujourd’hui, nous trouvons des abondances naturelles d’U-235 qui sont appauvries par rapport à leurs ratios normaux de 0,44% à 0,60%. Bien que l’abondance naturelle que l’on trouve normalement soit incroyablement faible, à 0,720 % d’U-235, contre 99,28 % d’U-238 (si l’on considère l’uranium seul), les échantillons d’Oklo ne présentent que des abondances d’U-235 allant de 0,7157 % à 0,7168 % : toutes bien inférieures à la valeur normale de 0,72 %.

La fission nucléaire, sous une forme ou une autre, est la seule explication naturelle de cet écart. Si l’on ajoute à cela les preuves relatives au xénon, au néodyme et au ruthénium, la conclusion selon laquelle il s’agit d’un réacteur nucléaire d’origine géologique est pratiquement inéluctable.

Il est intéressant de noter qu’un certain nombre de conclusions scientifiques peuvent être tirées de l’examen des réactions nucléaires qui se sont produites ici.

• Nous pouvons déterminer les échelles de temps des cycles marche/arrêt en examinant les différents dépôts de xénon.
• La taille des veines d’uranium et leur migration (ainsi que celle des autres matériaux affectés par le réacteur) au cours des 1,7 milliard d’années passées peuvent nous fournir un analogue naturel utile pour le stockage et l’élimination des déchets nucléaires.
• Les rapports isotopiques trouvés sur les sites d’Oklo nous permettent de tester le taux de diverses réactions nucléaires et de déterminer si elles (ou les constantes fondamentales qui les commandent) ont changé au fil du temps.

Sur la base de ces preuves, nous pouvons déterminer que les taux des réactions nucléaires, et donc les valeurs des constantes qui les déterminent, étaient les mêmes il y a 1,7 milliard d’années qu’aujourd’hui.

Enfin, et c’est peut-être le plus important pour comprendre l’histoire naturelle de notre planète, nous pouvons utiliser les rapports des différents éléments pour déterminer à la fois l’âge de la Terre et sa composition au moment de sa création. Les taux d’isotopes du plomb et de l’uranium nous apprennent que 5,4 tonnes de produits de fission ont été produites, sur une période de ~2 millions d’années, il y a environ 1,7 milliard d’années, dans une Terre qui a aujourd’hui 4,5 milliards d’années.

Lorsqu’une supernova explose, ainsi que lors de la fusion d’étoiles à neutrons, de l’U-235 et de l’U-238 sont produits. En examinant les supernovae, nous savons que nous créons en fait plus d’U-235 que d’U-238 dans un rapport d’environ 60/40. Si l’uranium de la Terre a été créé à partir d’une seule supernova, celle-ci aurait eu lieu 6 milliards d’années avant la formation de la Terre.

Sur n’importe quelle planète, tant qu’il existe une riche veine de minerai d’uranium proche de la surface avec un rapport U-235/U-238 supérieur à 3/97, sous l’effet de l’eau, une réaction nucléaire spontanée et naturelle peut se produire. Ces conditions peuvent survenir à tout moment, et tant que des demi-vies suffisamment courtes se sont écoulées par rapport au temps de désintégration de l’U-235, la découverte d'”antineutrinos de réacteur” provenant d’un autre monde pourrait indiquer une réaction nucléaire naturelle tout aussi facilement qu’elle pourrait indiquer la présence d’une civilisation intelligente et technologiquement avancée créant ses propres réactions nucléaires.

Dans un endroit fortuit de la Terre, dans plus d’une douzaine de cas, nous avons des preuves accablantes d’une histoire de fission nucléaire. Dans le jeu de l’énergie naturelle, ne laissez plus jamais la fission nucléaire hors de la liste.

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Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche