Nucléaire

Articles relatifs à l’histoire de la radioactivité et des disciplines connexes.

L’ANGLETERRE PREND LA RELEVE

Article paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N° 132, juillet 2005

Dossier « Nucléaire » XIV

 

Robert SIX

I. LA RECHERCHE EN GRANDE BRETAGNE EN 1940

En Grande-Bretagne, plusieurs équipes universitaires travaillent sur la fission nucléaire, indépendamment les unes des autres. Ce sont, le très célèbre laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge, où James Chadwick découvrit la nature du neutron en 1932; les laboratoires des universités de Birmingham et d’Oxford, l‘Imperial College de Londres. Le pays est l’un des principaux foyers mondiaux de recherche fondamentale en physique nucléaire. Il suffit de se rappeler :

  • Ernest Rutherford (1871-1937) qui découvrit la radioactivité du thorium en 1899 et mis en évidence, les rayons α et β émit par le rayonnement des radioéléments; sa loi des transformations radioactives énoncée avec Soddy, et bien d’autres contributions à l’avancement dans la connaissance de la physique nucléaire;

  • James Chadwick (1891-1974) qui étudia la charge des noyaux et la désintégration artificielle, mit en évidence l’effet photo-électrique, et son neutron, bien entendu;

  • Ainsi que les autres savants dont Joseph John Thompson (1856-1940); John Douglas Cockroft (1897-1967), etc.

Dès le printemps 1939, après la parution dans Nature des travaux de Joliot-Curie, George P. Thompson, professeur de physique à l‘Imperial College de Londres, prend contact avec Sir Henry TIZARD, président, depuis 1934, du comité scientifique du Ministère de l’Air pour la défense aérienne. Ce dernier conseille à Thompson de se rendre au Ministère de l’Air et d’exposer aux responsables les conséquences militaires et techniques que peuvent entraîner les découvertes des Français. De plus, des nouvelles alarmistes en provenance d’Allemagne laissent entendre que les atomistes allemands se sont lancés dans la course à la bombe. Le Gouvernement britannique confie la tâche à Tizard d’obtenir des différents groupes de scientifiques qu’ils unissent leurs efforts et coordonnent leurs recherches. Sa mission première est d’étudier les possibilités de construction d’une arme nucléaire. Soulignons que le personnage joua un rôle déterminant dans l’implantation du réseau des stations de radars qui protégea la Grande-Bretagne lors de la Bataille d’Angleterre.

Très vite, Tizard se rend compte des faiblesses matérielles et financières de son pays dans ce domaine. Scepticisme que partage Lord Cherwell, le conseiller scientifique de Winston Churchill. Les savants anglais surestiment la quantité d’uranium 235 nécessaire pour atteindre la masse critique. Il leur faut plusieurs centaines de kilo voire plusieurs tonnes de matériel fissile. La séparation isotopique de 235U des autres isotopes paraît insurmontable. De plus, ils ignorent les effets produits par une réaction en chaîne: simple déflagration ou explosion gigantesque ?

Cherwell suggère à Churchill de prévenir le secrétaire d’état à l’Aviation, Sir Kingley Wood, que malgré l’intérêt scientifique de la fission nucléaire, il est « peu probable que cette découverte conduise avant plusieurs années à des résultats susceptibles d’une application ».

Dès l’avènement d’Hitler au pouvoir, plusieurs scientifiques allemands quittent leur pays et se réfugient au Royaume-Uni où ils intégreront les équipes des différentes universités. C’est ainsi que l’on trouve Rudolf PEIERLS, qui parvient en juin 1939 à une évaluation plus fine de la masse critique, et Otto Frisch, qui en février – mars 1940, avec l’aide de son compatriote réussit à calculer la masse critique de l’235U et émet l’hypothèse qu’un neutron frappant un noyau d’uranium 235 provoque la fission de celui-ci et qu’une réaction en chaîne peut s’enclencher. D’autres savants les rejoindront, comme Franz Simon et Klaus Fuchs.

En mars 1940, Otto Frisch rédige deux rapports qui remettent le problème de la faisabilité d’une bombe atomique en question: « De la construction d’une superbombe basée sur une réaction nucléaire de l’uranium» et «Mémoire sur les propriétés d’une superbombe radioactive ». Ces rapports, qui atterrissent sur le bureau de Tizard, proposent une étude technique de la bombe et abordent également les questions stratégique et éthique. Ces deux rapports sont d’une importance capitale, car les calculs de FRISCH et Peierls démontrent que la déflagration serait égale à celle de 1.000 tonnes de TNT: « Cette énergie, annoncent-ils, est libérée sous un faible volume: il se produira, à l’intérieur, pendant un temps extrêmement bref, un dégagement de chaleur comparable à celui du centre du soleil. L’effet d’une telle explosion pourrait détruire toute vie sur une très grande zone. L’importance de cette zone est difficile à apprécier, mais elle couvrirait probablement le centre d’une grande ville. » De plus, leurs calculs montrent que la masse critique de matières fissiles se limite à quelques kilogrammes et non plus à des tonnes.

Tizard réunit un groupe de réflexion pour « examiner l’ensemble du problème, coordonner le travail de recherche et préciser dans les meilleurs délais s’il est possible de produire des bombes nucléaires pendant la guerre ». Ce comité, qui prend le nom de M.A.U.D. (Military Application of Uranium Detonation), doit également juger « si les effets militaires de ces bombes donneraient des résultats suffisants pour justifier une dispersion de l’effort de guerre ».

Un autre fait va alimenter le processus enclenché par le Gouvernement britannique: c’est l’arrivée en Grande-Bretagne des deux scientifiques français, Hans Halban et Lev Kowarski, avec leur stock d’eau lourde.

II. LE RAPPORT HALBAN-KOW ARSKI DE LONDRES

Dès qu’ils touchèrent le sol britannique, les deux collaborateurs de Frédéric Joliot-Curie exilés sont invités à ne pas s’engager dans les Forces Libres du général de Gaulle. Ils sont affectés au laboratoire de l’université de Cambridge, où ils peuvent reprendre leurs expériences interrompues par l’invasion allemande et leur fuite en Angleterre, en rejoignant le projet « Directorate of Tube Alloys» (TA) qui, sous le couvert de fabrication de tube d’alliage, consistait à mettre au point les techniques permettant la fabrication d’une bombe nucléaire. C’est ainsi, qu’ils livrèrent secrets et brevets français aux Anglais.

A la juin – début juillet 1940, les deux physiciens français rédigèrent un rapport dans lequel ils dévoilaient les derniers résultats obtenus par l’équipe française et les conclusions qui en découlaient.

« Discussion de la composition et de la constitution de systèmes contenant de l’uranium en vue de produire une réaction en chaîne nucléaire divergente» spécifie que «pour réaliser une réaction en chaîne divergente, quatre méthodes devraient réussir: l’utilisation d’un mélange homogène uranium – eau lourde, ou bien un dispositif hétérogène (sous forme d’une sphère ou d’un empilement) avec de l’uranium et de l’eau ordinaire, ou de l’uranium et de l’eau lourde ou encore de l’uranium et du carbone. Une combinaison comportant de l’uranium légèrement enrichi en isotope 235 serait très favorable et pourrait marcher avec de l’eau ordinaire. Deux voies sont préconisées pour la production d’énergie: la méthode des neutrons lents avec un petit enrichissement en uranium 235 ; ou l’espoir que la capture de neutrons par l’uranium 238 conduise en fin de compte à un nouveau noyau fissile ». Ce sera le plutonium découvert au début 1941 à Berkeley (USA).

III. LA RECHERCHE S’INTENSIFIE EN GRANDE-BRETAGNE

En cette fin de 1941, le groupe anglais est en tête dans l’étude de la possibilité d’une réaction en chaîne, grâce aux méthodes françaises et au stock d’eau lourde amené par les deux Français. Mais, de nombreux détails d’ordre pratique doivent encore être résolus.

La mise sur pied du Comité M.A.UD. entraîne la mobilisation de groupes industriels pour résoudre certains des problèmes techniques, comme, notamment, ICI (Imperial Chemical Industries).

Le principe de la bombe est arrêté: il suffit de précipiter deux blocs d’235U l’un sur l’autre pour obtenir la masse critique et enclencher la réaction en chaîne qui s’emballant provoquera l’explosion. Malheureusement, la fabrication de l’235U se révèle être un challenge. En effet, l’235U n’existe que dans la proportion de 0,7% dans l’uranium naturel. Ayant les mêmes propriétés, il est très difficile, si pas improbable, de séparer les deux isotopes. Aucune technique n’est à ce moment connue, ni même envisagée.

En dépit de sa valeur exceptionnelle, la physique nucléaire britannique n’a pas les moyens financiers et techniques pour entreprendre, durant la guerre, la mise au point de bombes nucléaires. C’est pourquoi, le 17 juin 1942, le chef du Gouvernement de Sa Majesté, Winston Churchill, rejoint Hyde Park dans l’Etat de New York, à bord d’un hydravion à coque, pour y rencontrer le président américain Roosevelt. Les deux hommes décident de concentrer la recherche aux Etats-Unis, et mettent au point un programme pour les dix-huit mois à venir. Au départ, Washington présentait quelques réticences à embrasser la cause de la bombe nucléaire. Mais, l’augmentation de la production de l’eau lourde ordonnée par les Allemands qui ont envahi la Norvège et réquisitionné l’usine de Norsk Hydro et l’embargo sur l’exportation du minerai d’uranium tchécoslovaque, laissent à penser que l’ennemi était proche de mettre au point un armement nucléaire. Churchill qui se serait « fort bien contenté des explosifs existants », se voyait donc obligé de se lancer dans cette course, avec l’accord de ROOSEVELT. « Nous avions l’un et l’autre le sentiment qu’il était fort dangereux de rester inactif dans ce domaine, écrit-il. Nous savions quels efforts les Allemands faisaient pour constituer des réserves d’eau lourde, terme sinistre, étrange et presque surnaturel qui commençait à se glisser dans nos documents secrets. Et si l’ennemi réalisait avant nous cette bombe atomique? Pour sceptiques que nous fussions devant les assertions de certains savants, nous ne pouvions pas courir le risque mortel de nous trouver devancés dans ce domaine terrifiant ».

De retour en Angleterre, le premier ministre décide de lancer un plan d’attaque pour détruire le stock d’eau lourde de l’usine norvégienne.

IV. LA BATAILLE DE L’EAU LOURDE

Je renvoie le lecteur à l’article précédent dans lequel j’annonce le récit de Jean Marin, scénariste du film  « La Bataille de l’eau lourde ». Un deuxième film a été tourné plus tard, en 1965 sous le titre de « The heroes of Telemark » avec en vedettes principales Kirk Douglas et Richard Harris. Réalisé par Anthony Mann, sur un scénario de Ben Barzman et Ivan Moffat, d’après le roman de John Drummond et Knut Haukelid, il respecte peu la vérité historique. L’aventure se termine par le sauvetage in extremis (suspens oblige) d’un groupe d’enfants et de leur accompagnatrice, embarqués sur le ferry transportant les bidons d’eau lourde, par le héros (K. Douglas). En réalité, l’explosion du navire a entraîné la mort de 26 personnes sur les 53 passagers et l’équipage.

Laissons à nouveau la plume à Jean Marin qui nous conte l’extraordinaire aventure d’hommes de courage sacrifiés pour des craintes qui, en définitive, s’avéreront non justifiées.

V

PARACHUTAGES EN NORVEGE

Dans l’abri de Churchill.

Dans l’abri qu’on a construit pour lui sous la pelouse du n° 10 de Downing Street, Winston Churchill est assis à sa table de travail. Le cigare en bataille, le nez chaussé de grosses lunettes d’écaille, il donne toute son attention à la lecture des derniers rapports de son ministre de la guerre économique. Il y apprend que le Reich, qui a déjà donné l’ordre à l’usine de Rjukan de porter sa production annuelle d’eau lourde à 1.500 kilos, exige maintenant qu’en 1942, cette production soit portée à 5.000 kilos par an.

Churchill croit aux armes secrètes et il sait qu’Hitler y croit encore davantage. Le danger est là. L’Allemagne est engagée à fond dans la course à l’eau lourde. Elle devine à peu près où en sont parvenus les progrès des Alliés dans le domaine de l’énergie .atomique; elle veut arriver bonne pre­mière.

L’une des feuilles dactylographiées éparpillées sur le bureau fait apparaître un nom que Churchill connaît bien : Tronjstadt, le Professeur Leif Tronjstadt, chargé de l’enseignement de la chimie industrielle à l’Université de Trondjheim.

Ce savant norvégien, grand spécialiste de la fabrication de l’eau lourde, pour qui l’usine de Rjukan n’a pas de secret, vient d’arriver en Angleterre. Il a des contacts sûrs et réguliers avec les patriotes ardents que compte le personnel de Rjukan. C’est lui qui va être chargé, auprès des services britanniques spécialisés, de mener en Norvège, depuis Londres, la bataille de l’eau lourde…

Einard Skinnarland est un garçon robuste au regard franc. D’un coup d’œil Tronjstadt l’a jugé: c’est l’homme qu’il lui faut. .

– Vous avez rejoint, lui dit-il, les forces norvégiennes libres en Angleterre, maintenant, vous allez repartir pour la Norvège. Là-bas, vous serez l’agent de liaison entre les Résistants de l’usine de Rjukan et nos services de Londres. Sur place, vous préparerez l’avenir. Un jour, peut-être vous verrez arriver d’autres Norvégiens eux aussi envoyés par moi. Tenez-vous prêt.

L’usine de Rjukan ? Einard la connaît bien, il est né près du lac dont les eaux l’alimentent.

Deux jours plus tard, il est de nouveau assis à la table de famille. A quelques kilomètres de là, il a enfoui son parachute sous un tas de neige. Il sourit sans répondre lorsque son grand-père, qui ne sait pas d’où il vient, lui reproche de rester indifférent à l’avenir de la Norvège envahie… Par contre, son frère comprend tout d’un seul coup lorsque Einard, avec un clin d’œil, lui offre une cigarette anglaise : la famille Skinnarland va compter maintenant deux soldats de la Résistance norvégienne.

Les quatre de « Swallow »

Sur le bureau du Professeur Tronjstadt, le dossier de l’usine de Rjukan s’est gonflé de semaine en semaine. Désormais les Alliés savent tout ce qu’ils désiraient savoir.

En juillet 1942, Churchill donne l’ordre de frapper un grand coup, de préparer le sabotage de l’eau lourde. L’opération, si tout va bien, se déroulera en deux temps : d’abord un corps franc norvégien partira en avant pour préparer minutieusement l’intervention. Quand tout sera au point, vingt-cinq parachutistes britanniques rejoindront le corps franc en Norvège. Et ce sera le sabotage.

Le 15 octobre 1942, à onze heures trente du soir, deux officiers et deux sous-officiers (en civil) de l’Armée Norvégienne Libre, sautaient en parachutes au-dessus de leur pays natal et se posaient sur les premières neiges des montagnes du Télémarck. Leur chef, Jens Poulsen, est un sous-­lieutenant de vingt-cinq ans, sorti de l’Académie Militaire d’Oslo. Les quatre hommes sur les contrôles de Londres répondent à l’indicatif  « Swallow ».

Ils ont pour mission de s’installer comme ils le pourront dans la montagne, d’y vivre comme ils pourront, aussi longtemps qu’il le faudra. Avant tout, ils doivent entrer en contact avec Einard et assurer la liaison régulière par radio avec Londres, grâce au poste émetteur qu’ils ont amené. Ce dernier point est capital : pour que l’opération projetée ait quelque chance de réussir, il faut que Londres soit tenu au courant de ce qui se passe à l’usine de Rjukan, et dans ses environs, non plus seulement par des courriers passant par la Suède, mais jour par jour, et s’il est nécessaire, heure par heure.

Ils sont là, dans les solitudes de la montagne, en face d’une tâche démesurée, mais bien résolus à triompher. Ils connaissent la région; ils savent ce qui les attend.

Le beau temps qui les a accueillis à l’arrivée ne dure que quelques jours. Dès le 21 octobre, une violente tempête de neige annonce la venue de l’hiver; l’implacable hiver de la haute montagne norvégienne, qui va durer six mois, traînant derrière lui son cortège de blizzards, d’ouragans, de températures de plus en plus basses.

Le point qu’ils doivent atteindre afin d’y installer leur base d’opérations à proximité de l’usine même, est à 150 kilomètres du lieu où ils sont tombés avec leurs containers. Cent cinquante kilomètres qu’ils vont devoir couvrir par leurs propres moyens, dans des conditions qui, dès les premiers pas, se révèlent épuisantes.

Première difficulté : les Allemands ont brûlés presque toutes les huttes de montagne pour rendre la région inhabitable, en prévision, précisément, d’une tentative de coup de main comme celle qu’ils préparent eux-mêmes.

Le problème du chauffage, ensuite. Les poêles parachutés ne valent rien ; ils auraient été bien utiles pourtant avec leur système à brûler la paraffine. Le bois est rare, surtout à l’altitude où les quatre hommes avancent péniblement.

Le poids de leur équipement est écrasant : 240 kilos. Ils n’ont pas de traîneaux. Comme ils ne peuvent porter sur leurs épaules que 120 kilos à la fois, ils sont contraints de revenir sur leurs pas pour emmener le reste ; ils multiplient donc par trois les 150 kilomètres à parcourir.

Ils n’ont que trente jours de vivres. Les rations sont faites de viande séchée, de biscuits, de sucre, de farine et de lait en poudre. Le chef, Jens Poulsen, les a réduites au minimum en prévision d’une solitude qui durerait plus de trente jours.

La neige est mauvaise: elle se met en grumeaux sous les skis.

L’eau des marais, des fondrières, des cours d’eau n’est pas encore entièrement prise : chaque soir voit arriver à l’étape quatre hommes trempés jusqu’au ventre.

Et, pour comble de malchance, l’opérateur de radio n’a pas encore réussi à faire marcher son poste : le contact avec Londres n’est pas établi.

Le 24 octobre, il y a neuf jours qu’ils sont arrivés dans une ferme inhabitée, ils trouvent de la viande : pour la première fois, ils mangent à leur faim.

Ils sont à plus de mille mètres d’altitude; quand un coup de tempête fait voler la neige, le vent souffle parfois à 80 kilomètres à l’heure. Et cette radio qui ne marche toujours pas…

Une hutte, base d’opérations

Quand leur procession de fantômes blancs se fut traînée pendant 14 jours, ils trouvèrent enfin une hutte.

Jens Poulsen fait le point : cette hutte sera leur base d’opération ; ils sont maintenant assez près de l’usine de Rjukan.

A peine arrivés, l’opérateur de radio est déjà au travail, il a placé son casque d’un geste las: tant d’échecs successifs ne l’incitent pas à l’enthousiasme. Mais son visage s’éclaire. Ses trois compagnons se penchent vers lui. Victoire. L’indicatif de Londres a crépité contre les plaques. Et puis, le silence absolu. Les accus sont morts : ils sont tombés trop souvent, avec leurs porteurs, dans la neige à demi fondue.

L’un dès deux sous-officiers, Claus Helberg, natif de Rjukan, reçoit de son chef la mission de descendre un peu plus vers le sud pour y chercher de nouveaux accu; un peu plus au sud, en effet, à quelques kilomètres de l’usine, il y a l’amateur de cigarettes anglaises le frère d’Einard Skinnarland. Lui fera tout, on le leur a dit à Londres avant le départ, pour les aider. ..

Chasse à l’homme…

Claus Helberg part de bonne heure, le lendemain. C’est un bon skieur, il est décidé à faire vite. Ce jour-là, il fait un temps admirable, la lumière vole et scintille du ciel limpide et bleu à la neige vierge. Claus va comme le vent dans la chanson menue des skis qui glissent sans effort.

Sur l’immense étendue blanche, sa silhouette est un point noir, à peine perceptible à l’œil nu. Mais elle est démesurément grossie par les jumelles prismatiques de l’officier de troupes de montagne allemandes qui conduit sa patrouille dans la région. Il fait signe à l’un de ses soldats : un champion olympique de ski, et la chasse à l’homme commence.

Claus à l’avantage dans les montées car il est plus robuste que souple, mais l’autre gagne à toutes les descentes jusqu’au moment où Claus, qui se sentait déjà serré d’un peu trop près, voit avec soulagement, par-dessus son épaule, que son chasseur vient de faire une chute catastrophique. Claus, par précaution; s’impose encore un long effort, de toute la vitesse dont il est encore capable après quatre heures de poursuite ; puis il reprend une allure plus modérée : ce soir, il lui faudra refaire la même course en sens inverse et en portant les accus neufs dans son sac.

…et duel à mort…

Il en est là de ses calculs, lorsqu’un impérieux commandement en allemand le glace d’angoisse. Comme la voix le lui a demandé, il lève les bras, se retourne et reconnaît son chasseur qui a dû le rejoindre par un raccourci, après s’être remis de sa chute moins grave que spectaculaire.

Mais déjà, Claus, d’une main qui ne tremble pas, a tiré .son revolver de son blouson. Il veut amorcer le tir le premier, car il est sûr… sûr que son adversaire est un peu trop éloigné.

L’Allemand tire une balle… deux balles… tout son chargeur, balle après balle. A mesure que la neige, irisée par le soleil se creuse en rigole sous l’impact, à quelques mètres de lui Claus compte calmement. Il sait combien de balles contient le pistolet de l’homme qui est en face de lui. Quand il a compté sept, un sourire un peu féroce détend ses traits.

En voyant ce sourire, l’autre comprend et pâlit. Il tente de fuir, de profiter à son tour de la distance. Trop tard. Claus, de toute la puissance de ses jarrets se jette en avant sur ses .skis. Un nouveau coup de feu claque dans le silence ensoleillé… Cette fois, Claus ne sera plus rejoint.

Le soir, il frappe à la petite maison de bois, au bord du lac, où habite le frère d’Einard. Celui-ci vient ouvrir. Claus murmure le mot de passe qu’on leur a donné à Londres… .

Depuis ce moment et jusqu’à la fin, le contact par radio avec Londres ne sera plus interrompu…

VI

Sur le bureau de Tronjstadt puis, sur le bureau de Winston Churchill, arrivent maintenant tous les jours et parfois d’heure en heure les bulletins d’informations radiotélégraphiés par l’opérateur du Corps franc « Swallow ».

Peu à peu, à la lumière des renseignements ainsi transmis, Londres reconstitue dans toute son exactitude la situation telle qu’elle se présente à Rjukan, autour de l’usine géante et à l’intérieur de la petite pièce à l’eau lourde.

Les officiers des « Combined Operations» apprennent ainsi coup sur coup que les Allemands sont plus que jamais sur leurs gardes, que la garnison locale vient de doubler ses effectifs, qu’autour de l’usine, les sapeurs allemands ont tendu un nouveau réseau de fils de fer barbelés.

Aussitôt, quelque part en Angleterre, un moniteur des troupes aéroportées britanniques se penche sur une maquette qui reproduit dans tous ses détails l’usine de Rjukan. D’une pince légère, il l’entoure d’un fil qui représente le barrage des barbelés, suivant point par point les indications données .par les derniers messages de Swallow.

– Ça devient de moins en moins facile, dit-il, mais il nous reste encore cette grille à deux battants qui lorsqu’elle est fermée, coupe en deux la voie de chemin de fer qui dessert l’usine ; le passage est sûrement par là.

Les vingt-cinq hommes auxquels il s’adresse et qui font cercle autour de lui épaules contre épaules comme dans une mêlée de rugby, sont les vingt-cinq hommes que l’Etat Major des « Combined Operations » a désignés pour aller faire sauter l’usine de Rjukan…

La grande expédition

Les revoilà tous les vingt-cinq, non plus en cercle, mais sur deux rangs qui se font face; ils ne sont plus debout, ils sont assis… assis dans un planeur. L’avion qui les tire survole déjà, dans la nuit opaque, les montagnes de Norvège. Le visage à peiné éclairé par le reflet phosphorescent des appareils de bord, le pilote se penche à droite et à gauche.

– J’ai fait le point. Il n’y a pas d’erreur possible, c’est là qu’ils devraient être, murmure-t-il entre ses dents.

Et ses yeux écarquillés ne voient rien à travers l’épaisseur de la nuit d’encre, fourrée de brouillard.

Au-dessous d’eux, à quelques centaines de mètres seulement, les hommes de Swallow tendent des torches de magnésium; voilà deux fois; que les avions et les planeurs .viennent tourner au-dessus de leur tête. Ils s’éloignent de nouveau: de plus en plus amorti, le ronronnement des moteurs s’éteint soudain et restitue à la solitude glacée où s’agitent encore les fantômes blancs de Swallow son silence tragique et désespéré…

Manqué !

Un moment après, à moins de 100 kilomètres de là, vers les premières échancrures des fjords norvégiens et des îles aux eaux poissonneuses, un grand éclair, .puis des flammes rougeoyantes viennent de percer la nuit.

*

L’un des avions et les deux .planeurs, rentrant vers la Grande-Bretagne après leur opération manquée, faute de visibilité, se sont écrasés et flambent. Il y a des morts, mais beaucoup de survivants blessés ou indemnes.

De la salle grillagée de l’hôpital, et des cellules humides où on les a enfermés, les pauvres « British » entendent claquer sur les dalles le martèlement des bottes de leurs geôliers allemands? Jusqu’au petit matin où l’on ouvre les cellules, où l’on fait lever de leurs lits les blessés encore grelottants de fièvre. .

Debout près de la fenêtre sans barreaux qui domine la cour de la prison, un officier allemand soulève un peu le bord d’un rideau. Le rideau retombe lorsque l’officier a entendu l’éclat mat, amorti par la neige, d’une double salve, qui soudain rougit un coin de la cour.

Il se dirige vers la carte que ses hommes ont trouvée sur l’un des parachutistes britanniques; un crayon rouge a cerné d’un trait gras le nom de Rjukan, mais ce qu’il ne sait pas alors c’est que l’assassinat dont il a donné l’ordre et qui a été, tout à l’heure, exécuté sous ses yeux, traînera un jour son Reich devant le Tribunal de Nuremberg…

Pour lui c’est encore l’atmosphère de la victoire. L’officier allemand satisfait d’avoir rempli sa mission de gardien de l’eau lourde, d’avoir impitoyablement puni ceux qui sans doute étaient venus pour la détruire, fait renforcer encore les mesures de précaution autour de l’usine.

Les quatre hommes de Swallow ont été prévenus. La nouvelle les a d’abord accablés, tout était prêt… mais l’espoir leur est revenu on leur a promis qu’une nouvelle tentative aurait lieu à la prochaine lune…

Mystère sur Rjukan

Au-dessous d’eux, dans les vallées qui rayonnent autour de Rjukan, le long des pentes où sont juchés les bâtiments de l’usine, l’Allemagne prend ses précautions. Un ennemi clandestin rôde autour de l’usine à l’eau lourde. Il a sûrement des attaches solides avec la population locale; il a peut-être même sur place des observateurs en armes qui épient, qui attendent le bon moment et qui, entre temps, gardent le contact avec les Alliés ?

Les postes d’écoute allemands enregistrent parfois d’insolites émissions. Un mystère menaçant plane sur Rjukan. Alerté par l’incident des planeurs, Hitler a donné des ordres précis. La Gestapo arrête tous les suspects y compris le frère d’Einard.

Joseph Terboven, Commissaire du Reich pour la Norvège et le général von Falkenhorst qui commande les troupes d’occupation s’assurent eux-mêmes, sur place, de la protection de l’usine ; on voit passer dans les petites rues de Rjukan leurs puissantes automobiles a fanion rouge, blanc et noir: Les bûcherons ou les gardiens de rennes croisent dans les sentiers de la montagne des patrouilles accompagnées de chiens loups.

Parfois, une grande lueur s’élève sur les hauteurs et une épaisse fumée noire ternit de ses spirales, pendant des heures, la limpidité du paysage: des Allemands ont mis le feu à un refuge.

Sans nouvelles de son frère, Einard se sent tous les jours un peu plus menacé, il n’ose plus garder ses contacts. Une nuit pourtant, entre deux patrouilles, il chausse ses skis et monte rejoindre les hommes de Swallow. Tous les renseignements qu’il apporte sont aussitôt transmis à Londres.

Par deux fois déjà, la lune a cru et décru dans le ciel du Télémarck. Mais rien n’est venu rompre l’exténuante monotonie de la vie de Swallow. Il fait plus froid que jamais. Les vivres sont de plus en plus rares. Un grand découragement s’est abattu sur les quatre hommes. Et cette solitude ! Ce sentiment lancinant de l’inutilité d’un effort pourtant surhumain qui dure, qui dure…

Le chef Jens Poulsen note :

« Décembre. Les hommes sont malades; la fièvre, et ils souffrent aussi de l’estomac. Les vivres sont épuisés. Plus d’autre solution que le renne. Le radio a découvert un fusil de chasse et des cartouches. Il n’a encore rien tué. Il n’y a plus de bois sec. »

Le lendemain, le radio, parti comme tous les jours pour abattre un renne, revient avec… un poisson, un poisson séché qu’il a volé dans le garde-manger d’un refuge inhabité. Mais pour des hommes comme ceux-là, le découragement ne dure pas. Les informations à transmettre à Londres se font .rares. Le chef envoie Helberg aux nouvelles à Rjukan même. Helberg:est tout désigné pour cette mission périlleuse puisqu’il est né dans l’une des maisons de bois de la petite ville et que l’ingénieur de l’usine qu’il va contacter habite la maison voisine de celle-là, où vivent encore son père et sa mère.

Nuit de Noël

Cette fois, c’est la bonne lune. Londres, informé par l’émission que Swallow lui a faite, après la descente de Claus Helberg à Rjukan, prévient les quatre solitaires de l’arrivée des renforts.

Tout s’est bien passé. Helberg va remonter, chargé de renseignements vers la hutte qui sert de base au corps franc de Swallow. Il fait nuit. A tâtons, il se dirige entre les troncs des bouleaux autour desquels il jouait enfant. Il se rappelle, bien sûr, que les ordres sont formels, qu’en dehors des contacts, comme celui qu’il vient de prendre, il faut fuir la population qui, pour bienveillante qu’elle soit, doit ignorer l’existence de cette petite troupe en armes qui attend son heure pour fondre sur l’eau lourde.

Et pourtant, appuyé à un arbre, Claus, un vague sourire aux lèvres, regarde au travers la fenêtre de la salle commune (la Norvège n’a pas de black-out), la silhouette familière de sa mère qui va et qui vient autour de la table et près de la cheminée.

C’est l’avant-veille de Noël. Claus voit le petit arbre traditionnel chargé de givre et de paillettes d’argent. Sur le mur orné d’une branche de houx, il ya la photographie du Roi Kaakon.

Claus regarde et tout d’un coup, s’arrache à cette douceur, à cette lumière, Swallow doit émettre avant le lever du jour…

Nuit de Noël, réveillon, bonne humeur, vieilles chansons.

Jens Poulsen note : « Le temps s’est levé. On a pu enfin tuer un renne. Nous avons passé un bon Noël. »

VII

Cette fois, il ne s’agit plus de troupes aéroportées britanniques. Il s’agit d’un nouveau corps franc norvégien, composé de six hommes, eux aussi volontaires de la Compagnie « Linge », Corps d’élite des Forces Norvégiennes Libres entraînées en Angleterre. Si le premier s’appelait SwalÎow, le second va répondre à l’indicatif : « Gunnerside »

Ceux de Gunnerside

16 février, minuit. A une cinquantaine de kilomètres de la hutte qui sert de base d’opérations à Swallow, le vrombissement d’un avion éveille les échos de la haute montagne. Dans la nuit, glissent du ciel six masses blanches et soyeuses curieusement lestées par une forme indistincte.

Les six hommes de Gunnerside font une dernière culbute dans la neige poudreuse, ils sont en Norvège. Ils enterrent leurs parachutes et partent à tâtons à la recherche de Swallow qui, de son côté, tente de les découvrir dans l’immensité blanche où s’ensevelissent rapidement les dérisoires points de repère.

Ceux de « Gunnerside », au départ, sont plus chanceux que les quatre de Swallow. Eux, au moins, ont été lancés avec deux petits traîneaux. Ils ont l’équipement et l’armement ordinaires. Mais en plus, ils ont des explosifs : les explosifs, qu’on leur a confiés pour faire sauter l’usine de Rjukan.

La tempête de neige qui sévit depuis leur arrivée est si violente, que, pendant quarante-huit heures, ils ne peuvent pas sortir de la hutte où ils s’abritent. Ces hommes, passés brusquement du climat doux de l’Angleterre aux dures brûlures du froid de la haute montagne, tombent malades: bronchites et terribles engelures. Leur état s’aggrave, tandis que dehors, la tempêtes se transforme en ouragan, en blizzard dont les furieux coups de vent chargés de cristaux de neige; piquent, brûlent la peau, gercent et déchirent les lèvres et les paupières.

Et toujours à tâtons, vaguement guidés par Londres, Swallow et Gunnerside se cherchent et ne se rejoignent pas. Jusqu’au jour – neuf jours après le parachutage de Gunnerside – où ils se réveillent pour découvrir que le soleil rayonne dans un ciel éclatant et que la neige apaisée scintille doucement. Le chef de Gurinerside, Joachim Holmho Ronneberg note : « En approchant du village de Kallund, nous voyons venir droit vers nous deux skieurs inconnus. Je donne l’ordre à l’un de mes hommes de revêtir le grand manteau blanc de camouflage, de se coiffer d’un bonnet de civil. Il part pour prendre contact avec les deux hommes. Si ceux-ci l’interrogent, il répondra qu’il est gardien de rennes et qu’il fait la tournée de ses troupeaux. Nous nous cachons dans lès fourrés. Les deux hommes sont des hommes de Swallow » .Gunnerside et Swallow ne forment plus qu’un corps franc.

Dix hommes résolus

L’eau lourde allemande est en danger. Dix hommes résolus, commandés par CHURCHILL, vont affronter le Reich sur le champ de bataille immaculé de neiges et des laboratoires… Les rouleaux d’explosifs sont prêts.

C’est le moment où, en Europe occupée, Hitler et ceux qui font sa propagande, parlent de plus en plus des armes secrètes qui « bientôt vont faire leur apparition ».

L’avenir va donc dépendre pour une bonne part de ces neuf hommes qui, maintenant que la nuit est tombée en cette soirée du 27 février 1943, descendent silencieusement vers la vallée de Rjukan.

En face d’eux, mais sur le versant opposé, ils distinguent l’usine géante entourée de ses vapeurs, percée de ses vives lumières. Leur chef – le lieutenant Joachin Ronneberg – les arrête, un instant. Ils se débarrassent de leurs vêtements blancs. Et les voilà en uniformes. Ce soir, comme ils partent à l’attaque, ils ont voulu se battre à découvert…

Au-dessous d’eux, un peu à gauche, ils distinguent les lumières des petites maisons de bois de Rjukan. La nuit est assez claire. Les souffles du vent seraient imperceptibles si, en descendant la vallée, ils ne faisaient pas longuement vibrer comme des cordes de contrebasse les filins métalliques tendus d’un versant à l’autre et qui forment les mailles du filet destiné à empêcher les bombardements en piqué…

Pour les neuf hommes, les difficultés vont commencer. Jusqu’ici, ils sont descendus de la haute montagne, de toute la vitesse de leurs skis, grisés par la joie sportive, éblouis par le plaisir de faire tourbillonner la neige en une magique fantasia blanche, de baigner dans le froid vif et sain de la nuit transparente… Désormais, il s’agit de descendre le long des flancs lisses d’une falaise à pic et glissante, puis de remonter le long d’une autre falaise semblable, au faîte de laquelle tout en haut, ils trouveront la ligne de chemin de fer qui dessert l’usine et qui doit leur fournir le seul moyen de pénétrer jusqu’à elle. Il y a bien la souple passerelle suspendue qui enjambe la vallée, mais c’est là que les Allemands ont établi le principal poste de défense extérieure de l’usine.

La descente commence. Ils sont peu chargés : quelques armes légères au ceinturon ou en bandoulière, de quoi manger un peu au cours de route, les explosifs, des lampes électriques et quelques outils.

Le chef de l’expédition l’a racontée de la façon suivante dans le rapport officiel qu’il a ensuite adressé à Londres :

« A 10 heures, glissant et trébuchant, nous commençons à descendre vers la rivière (qui coule au fond de la vallée et qu’ils devront donc traverser pour atteindre l’autre versant). La débâcle est déjà amorcée ; il n’y a plus qu’un seul point de neige praticable, mais il est recouvert de plus de dix centimètres d’eau. Nous grimpons ensuite le long de la falaise abrupte et rocheuse qui forme la rive opposée… »

Avalanche !

En file indienne, le corps collé contre la paroi rocheuse, ils montent lentement. Dans la nuit maintenant claire, ils aperçoivent et entendent les soldats en armes du poste de garde de la passerelle suspendue. A mesure qu’ils s’élèvent, les bouffées du vent leur apportent, à travers l’ahanement essoufflé de leur propre respiration, le ronflement doux et rythmé des machines huilées de l’usine géante.

Soudain, tous ces bruits infimes ou lointains sont dominés par la chute sonore et rebondissante d’un rocher que l’un des neuf hommes vient sous son poids d’arracher à la falaise. Tous retiennent leur souffle : la marche cadencée des sentinelles allemandes sur la passerelle s’est arrêtée. Des ombres se penchent par-dessus le parapet et cherchent à découvrir l’origine du bruit insolite.

L’ascension reprend. Un dernier effort, un rétablissement sur les poignets : les neuf hommes ont atteint la ligne de chemin de fer.

Joachim Ronneberg note : « Nous progressons jusqu’à 500 mètres de la grille qui coupe, en se fermant, la ligne de chemin de fer desservant l’usine. Le vent d’ouest nous apporte faiblement le halètement des machines. Nous allons attendre là sans bouger jusqu’à minuit et demie. »

VIII

L’attaque est fixée à minuit et demie, c’est-à-dire quelques minutes après la relève, qu’ils voient se faire au-dessous d’eux, de la garde sur la passerelle.

Ils ont repéré l’étroit passage le long de la voie ferrée ou des traces de pas prouvent qu’il n’y a pas de mines. Ils sont prêts. Serrés les uns contre les autres, ils se rappellent les consignes. Le mot de passe, s’ils ont à se reconnaître dans l’obscurité ou dans la confusion d’un corps à corps : « Piccadilly…Leicester Square ». Ils se diviseront en deux groupes ; le groupe d’action composé du chef de l’expédition et de deux hommes et le groupe de protection qui, comme son nom l’indique, couvrira l’attaque. – Quand l’opération sera en cours d’exécution, liberté de manœuvre et initiative complète. Toute personne non allemande rencontrée sur les lieux devra selon les circonstances, être traitée avec la détermination requise. Ils ont tous pris l’engagement de se tuer s’ils voient qu’ils vont tomber aux mains de l’ennemi…

La nuit n’est plus animée dans le silence universel que par le doux ronflement des machines de l’usine. Au rez-de-chaussée, sous la masse des sept étages de béton et d’acier l’objectif ; une petite pièce où luisent des tubes d’acier et où l’eau lourde se concentre lentement, destinée aux laboratoires allemands qui préparent la bombe atomique.

Cette fois, c’est un claquement de tenaille qui a rompu le silence de la nuit ; deux hommes du groupe de protection, partis les premiers, viennent de broyer la lourde chaîne et le cadenas de la grille qui coupe la ligne de chemin de fer.

Une main légère remonte le long de chaque battant : pas de fil électrique. La route est ouverte. Le sabotage de l’eau lourde a commencé.

Dans l’usine

Avec une précision d’horlogerie, les neuf hommes courent sans bruit dans la cour de l’usine. Les hommes du groupe de protection se placent en chacun des points qui leur a été assigné sur le plan : entre leurs mains un peu crispées le canon des armes suit au jugé la direction suivie par les trois hommes du groupe d’action qui éprouvent la première entrée possible vers la petite pièce à l’eau lourde. Pas de succès : la porte, fermée de l’intérieur, est lourdement barrée… Ils se dirigent, toujours dans le même fantastique silence, vers la deuxième entrée.

Le gémissement d’une porte mal huilée se fait entendre à côté d’eux. Comme s’ils étaient foudroyés par un charme, les neuf hommes s’immobilisent en même temps, suspendant le geste commencé dans le rai de lumière que jette sur la neige la porte qui vient de s’ouvrir. Un soldat allemand passe la tête d’abord, puis tout le corps. Il promène jusqu’au milieu de la cour le faisceau d’une grosse lampe électrique. Le sommet de l’arc lumineux ainsi décrit s’arrête par bonheur à quelques centimètres des semelles ferrées du plus proche des neuf hommes.

La porte gémit de nouveau et se ferme. Dans l’ombre, le charme est rompu : les neuf hommes reprennent leurs mouvements ou leur pose. La deuxième porte est elle aussi inaccessible. Le temps presse. Suivi d’un de ses hommes, le chef de l’expédition qui est aussi le chef du groupe d’action, s’élance vers le troisième accès, le moins aisé. Joachin Ronneberg écrit dans son rapport :

Nous atteignons l’eau lourde

« Nous n’avons pas pu ouvrir la deuxième porte. Mais par la fenêtre de la petite pièce, j’ai aperçu, de dos, un homme Immobile. Nous nous mettons à chercher le dernier accès possible : le tunnel qui, dans la muraille extérieure, donne passage aux câbles électriques. Après les deux premiers échecs, c’est désormais notre dernière chance d’accès dans la petite pièce à l’eau lourde. Ce faisant, nous nous égaillons. Finalement, je trouve le tunnel. Suivi d’un seul de mes hommes, je m’y glisse au milieu des câbles enchevêtrés. Par un trou, dans la paroi, j’aperçois à ma gauche l’objectif. Il ne s’agit plus de perdre une minute : l’homme qui m’accompagne et moi, nous allons accomplir la mission tout seuls. Nous sommes maintenant dans une pièce adjacente à l’objectif. La porte qui, de cette pièce, ouvre sur celle où se concentre l’eau lourde est ouverte. Nous entrons. Le veilleur de nuit n’en croit pas ses yeux.

« Mais, il se tient tranquille… Je commence à placer les charges explosives… Soudain, derrière moi, j’entends un bruit de verre brisé. Je lève les yeux, quelqu’un vient de crever la vitre de la fenêtre qui ouvre sur la cour : une tête d’homme s’y encadre et regarde. C’est un de mes hommes qui n’ayant pas trouvé le tunnel des câbles a décidé de sa propre initiative de passer par la fenêtre. Il m’aide à placer les charges. »

Victoire !

« Dehors, pas la moindre trace d’alerte. Pourtant la protection de l’usine, outre les postes de garde, les sentinelles et les veilleurs comporte un dispositif sonore et lumineux qui peut en une seconde déclencher le hurlement des klaxons et la ronde des faisceaux de projecteurs.

Dehors, les mains un peu plus crispées, sur le canon et sur la gâchette, le groupe de protection scrute la nuit.

Nous allumons les deux mèches, nous quittons la petite pièce.

Nous sommes à vingt mètres d’elle, lorsque l’explosion se produit.

Nous repoussons la grille et nous suivons la ligne de chemin de fer. Un instant; je regarde en arrière, par-dessus mon épaule et j’écoute. Tout est encore tranquille ; j’entends seulement comme tout à l’heure en venant, le halètement des dynamos. »

Mais tout d’un coup, le silence est déchiré par le hululement des sirènes : la nuit est percée par les projecteurs qui s’allument aux quatre coins de l’usine. Trop tard ! 1.500 kilos d’eau lourde, la partie la plus importante des engins de fabrication, viennent d’être anéantis par les explosifs.

Les neuf hommes de Gunnerside et de Swallow, ont réussi cet exploit. Neuf seulement, en effet : les deux autres sont restés dans la montagne, pour garder le contact par radio avec Londres.

C’est à eux que revint l’honneur d’annoncer là-bas, le résultat du sabotage.

L’élan de l’Allemagne dans sa course aux armes secrètes était suspendu, au moins pour un certain nombre de mois…

Mission remplie !

Quelques jours plus tard, les onze hommes de Swallow et de Gunnerside se séparaient. Sur .la neige qui les avait vus, une nuit descendre du ciel en parachute, neuf allaient partir pour la Suède, puis l’Angleterre. Mais deux allaient demeurer sur place, garder le contact avec Londres, se tenir prêts, toujours dans le froid, toujours dans la solitude, toujours avec la faim au ventre – à répéter l’attaque s’il était nécessaire.

Tandis que dans le désert blanc de Télémarck, ils se séparaient ainsi, non loin d’eux et dans la vallée, l’Allemagne prenait des mesures nouvelles de protection et de représailles. .

L’ennemi invisible avait frappé une nuit, en pleine surprise et il avait magnifiquement réussi son coup de main. Mais l’Allemagne conservait la source de l’eau lourde; elle entendait intensifier son effort et réparer en quelques mois les dégâts causes par le sabotage du 23 février.

Le vacarme assourdissant des 80 forteresses volantes tournoyant au-dessus de Rjukan et bombardant en piqué l’usine géante donna la preuve, à la mi-novembre 1943, que les Alliés, fidèlement informés par la radio des deux solitaires de Télémarck,  jugeaient de nouveau importante .la production de l’eau lourde.

IX

Dans le refuge où ils sont installés et d’où partent tous les jours les messages en code, Eynar et Knut – les deux hommes demeurés sur place, – devisent paisiblement, comme ils font souvent dans leur interminable tête-à-tête.

Un coup de poing frappé contre la porte les fait sursauter. Mais c’est un ami qui vient les visiter : l’ingénieur Sorlie qui, de l’intérieur même de l’usine, les tient au courant de tout ce qui s’y passe : « Ils » viennent de prendre une, décision inouïe, dit-il d’une voix encore essoufflée par la course dans la montagne: « Ils » ont décidé de faire partir l’eau lourde pour l’Allemagne !…

 Un dialogue dramatique

La nouvelle est, en effet, sensationnelle. Pour les deux hommes qui la recueillent des lèvres du fidèle Sorlie, elle signifie qu’enfin, quelque chose va se passer, que leur vie de Robinson des Glaces et des Neiges va prendre un tour plus actif, plus dramatique aussi sans doute.

Pour Londres, Winston Churchill et le professeur Tronjstadt, cette nouvelle que viennent de capter les grandes antennes métalliques de la B.B.C, signifie que la « Bataille de l’Eau .Lourde » s’engage dans sa phase décisive : si des ordres formels viennent d’arriver de Berlin, si l’Eau Lourde de Rjukan doit partir sans délai pour le Reich, c’est que les laboratoires du Reich sont décidés à l’utiliser.

Entre la petite antenne des neiges, soutenue par deux bâtons, de skis et les bras immenses des antennes réceptrices d’Angleterre, s’établit un dialogue précipité :

« Le stock qui va partir pour l’Allemagne, précise l’émetteur perdu dans les solitudes du Telemark, ­est un stock de dix mille litres, résultat de deux ans d’effort sans cesse intensifié malgré la résistance des ouvriers et de la Direction de l’usine, malgré sabotages et bombardements. »

Dans son bureau londonien, le professeur Tronjstadt suppute la valeur de ces dix mille litres : « leur destruction, suspendrait pendant des années les recherches atomiques du Reich. ».

Et pourtant, le Reich ne tient à rien tant qu’à poursuivre, au contraire, ses recherches atomiques. Poursuivre ? Peut-être atteindre le but…

Hitler vient de hurler quelque part en Allemagne: « Dieu me pardonne les huit derniers jours de la guerre. ». A Radio – Paris, Jean-Hérold Paquis vient de lancer la fameuse- formule : « L’Angleterre, comme Carthage, sera détruite:.. »

La petite antenne autour de laquelle attendent, anxieux, Eynar, Knut et SORLIE ajoute : « Ce n’est pas seulement l’Eau Lourde qui va partir, c’est aussi tout son matériel de fabrication. »

Londres répond : « Détruire convoi, coûte que coûte, par tous les moyens. »

Instantanément Knut soumet un plan à Londres qui accepte et ajoute: « Ordre impératif de succès. »

Nouvelle attaque

Le plan est simple. Non loin de l’usine, dans la mansarde de la maison qu’habite Sorlie, les trois hommes sont réunis, Knut parle :

– J’ai fait cela, dit-il, avec les pièces d’un réveille-matin.

Et il montre quelque chose qui a encore l’air en effet d’un réveil mais qui est un mécanisme d’horlogerie, destiné à commander, les charges explosives. .

Knut ajoute :

– J’ai calculé que les charges sont assez puissantes pour détruire le convoi en quatre ou cinq minutes…

Le plan de Knut consiste tout simplement à couler le ferry-boat sur lequel, dans quelques heures, demain matin, vont être transbordés l’Eau Lourde et son matériel de fabrication.

Knut dit encore :

– Cet après-midi, j’ai traversé le lac sur le ferry-boat qui va servir demain. J’ai calculé qu’à dix heures quarante-cinq il se trouvera sur des fonds de trois cents mètres.

C’est le 19 février 1944, presque un an jour pour jour, après le sabotage par les hommes de Swallow et de Gunnerside, de la petite pièce à l’Eau Lourde au fond de l’usine géante…

Rjukan et ses environs ont vu arriver de nouvelles troupes allemandes, en particulier des S.S. et de la Gestapo, venues pour assurer la protection du convoi depuis l’usine jusqu’à la mer.

L’itinéraire que suivra l’Eau Lourde sera le suivant : le train quittant l’usine descendra à travers Rujkan jusqu’au lac où les wagons contenant l’Eau Lourde et le matériel de fabrication, passeront à bord du ferry-boat « Hydro ».

Au delà du lac, le train se rendra jusqu’au port maritime d’embarquement ; de là, l’Eau Lourde terminera son voyage jusqu’au Reich par mer…

X

Il est 10 heures du soir; la nuit est épaisse. De temps en temps des projecteurs promènent lentement leur pinceau de lumière sur les abords de l’usine et sur la vallée. Tout le long de la voie ferrée, sur laquelle le train va rouler, tout à l’heure depuis l’usine jusqu’au lac, il y a des sentinelles tous les cinquante mètres ; les patrouilles circulent dans Rjukan et sur les routes alentour.

Jusqu’à la tombée de la nuit, des avions de reconnaissance ont survolé la région. L’Allemagne protège son Eau Lourde…

Une heure du matin : les trois hommes qui tout à l’heure devisaient dans la mansarde de SORLIE, chacun portant un sac, descendent dans la cour de la maison où les attend un taxi dont le chauffeur, un Résistant comme eux, s’est fait octroyer par les Allemands (Dieu sait comment) un Ausweis de nuit. Tout de suite, le taxi se met en route vers le lac.

Par la glace baissée, Knut et ses compagnons aperçoivent le train, la garde qui entoure ses wagons, les sentinelles qui jalonnent les rails. Dans la petite, gare de bois qui dessert l’embarcadère du lac, à une centaine de mètres du bord de l’eau il y a encore des sentinelles.

A bord de l’ « Hydro »

Le taxi avance toujours. Sur un signe de Knut le chauffeur s’arrête, un peu en retrait ; l’ordre lui est donné de rester au volant et de laisser son moteur en marche. Ouverte sans bruit, la portière du taxi laisse passer les trois hommes qui, à pas de loup, mais prêts à passer coûte que coûte, s’approchent, la main serrée sur le manche du poignard, de l’embarcadère où’ est accosté le ferry-boat « Hydro ».

Ils sont déjà au bord de la passerelle et, de là, ils découvrent tout l’embarcadère, et les deux, ponts du ferry-boat.

Nulle part, il n’y a de sentinelles allemandes. Ils se regardent stupéfaits mais reprennent aussitôt leur marche. Les voilà à bord du ferry-boat, ils entendent à l’intérieur du navire l’équipage norvégien qui joue aux cartes. Knut et ses deux compagnons descendent vers le pont où se trouve le salon des passagers.

Knut écrit dans son rapport : « Laissant un de mes hommes dans le salon, je passe avec l’autre par une trappe. Suivant la quille, nous nous dirigeons à tâtons vers l’avant, c’est là que je place mes charges d’explosif. »

En réalité, l’opération est laborieuse. Il faut éviter autant que possible de se servir des lampes électriques; il faut éviter surtout de faire le moindre bruit. Et ils sont là, tous les deux, en équilibre instable sur les membrures du navire, les pieds dans un mélange noirâtre d’eau et d’huile, qui fait glisser.

Knut regarde encore une fois le cadran qui porte l’heure fatidique : 10 heures 45. Quand ils ont fini, il est 4 heures du matin. Ils remontent par la trappe, rejoignent celui qu’ils ont laissé de faction dans l’ombre du salon des passagers. A peine l’ont-ils retrouvé, qu’une voix dit auprès d’eux, en norvégien:

– Mais que faites-vous ici à cette heure ?

C’est un veilleur de nuit, à qui Knut répond, jouant le tout pour le tout :

– Nous essayons de nous cacher, nous sommes poursuivis par la Gestapo.

– Eh bien, répond le veilleur, je vais vous donner une bonne cachette, mettez vous là. Et il désigne la trappe sous laquelle les explosifs viennent d’être placés.

– Merci, dit Knut, nous reviendrons un peu plus tard…

– Pas trop tard, le ferry-boat partira vers 10 heures et j’aurai quitté mon service.

Les trois hommes ressortent par le même chemin, franchissent la passerelle aussi vite qu’ils le peuvent. Il n’y a toujours pas de sentinelles allemandes. Ils retrouvent le chauffeur à son volant, avec le moteur qui tourne toujours au ralenti. Un instant plus tard, la voiture disparaît dans la nuit sans avoir attiré l’attention…

La bataille est gagnée

Le jour est venu. Dans le ciel limpide passent et repassent des patrouilles d’hydravions. Au bord du lac, le train de l’Eau Lourde vient d’arriver sur l’embarcadère, qui maintenant fourmille de sentinelles armées jusqu’aux dents. Dans un grand bruit de chaînes, les wagons passent à bord du ferry-boat. Les dix mille litres d’Eau Lourde sont en route pour le Reich. Bien loin de là, dans la montagne, Knut regarde le cadran de sa montre: il y a encore une heure :

– 10 heures 45 ! Pourvu que tout marche bien !…

D’ailleurs les Alliés ont pris des précautions supplémentaires. Au large de la côte norvégienne, devant le port d’embarquement, des sous-marins anglais sont prêts à intervenir.

Si l’Eau Lourde arrivait jusque-là !

Dans le calme de la matinée, sur laquelle brille un éclatant soleil, le ferry-boat « Hydro » trace lentement son sillage sur l’eau paisible du lac.

Sur sa montre, Knut lit : 10 heures 40, 10 heures 43, 10 heures 45… Son visage se crispe… Cependant, sur le lac il ne s’est rien passé.

10 heures 47, 10 heures 48, 10 heures50.

Une immense gerbe de feu suit une explosion assourdie, qui vient d’ébranler le ferry-boat de proue en poupe (fig. 2). En quelques secondes, l’avant qui s’enfonce rapidement est presque déjà sous l’eau. Une deuxième gerbe, plus haute encore que la première : les wagons contenant l’Eau Lourde et son matériel de fabrication, viennent de disparaître par trois cents mètres de fond.

Bientôt l’eau du lac retrouve son calme sous l’éclatant soleil de cette matinée de février 1944. La bataille de l’Eau Lourde était gagnée et l’Angleterre ne fut pas détruite comme Carthage…

Mais Knut, lui, fut très mortifié lorsqu’il apprit, beaucoup plus tard, que « son» explosion avait eu cinq minutes de retard…

V. CONCLUSION

Je laisse la conclusion de cette aventure héroïque à un scientifique allemand, Kurt Diebner, qui dit : « La destruction de notre production d’eau lourde en Norvège fut la principale raison de notre échec à la mise au point d’un réacteur en chaîne avant la fin de la guerre ».

Remarquons qu’il parle de la mise au point d’un réacteur et non d’une arme. Dans un prochain article, nous verrons où en était la recherche nucléaire en Allemagne et si les craintes des Alliés, à propos de la mise au point d’une bombe nucléaire allemande, étaient justifiées.

VI. QU’EST-CE QUE L’EAU LOURDE?

L’eau lourde ou, en terme savant, hémioxyde de deutérium (formule: D2O ou 2H2O), a été découverte en 1930, elle est formée d’un atome d’oxygène et de deux atomes de deutérium, isotope de l’hydrogène.

Le premier échantillon d’eau lourde pure fut isolé en 1933 par Gilbert Newton Lewis.

Le noyau de l’hydrogène ordinaire est formé d’un proton et a une masse atomique de 1. Il existe deux autres isotopes naturels de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. En plus de son proton le noyau du deutérium renferme également un neutron. Il a donc une masse atomique de 2. Quant au tritium c’est un élément instable et radioactif dont le noyau possède un proton et deux neutrons. Il a une masse atomique de 3. Dans un volume donné d’hydrogène, on retrouve environ 0,02 % de deutérium. Ces atomes de deutérium peuvent se combiner avec l’oxygène pour donner de l’eau lourde, dont la densité est d’environ 11% supérieure à celle de l’eau ordinaire.

Deuterium

Fig. 1 – Comparaison entre atome d’hydrogène et deutérium

L’eau lourde a les mêmes propriétés chimiques que l’eau ordinaire. Quand aux propriétés physiques, l’eau lourde bout à 101,42 °C au lieu de l00 °C, et son point de congélation est de 3,81°C au lieu de 0°C.

C’est le domaine de la fission nucléaire qui mit l’eau lourde en vedette. Elle est utilisée comme « modérateur » dans certains types de réacteurs : CANDU, réacteur à uranium naturel et à eau pressurisée. Rappelons qu’un modérateur sert à ralentir les neutrons libérés par la fission, favorisant ainsi la réaction en chaîne. On peut utiliser de l’eau ordinaire, mais l’eau lourde a l’avantage de moins capturer les neutrons. Certains modèles de réacteurs utilisent plutôt le graphite comme modérateur.

L’eau lourde est naturellement présente dans l’eau mais en très faible quantité : une molécule d’eau lourde pour 7000 molécules d’eau ordinaire. Il existe divers procédés de production d’eau lourde : par électrolyse et distillation de l’eau, distillation de l’hydrogène liquide, échange isotopique H2OH-H2S, échange isotopique NH3-H2. Dans le cas des échanges isotopiques, on exploite la différence d’affinité du deutérium et de l’hydrogène pour les différents composés. Ces procédés chimiques sont basés sur la différence de poids moléculaires qui produit une légère différence de vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent.

La première installation de production industrielle d’eau lourde a été réalisée en 1934, par la société Norsk Hydro qui s’est implanté à Vemork (Rukjan) en Norvège. Elle avait une capacité de production de 12 tonnes par an. Je vous ai raconté son histoire plus haut.

La plus grande partie de l’eau lourde utilisée en France, après la guerre, a été importée de Norvège et des États-Unis (selon certaines sources). Les réacteurs civils mis en service dans l’Hexagone avant 1967 auraient demandé 150 tonnes d’eau lourde au maximum. De l’eau lourde serait stockée à Saclay et à Cadarache.

Actuellement, ce sont surtout les Canadiens qui développent les réacteurs à eau lourde. J’en reparlerai lorsque j’aborderai la recherche nucléaire au Canada.

Un de nos lecteurs a posé la question de l’utilisation première de l’eau lourde. Malheureusement, je n’ai rien trouvé de précis. La seule référence à une utilisation autre que celle de modérateur est la suivante : 1931- utilisation de l’eau lourde (Deutérium) pour mesurer le contenu en eau du corps humain, selon le principe de dilution.

Par contre, elle est également utilisée actuellement pour la détection des neutrinos. Ainsi, l’Observatoire de Neutrinos de Sudbury SNO (Ontario. Canada) utilise 1.000 tonnes d’eau lourde dans une cuve enterrée dans une mine à plus de deux kilomètres sous terre afin d’être protégée des rayons cosmiques. Le SNO détecte l’effet Tcherenkov produit quand un neutrino traverse l’eau lourde.

VII. BIBLlOGRAPHIE

  • Crochet Bernard, McNair Ronald – La bombe atomique Hiroshima – Nagasaki. Historica Hors série. juil-août-sept 1995.
  • Gallagher Thomas – Halte à la bombe de Hitler, Selection du Reader’s Digest, mai 1976.
  • Gueron Jules (1980) – Lew Kowarski et le développement de l’énergie nucléaire.

 

Explosion ferry-boat

Figure 2- Une immense gerbe de feu suit une explosion assourdiequi vient d’ébranler le ferry-boat de proue en poupe.

 

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La radioactivité des roches (3)

Article paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N° 172, mars 2012

Robert Six

I. RADIOACTIVITE DES ROCHES SEDIMENTAIRES

A. Origine des roches sédimentaires

La plupart des roches sédimentaires se forment en milieu aqueux (lacs, mers, océans) et sont composées principalement d’éléments clastiques ou détritiques, qui se sont sédimentés. Ces divers constituants proviennent de la désagrégation, par différents procédés d’érosion, de roches préexistantes : roches magmatiques, métamorphiques et même sédimentaires.

L’érosion sera causée par des phénomènes physiques et mécaniques ou des procédés chimiques ou l’action d’organismes vivants.

On distingue traditionnellement trois origines différentes de sédiments : détritiques, chimiques et biologiques. La distinction ne repose pas sur l’origine première des matériaux mais sur les modalités de transport et de dépôt.

Les éléments détritiques arrachés aux roches du sol sont entraînés par les eaux de ruissellement, l’avancée des glaciers ou les vents. Durant leur transport, ils subiront une usure plus ou moins prononcée selon leur dureté.

Les procédés chimiques peuvent intervenir en présence d’eau lorsque celle-ci est plus ou moins chargée de sels de natures diverses.

Les actions organiques sont souvent causées par des bactéries ou des végétaux inférieurs sous forme d’action chimique, ou par des organismes supérieurs, dont l’action est surtout mécanique.

B. Uranium et thorium dans les roches sédimentaires

Rappelons que la radioactivité naturelle des sols et des roches est due à la présence des trois radioéléments naturels à longue durée de vie : 238U, 232Th, 40K et de leurs produits dérivés comme le radium. Selon leur nature, les sols et les roches ont une radioactivité spécifique qui permet de les différencier. Ainsi, les argiles et certains sables résultant de la désagrégation des massifs primaires sont plus radioactifs que les craies et les calcaires.

L’uranium et le thorium des roches sédimentaires proviennent donc directement ou indirectement des roches magmatiques. Du fait de leur densité élevée (U = 18,95 ; Th = 11,72), ils se déposeront partiellement au pied de la roche-mère, ou pendant le transport, ou atteindront le bassin de sédimentation. Les éléments radioactifs, étant de ce fait fortement dispersés, les roches sédimentaires en contiendront moins que la roche-mère. Une roche sédimentaire, déjà pauvre en U et Th, désagrégée à son tour par l’érosion,  donnera des sédiments encore moins riches en ces éléments. Il en résulte que l’U et le Th des roches sédimentaires est, en général, à par quelques placers, à l’état diffus, et que l’on ne trouve pas de gisements uranifères ou thorifères à forte concentration dans ce type de roches.

Les minéraux microscopiques uranifères et thorifères résistent mal à l’érosion. Parmi les plus fragiles citons l’autunite, la pechblende, la samarskite, la thorianite et la thorite. Ils seront détruits avant la sédimentation et donc on les retrouve rarement dans les roches sédimentaires.

Par contre, des inclusions tels que les zircon qui résistent bien aux traitements mécaniques et chimiques seront transportés jusqu’au lieu de dépôt sédimentaire sans subir de modifications majeures.

Enfin, d’autres inclusions, surtout thorifères, de résistance moyenne ne subiront qu’une attaque chimique limitée, comme la monazite, l’apatite et le xénotime. Ces métaux lourds se déposeront en cours de transport, ou s’accumuleront dans des placers très riches.

Nous avons vu dans l’article précédent que l’uranium en milieu oxydant pouvait donné des composés complexes solubles et qui de ce fait peuvent être emportés par les eaux superficielles ou souterraines et entraînés jusqu’aux océans. Par contre, le thorium et ses isotopes sont peu solubles et ont une forte tendance à l’hydrolyse et à être précipités.

C. Classification des roches contenant des éléments radioactifs

Des observations effectuées sur des roches sédimentaires de provenances diverses ont montré que :

  • La radioactivité moyenne des sables, des grès, des calcaires et des dolomies est faible ;

  • Les argiles, qui absorbent préférentiellement les ions K+, sont fortement radioactives ;

  • La radioactivité des marnes est fonction de leur teneur en argile ;

  • Les gypses et l’anhydrite ont une très faible radioactivité.

On peut classer les roches sédimentaire sur la base du critère « radioactivité » en :

  1. Roches à radioactivité élevée :
  • La plupart des argiles qui constituent le support préférentiel de fixation des trois éléments radioactifs principaux, et qui peuvent, d’un autre côté, contenir des proportions importantes de matières organiques ou de phosphates, riches en uranium ;

  • Les schistes noirs ;
  • Les évaporites potassiques ;
  • Les phosphates ;
  • Certains sables et grès riches en minéraux accessoires à uranium et thorium ;

  • Les granites potassiques et les roches qui en découlent par érosion ou métamorphisme.

  1. Roches à radioactivité moyenne:
    • Les grès et les sables ;
    • Les gneiss.
  1. Roches à radioactivité faible :
    • Les calcaires et les dolomies ;
    • Les charbons en général ;
    • Les évaporites sans potassium, la halite et l’anhydrite ;
    • Les roches basiques et ultrabasiques

radioactivié naturelle

Fig. 1 – Radioactivité naturelle des principaux types de roches.

A.P.I. : unité de calibration de l’American Petroleum Institute[1]

D. Distributions des radioéléments

  1. Dans les calcaires

D’une manière générale, les calcaires se caractérisent par l’absence de thorium et de potassium, radioéléments liés dans les roches sédimentaires habituelles, à une phase détritique (minéraux argileux lourds). Par contre le clarke[2] de l’uranium se situe aux alentours de 2 ppm.

Ces teneurs relativement faibles s’expliquent par le fait que le calcaire provenant d’organismes aquatiques se forme dans des eaux peu profondes et bien oxygénées, milieu peu favorable à la précipitation de l’U.

Ce dernier élément se concentre dans les calcaires par des processus purement chimiques ou biochimiques. Dans ce type de roches, la radioactivité est généralement très diffuse, mais dans certains cas de calcaires impurs on peut trouver des minéraux plus ou moins actifs. Ainsi, en milieu sédimentaire carboné, les phosphates jouent souvent un rôle fondamental dans la fixation de l’uranium. En milieu marin, l’uranium est fixé par des organismes ou des carbonates d’origine biologique.

  1. Dans les roches carbonées

Dans les roches carbonées, on comprend les roches combustibles, d’origine organique. Elles sont constituées par les charbons et les hydrocarbures.

Rappelons que les charbons sont formés par des débris végétaux qui se sont accumulés dans l’eau par sédimentation et qui se sont transformés en milieu anaérobie, sous l’action de microbes. Les différentes phases de la transformation de ces débris végétaux en charbon sont :

  • la tourbe, qui correspond au début de leur fossilisation. Sa teneur en carbone peut atteindre 50% de son poids. Elle correspond à des dépôts récents ;

  • le lignite qui contient près de 50 à 60% de carbone. Il constitue des dépôts plus anciens ;

  • la houille dont la teneur en carbone est de 80 à 90%. Elle participe de dépôts anciens ;

  • l’anthracite contenant de 92 à 95% de carbone. C’est une roche que l’on trouve uniquement dans le Paléozoïque (Carbonifère et Permien) ;

  • le graphite correspond à la dernière augmentation de carbone (100%). Il constitue des dépôts très anciens dont les couches ont été métamorphisées.

Ces roches carbonées ont généralement des teneurs en éléments radioactifs peu significatives, du fait que les conditions favorables à leur dépôt n’existaient pas lors de leur formation.

Dans le Dakota, aux Etats-Unis, on trouve des lignites contenant 0,005 à 0,02% d’U, ce qui est très faible. Par contre, la combustion de ce lignite donne des cendres dont la teneur varie de 0,05 à 0,1%. Le lignite triasique des Vosges contient 18,8 ppm d’U (G. Jubain, 1955).

Certaines mines de lignite sont des sources de radon et de ses descendants qui peuvent être impliqués dans la genèse de cancers du poumon des travailleurs qui y sont exposés. Les taux peuvent varier fortement selon les lieux et les moments de prélèvements. Par exemple, dans trois mines de lignite de Turquie, on a relevé des concentrations variant de 50±7 à 587±16 Bq/m³ d’air.

La combustion de la houille utilisée dans les centrales thermiques émet des fumées qui sont acides et polluantes. Elles contiennent notamment des traces de vapeur de mercure et de métaux lourds et/ou radioactifs. Les cendres, résidus solides de la combustion du charbon, de ces centrales sont également chargées de métaux lourds avec des traces parfois significatives d’éléments radioactifs, atteignant de 20 à 120 ppm (U, Th, Ra…). Celles-ci accumulées sur les crassiers, sur plusieurs mètres d’épaisseur, sont exposées au vent et à la pluie. Elles sont utilisées comme fond de couche routière, matériaux de remblai ou de construction, avec le risque de polluer les nappes phréatiques.

Formaation du charbn

Fig. 1 – Formation du charbon en 4 étapes

D’après compilation WEB et livres de SVT

Les hydrocarbures naturels sont des composés organiques comprenant des atomes de carbone et d’hydrogène, dont la formule brute est CnHm. Ils peuvent être :

  • des bitumes libres (gaz, pétroles, cires minérales, asphalte…) solubles dans des solvants particuliers ;

  • des bitumes potentiels (pyrobitumes, schistes bitumineux) incorporés dans certaines roches (roches mères) dont ils sont extraits par distillation.

La teneur de ces roches en U est très variable, de quelques millièmes de ppm à quelques centaines de ppm. Cet élément dont on ne sait pas sous quelle forme il s’incorpore à la roche, est soluble dans des acides et sa teneur est fonction du pourcentage de matière organique. Les schistes les plus uranifères sont noirs du fait de leur forte teneur en matière organique. Ils sont généralement riches en sulfures et pauvres en carbonates.

Certains schistes bitumineux sont parmi les roches sédimentaires les plus radioactives. Leur teneur peut varier de 0,001 à 0,035% d’U comme ceux des Etats-Unis. Les schistes bitumineux les plus anciens sont les plus radioactifs. Les plus jeunes, d’âge inférieur au Secondaire, le sont beaucoup moins.

3. Dans les marnes et argilites

Les argiles sont généralement fortement radioactives. Elles contiennent du 40K dont les nombreuses charges négatives absorbent le Th et l’U. Il est donc possible, si l’on connaît le contexte géologique, de procéder à une analyse quantitative de la teneur en argile d’une roche en établissant le dosage des trois radioéléments fixés. Par contre, le radium est mobile et se retrouve dans tous les terrains. Pour obtenir une interprétation valable, il faudra mesurer la part du radium dans la radioactivité naturelle.

Les causes de la radioactivité des argiles sont diverses :

  • Il s’agit d’argiles potassiques ;
  • Les argiles ne sont pas potassiques, mais elles sont accompagnées de minéraux accessoires à potassium, uranium et thorium ;

  • A l’origine non radioactives, les argiles ont absorbé des cations comportant uranium et thorium ;

  • Certains types lithologiques sont de par leur nature radioactifs : niveaux de sels potassiques, hard-ground phosphatés, grès micacés de la mer du Nord.

Les marnes seront plus ou moins radioactives selon la proportion argile / calcaire.

 4. Dans les phosphates

Certains gisements de phosphates sont des marnes ou des craies phosphatées qui se sont formés en bordure de continent ou en mer peu profonde. Le phosphate de calcium, Ca3(PO4)2, est d’origine biochimique et résulte de l’accumulation de squelettes et de cadavres d’organismes vivants. On trouve généralement de l’U diffus dans tous les phosphates et pratiquement pas de Th. Les phosphates marins sont plus riches que les phosphates continentaux. Il semble que la teneur en U augmente avec celle de la matière phosphatée, et qu’elle varie en raison inverse de la teneur en carbonate de calcium (CaCO3).

Les phosphates sédimentaires contiennent de l’U à des teneurs variables entre 50 et 200 ppm le plus souvent en équilibre avec ses descendants radioactifs, notamment le 226Ra. Comme ce dernier génère du 222Rn, les phosphates constituent une source de radon. La production d’acide phosphorique H3PO4 à partir des phosphates se fait principalement par attaque chimique à l’aide de l’acide sulfurique H2SO4. Le résidu solide de cette réaction, le phosphogypse, (CaSO4,2H2O) contient 236Ra à des activités spécifiques variables entre 300 et 900 BqKg-1. Il est également une source émanatrice de radon. Une partie du radon reste bloqué dans la structure cristalline, une autre diffuse vers l’extérieur, donnant naissance aux émanations (Berrada M. et al, voir bibliographie).

Dans le Bassin de Mons, il existe une région (Cuesmes – Mesvin – Ciply) où affleurent des craies phosphatées datées du Maestrichtien inférieur. Ces formations sont bien connues des géologues du fait de leurs intérêts économique (phosphates), stratigraphique et paléontologique (Mosasaures). Les carrières souterraines de La Malogne ont été creusées, à la fin du XIXe siècle, sous le territoire de Ciply, afin de permettre l’exploitation des craies phosphatées. Cette assisse, d’une épaisseur variant de 3 à 8 mètres, est constituée de calcarénite grise ou brune formée de nombreux grains plus ou moins phosphatés noyée dans une matrice crayeuse bioturbée, intercalée entre un hardground au sommet et le poudingue de Cuesme à la base, formé d’une accumulation de galets phosphatés et de débris fossiles. Cette craie contient en moyenne 20 à 25% de grains de phosphate de chaux, dont la teneur en U est loin d’être négligeable.

Des études sur la sismicité du Bassin de Mons y ont été menées par nos scientifiques (Charlet et al, 1990) et ont permit de classer la zone parmi les plus riches en radon de la région de Mons.

La teneur moyenne globale de l’U dans les phosphates varie dans de larges proportions selon leur origine :

Origine Teneur en ppm
Maroc 200 à   350
Tunisie   90 à   250
Algérie 200 à   250
Egypte             100
Floride   10 à 1.500
France   20 à    150
  • Berrada, Boujrhal F.Z., Choukri A., Khoukhi T.EL, Iraqi M.R. – Emanation radon de phosphates sédimentaires et phosohogypses correspondants, in Radon et gaz rares dans les sciences de la Terre et de l’environnement, Actes du Colloque International sur la Géochimie des Gaz (3-6/10/1990), pp. 253-258.

  • Chapellier, Mari J.-L. – Principe de base – Cours on line de géophysique – Institut Français du Pétrole, http://www-ig.unil.ch/cours/pdf/doc_res/res_f.pdf

  • Coppens (1957) – La radioactivité des roches, PUF, « Que sais-je ?», N° 741.

  • Doremus, Kotzmann-Routier V., Quinif Y., Charlet J.-M., Flemal J.-M. – La pollution domestique par le radon – Etudes de cas : région de Mons, région de Monceau-en-Ardenne (Belgique), in Radon et gaz rares dans les sciences de la Terre et de l’environnement, Actes du Colloque International sur la Géochimie des Gaz (3-6/10/1990), pp. 33-45.

  • Pomerol , Fouet R. (1953) – Les roches sédimentaires, PUF, « Que sais-je ?», N° 595.

  • http://www.solem.ch/Tunnel/didacticiel/reconnaissances/reconnaissances/MethGeophys/Radioactivitedescription.htm

[1]  A.P.I. est une unité de calibration utilisée par les pétroliers dans les diagraphies de rayonnement γ. Cette unité est basé sur la radioactivité artificielle d’un bloc de béton situé à l’Université de Houston (Texas) et qui correspond à 200 A.P.I. Cette valeur a été choisie car elle correspond à deux fois la radioactivité d’un schiste typique. Les valeurs du rayonnement γ naturel sont exprimées en unité API et ensuite recalculée en cps (coups par seconde).

[2] Clarke : teneur moyenne d’un élément chimique dans la croûte terrestre, exprimée en g/t ou ppm (partie pour million).

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LA RADIOACTIVITE DES ROCHES (2)

Article paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N° 171, janvier 2012

Robert SIX

I. ORIGINES DE LA RADIOACTIVITE DES ROCHES

Ce qui intéresse plus particulièrement le géologue ce sont les teneurs moyennes mesurées pour une « province pétrographique » déterminée, répondant à un faciès chimique, comme nous avons pu le constaté pour les anomalies détectées dans notre pays.

Il est évident que l’étude approfondie d’un massif rocheux montre que la radioactivité n’est pas répartie de façon homogène mais présente des variations systématiques. Les analyses détaillées par plaques nucléaires ont permit d’établir trois origines de la radioactivité : les inclusions, les fissures et la dispersion dans les minéraux essentiels.

A. Inclusions

Un minéral peut contenir des inclusions qui peuvent être d’autres minéraux ou roches, un liquide, un gaz, ou tout corps englobé dans le minéral hôte (insecte dans l’ambre). On distingue deux types d’inclusions, selon le moment où elles apparaissent dans le minéral hôte :
1. les inclusions primaires qui apparaissent durant la phase hydrothermale de la cristallogenèse dans les fractures du minéral ;
2. les inclusions secondaires qui se forment après la cristallisation du minéral.

Par exemple, dans un granite composé des trois éléments habituels, biotite, quartz et feldspath, on peut constater que ceux-ci peuvent émettre un rayonnement α. En fait ces éléments purs présentent une très faible activité propre. Une étude précise démontrera que les rayons α sont émis par les inclusions qu’ils contiennent : zircon, apatite, uraninite, etc.

B. Fissures

Lorsque des fissures se forment dans la roche, lors d’une phase de métamorphisme, des phénomènes hydrothermaux se mettent en place. L’augmentation de la température et de la pression favorise la circulation d’eaux chaudes ou de vapeur au sein de la roche, capables de dissoudre de nombreux éléments et de provoquer leur migration vers les zones de vide formées par ces fissures. La roche autour de ces dernières se déminéralise au profit des cristaux qui se forment dans les zones de vide.

La nature des cristaux dépend de la composition de la roche puisqu’elle en fournit les éléments. Elle dépend également de la température et de la pression, car la dissolution d’un élément répond à une combinaison caractéristique à cet élément du couple température – pression.

Le remplissage de ces fissures ou micro fractures peuvent présenter une radioactivité plus élevée que la roche elle-même, du fait que des éléments comme l’uranium, le thorium ou le potassium se retrouvent en inclusions dans les cristaux qui se forment dans ces cavités. On peut en tirer la conclusion que la radioactivité concentrée dans ces fissures ou ces interstices est d’origine postérieure à la formation de la roche.

C. Dispersion dans les minéraux essentiels

Les minéraux dans lesquels entrent des éléments radioactifs peuvent être subdivisés en minéraux essentiels et minéraux accessoires. Les minéraux essentiels sont des constituants importants des roches. En plus de ces deux catégories, il faut ajouter les accumulations exceptionnelles ou anomalies que nous avons déjà rencontrés dans l’article précédent.

Comme nous l’avons déjà signalé, toutes les roches sont susceptibles d’être radioactives, du fait de la dissémination générale des trois radionucléides naturels, uranium, thorium et potassium. Toutefois, ils se fixent préférentiellement sur les sédiments fins, de sortes que ces derniers sont plus radioactifs que les sédiments plus grossiers.
Lorsque la radioactivité est répartie dans les minéraux essentiels, elle est contemporaine de la roche.

Le potassium entre dans la composition de nombreux minéraux essentiels. Les feldspaths potassiques et les micas en contiennent beaucoup.
Généralement, l’uranium et le thorium, lorsqu’ils se trouvent en faible quantité, ne peuvent former de minéraux proprement dits et sont toujours associés à d’autres minéraux, plus particulièrement aux terres rares, au zirconium et au calcium.

Les principaux minéraux accessoires que l’on retrouve sous forme d’inclusions microscopiques dans les roches sont :

• les zircons (ZrSiO4), silicate de zirconium, du groupe des néosilicates. Les cristaux de zircon les plus anciens actuellement connus sur Terre ont été trouvés dans la formation Narryer Gneiss Terrane du craton Yilgarn en Australie occidentale, avec un âge estimé à 4,404 milliards d’années. Ils sont relativement fréquents dans les roches plutoniques de type granitoïde (granites) et les roches alcalines (pegmatites ou syénites). On les retrouve également dans des gneiss et souvent en inclusions dans la biotite contenue dans ces roches. On peut parfois les trouver en abondance dans les syénites. Par contre, ils sont rares dans les laves et les tufs. Dans les roches métamorphiques, ils se présentent sous une forme recristallisée ou épitactique . Ils peuvent également se retrouver dans des sédiments en tant que matériaux détritiques.

Les zircons peuvent contenir, à l’état de traces, de l’uranium ou du thorium radioactif, par substitution d’atomes de Zr. La proportion 235U/207Pb ou 232Th/208Pb permet d’estimer l’âge du cristal et par déduction celui de la roche qui le contient.
Les zircons que l’on trouve dans la biotite sont généralement entourés d’un halo pléochroïque, cercle plus ou moins foncé ou opaque. Ce phénomène est dû à l’action du rayonnement α émis par les impuretés radioactives du cristal qui détruisent la matrice de la biotite.

halo pléochrïque

Fig. 1 – Un zircon dans une matrice de biotite, entouré d’un halo pléochroïque.

• les sphènes, ou titanites (CaTi(SiO5), du groupe des nésosubsilicates sont caractéristiques des roches magmatiques sodiques (granites, syénites, trachytes, andésites) et métamorphiques de faciès amphibolique (gneiss, amphibolites, etc.). On les trouve en association avec des feldspaths, de la néphéline, de l’ægyrine, du zircon, de l’apatite.

• les apatites, phosphates de composition variable répondant à la formule générale Ca5(PO4)3(OH,Cl,F). Ce sont des minéraux secondaires communs des roches magmatiques alcalines (granites, syénites, pegmatites, et laves équivalentes) et des roches riches en Ca (carbonatites, calcaires métamorphiques)

• les allanites, sous espèces des épidotes, contenant des terres rares (Ce, Th, Y…), rattachées au groupe des sorosilicates. Ce sont des minéraux accessoires de certains granites et pegmatites. La radioactivité des allanites est très variable : inactives à quelques dixièmes de rayons α/cm²/s, soit une teneur en Th voisine de 1%, avec parfois un peu d’U.

• les monazites, nom générique de trois espèces de phosphates (Ce PO4 ou (Ce, La, Th)(PO4)). Ce sont des minéraux accessoires des granitoïdes à biotite, et de leurs pegmatites. Toutes les terres rares peuvent entrer dans la structure des monazites et leur capacité à accepter l’uranium et le thorium en fait les minéraux les plus radioactifs après l’uraninite (UO2), la thorianite (ThO2) et la thorite ((Th, U) SiO4).

• les xénotimes, phosphates d’yttrium (YPO4) assez rares. Ils sont associés aux zircons dans des pegmatites riches en muscovite. On les trouve en faible quantité dans les roches acides comme les granites et les pegmatites et aussi en inclusions dans les biotites des granites. Ils sont également présents dans les roches métamorphiques et dans les dépôts de sédiments détritiques à la suite de la désagrégation des roches qui les contenaient.

Ces différents minéraux ne sont pas, à proprement parler, des minerais d’uranium ou de thorium. Ils contiennent ces éléments non pas comme constituants normaux, mais plutôt sous forme d’impuretés.

II. RADIOACTIVITE DES ROCHES MAGMATIQUES

A. Teneur moyenne des éléments radioactifs des roches magmatiques

D’après les premiers auteurs (HOLMES) qui ont utilisé des méthodes radiométriques se basant sur l’émission de radon, les teneurs moyennes en uranium seraient de 9,10 ppm pour les roches acides qui contiennent plus de 65% de silice, et de 3,20 ppm pour les roches basiques, contenant moins de 50% de silice. Une autre méthode consiste à mesurer directement la radioactivité γ des descendants de l’uranium comme le 214Bi (bismuth). Il suffit de mesurer le niveau de rayonnement ambiant total au-dessus de la zone à prospecter, au moyen d’un compteur gamma portatif ou embarqué à bord d’un véhicule ou d’un aéronef.

D’après des mesures obtenues par les nouvelles techniques décrites dans l’article précédent, ces chiffres semblent trop élevés.
Ainsi, pour des roches granitiques, les valeurs suivantes ont été avancées par différents chercheurs :

Auteurs ppm d’U ppm de Th
Evans et Goodman (1941) 3,00 13
Keevil (1938) 2,77   7,94
Sentle et Keevil (1947) 3,84 à 4,02 13,1 à 13,5

 

Ces données sont reprises d’un ouvrage paru en 1957. Il s’agit de « La radioactivité des roches » par René COPPENS, Maître de Conférences de Radiogéologie à la Faculté des Sciences de Nancy. Lui-même a analysé plus de 1.000 échantillons de roches acides (granites et granulites) de Bretagne par la méthode des plaques nucléaires. Il a mis en évidence une émission α d’une moyenne de 0,80.10-3/cm²/sec., ce qui pourrait correspondre à une teneur moyenne en uranium de 3,7 ppm et une teneur moyenne de Th de 10,1 ppm.

Une autre source, plus récente, donne, toujours d’après HOLMES, une teneur moyenne du granite en uranium de 8.10-6. Ce qui permet de déduire, si l’on admet une densité de 2,70 pour le granite, que 1 m³ de granite contient 21,6 g d’uranium et 1 Km³ en contient 21.600 t (POMEROL et FOUET, 1975).

Dans le manuel « Les minéraux, leurs gisements, leurs associations », les auteurs (P. BARIAND, F. CESBRON et J. GEFFROY) avancent qu’il n’est pas aisé de séparer géochimiquement le comportement de ces deux éléments, tous deux lithophiles et que le clarke d’ensemble est de 2,7 g/t pour l’U et de 9,6 g/t pour le Th mais que ces deux éléments sont surtout concentrés dans les granites et les syénites : environ 3 g/t pour U et 8 à 17 g/t pour Th. Les teneurs sont plus faibles dans les basaltes (1 g/t pour U, 4 g/t pour Th) et très faibles dans les péridotites (1 ppm de U, 4 ppm de Th).

B. Le cas des roches basiques

Comme le montre les résultats de HOLMES, les roches basiques présentent un taux de radioactivité d’environ trois fois moindre que celui des roches acides, soit en moyenne de 1 à 2 ppm d’uranium et de 3 à 4 ppm de thorium. Quant à la répartition de cette activité, elle se montre fort différente de celle des roches acides, et semble plutôt diluée dans la masse de manière particulièrement uniforme. On n’y distingue peu d’inclusions actives.

Les mesures d’activités faites sur un certain nombre de type de roches montrent une activité très basse pour les gabbros, moyenne pour les diorites et beaucoup plus élevée pour les roches acides.
On constate, sans toutefois, en tirer une relation, que l’activité augmente avec la teneur en silice qui varie pour ces roches de 40 à 75%.

Toutefois, sur la base de différentes mesures, des teneurs moyennes (ordre de grandeur) ont pu être estimées :

ppm d’U ppm de Th
Gabbros (moins de 50% de Si) 1 3
Roches intermédiaires :

Diorites (moins de 60% de Si)

Syénites, granodiorites (50 à 60% Si)

 

1,5 à 2

 

5 à 6

Roches acides (famille des granites)

(65 à 70% Si)

3 à 4 9 à 12

C. Le cas des roches volcaniques

Lors d’une éruption volcanique, les roches émises le sont sous forme de coulées de lave, de produits de projection, de nuages de cendres et de nuées ardentes.

D’une manière générale, on peut dire que les volcans « rouges » effusifs sont moins radioactifs que les volcans « gris » explosifs. Ainsi, les laves des volcans d’Hawaii, basaltiques, et leurs équivalents plutoniques (les gabbros) sont moins radioactifs que les laves des volcans de la ceinture de feu du Pacifique (rhyolite) et leurs équivalents plutoniques (les granites).

Deux processus interviennent dans la formation des laves : d’une part, la cristallisation et la différentiation magmatique, et, d’autre part, les coefficients de partage.

1. Cristallisation et différentiation magmatique

Lors de sa remontée vers la surface, le magma subit une cristallisation fractionnée et une différentiation. Au départ, le magma primitif est généralement plus proche d’un basalte. Lorsqu’il commence sa cristallisation, il le fait de manière différentielle, c’est-à-dire que certains minéraux cristallisent (olivine, pyroxènes) en premier, appauvrissant la masse en Fe, Mg et l’enrichissant en Si, Al, Na, K. Si le processus de cristallisation se poursuit suffisamment longtemps, le magma basaltique du début devient plus granitique.

2. Coefficients de partage

On retrouve nos éléments radioactifs classiques (40K, 230Th, 235U et 238U) également dans les roches volcaniques, mais à des teneurs variables selon leur nature : plus élevées dans les laves siliciques que dans les laves plus mafiques.
Dans le système basaltique, ces éléments sont dits « incompatibles », car pour des raisons cristallochimiques, ils sont incapables de s’incorporer dans la structure des cristaux formés dans le magma basaltique (olivines, pyroxènes). Ils restent dans le magma résiduel jusqu’au moment où celui-ci atteint des compositions granitiques (rhyolitiques) et que la présence de feldspaths alcalins permet l’incorporation du K dans les nouveaux cristaux en formation.
Cet élément chimique se compose de trois isotopes : les isotopes 39K et 41K qui sont stables et représentent 99,99% du potassium naturel, et le 40K, isotope radioactif dont la demi-vie est de 1,28 milliards d’années.
Neuf fois sur dix, le 4019K se désintègre par émission α en 4020Ca (calcium). La dixième fois il se transforme en 40 18Ar (argon) par capture électronique.
Tant que la lave est liquide, l’argon formé peut s’échapper, et comme il s’agit d’un gaz inerte, il ne peut se combiner chimiquement avec un constituant de la roche. Lorsque la lave se refroidit, il reste prisonnier de la roche et s’y accumule, permettant à un minéralogiste de déterminer l’âge de la roche à analyser par la méthode K/Ar ou 39Ar/40Ar déjà évoqué précédemment.

Le Th et l’U vont atteindre des valeurs proches de la saturation et vont « s’incruster » lors des dernières phases de cristallisation (apatites, zircons, monazites, allanites, etc.).
Ce processus a pour conséquence, qu’au final, un granite / rhyolite est plus radioactif qu’un gabbro / basalte.

Le nuage de cendres volcaniques du volcan Eyjafjöll

Ce que peu de gens savent, c’est que le nuage de cendres volcaniques émis par le volcan islandais Eyjafjöll à la fin du mois d’avril 2010 a rejeté dans l’atmosphère des émissions radioactives, comme tous les volcans d’ailleurs.

Selon les dires du scientifique Hervé NIFENECKER , il s’agirait de près de 600 tonnes d’uranium et 1.800 tonnes de thorium. Pour avancer ces chiffres, il s’est basé sur les calculs de l’Institut de volcanologie islandais. D’après celui-ci, 80 millions de m³ de tephra correspondant à 200 millions de tonnes ont été dispersés dans l’atmosphère durant les 72 premières heures de l’éruption. En tenant compte d’une concentration moyenne de 3 g/t d’uranium dans la croûte terrestre et d’environ 10 g/t pour le thorium, NIFENECKER arrive aux nombres de tonnes d’uranium et de thorium cités plus haut, retrouvés dans le nuage de cendres.

Une autre source, l’IRSN , avance des chiffres un peu moins élevés : 400 tonnes d’uranium et 1.300 tonnes de thorium, pour un rapport Th/U égal à 3,3 (VIASTELIC et al. 2006).

L’activité spécifique de ces éléments s’élève à 12.300 Bq/g pour l’238U et 4.100 Bq/s pour le 232Th. Afin de tenir compte des descendants émetteurs α, avant le radon, on peut multiplier ces valeurs par 4 pour l’uranium, soit 49.200 Bq/s, et par 3 pour le thorium, soit 12.300 Bq/s.

NIFENECKER a voulu faire une comparaison de la toxicité du nuage volcanique avec celui de la catastrophe de Tchernobyl.
Rappelons que dans le cas de l’explosion de la centrale russe, les retombées les plus toxiques furent celles du 137Cs (césium) et de l’131I (iode).

En utilisant les facteurs de dose de la CIPR , il établit le tableau suivant pour les risques sanitaires :

Ingestion adulte Ingestion 1 an Inhalation
137Cs (Tchernobyl) 7,8 x 108 5,76 x 108 2,76 x 108
Uranium (Islande) 5,9 x 106 1,0 x 107 3,8 x 108
Thorium (Islande) 6,1 x 106 1,2 x 107 4,0 x 108
Total (Islande) 1,2 x 107 2,2 x 107 7,8 x 108

En conclusion, la radiotoxicité par inhalation des cendres de l’éruption serait supérieure à celle due aux retombées de 137Cs de Tchernobyl, mais 20 à 50 fois moins radiotoxique à l’ingestion.
En réalité, il est difficile de mesurer les effets radioactifs des émissions volcaniques car d’autres sources naturelles de propagation existent. Ainsi, les vents de sable provenant du Sahara transportent aussi des quantités significatives d’uranium et de thorium.

Eyjafjöll

Fig. 2 – Le nuage de cendres du Eyjafjöll

III. RAPPORT THORIUM / URANIUM

Bien qu’on les trouve en proportions diverses dans toutes les roches, l’uranium et le thorium sont fréquemment associés. De nombreux auteurs ont remarqué que dans les roches magmatiques, le rapport uranium/thorium paraît constant et proche de 3 (COPPENS). Lorsque l’on se trouve en présence d’inclusions, le rapport Th/U peut être très variable, du fait que ces deux éléments n’y sont pas répartis également. Pour que la mesure ait un sens, il est impératif de disposer d’un échantillon suffisamment important. Ce rapport, estimé par différents auteurs a donné des valeurs très variables : 2,6, 1,7, 2,8, 2,5, 3,3, 4,5, 4,00 (COPPENS). La moyenne Th/U des mesures plus précises effectuées par SENFTLE et KEEVIL, sur des roches granitiques, se situe aux environs de 3,4. Pour des roches intermédiaires, toujours d’après ces mêmes auteurs, elle est légèrement plus élevée et se chiffre à 3,98. Malgré ces fluctuations, il n’en est pas moins vrai que les roches contiennent une proportion de thorium en rapport avec celle de l’uranium. Ceci prouve que ces deux éléments ne se sont guère séparés durant la genèse de ces roches et qu’ils ont eu des chimies identiques durant cette période. Du fait qu’ils ont des valences 4+ identiques, stable pour Th et pouvant devenir 6+ pour U dans certaines conditions, il est normal que leurs processus de cristallisation soient identiques pendant la formation des roches qui les contiennent..

Le thorium apparaît dans les trois grandes familles de radionucléides naturels. Il est l’un des descendant de l’238U sous sa forme 230Th d’une période de 75.380 ans. Il forme sa propre famille comme nous l’avons déjà vu plusieurs fois à partir du 232Th d’une période de 1,45.1010 ans. Dans le milieu naturel, il est toujours en équilibre avec ses descendants (équilibre séculaire), tout comme l’238U.

Dans les minéraux, un état stationnaire s’établit au long des chaînes de désintégration, que l’on appelle « équilibre séculaire ». L’abondance relative de chacun des isotopes intermédiaires dépend de leur période respective : plus la période est courte, moins l’élément est abondant. A l’équilibre séculaire, le nombre de désintégrations par seconde, ou « activité radioactive » est le même pour tous les radionucléides de la chaîne. L’ensemble des réactions dans les minéraux d’une roche se résume à la transmutation progressive des atomes de l’isotope de tête de chaîne, par exemple l’238U, en atomes de l’isotope stable final, le 206Pb dans ce cas. Le problème est analogue à celui que tout élève a dû résoudre en arithmétique : celui des baignoires et des robinets

Il peut arriver que l’équilibre séculaire soit rompu, notamment lorsqu’une réaction physico-chimique isole l’un des intermédiaires par rapport à ses ascendants ou descendants. Après quelque temps, l’équilibre se rétablit plus ou moins rapidement selon la période des isotopes considérés. Ces ruptures d’équilibre sont très importantes pour les études de chimie environnementale.
Ainsi, l’uranium et le thorium subissent une séparation importante, si le milieu devient nettement oxydant, car l’uranium passe de l’état U4+ à l’état U6+, devenant très soluble, tandis que le thorium ne change pas et reste à l’état Th4+. Dans ces conditions, ils possèdent des chimies différentes ; les composés de l’U6+ se dissocient de ceux du Th4+, par dissolution et se recristallisent séparent, formant des minéraux d’uranium sans thorium.
Les roches qui n’ont pas été oxydées auraient un rapport Th/U entre 3 et 4, tandis que celles qui ont subi une oxydation et un lessivage verraient leur rapport Th/U nettement supérieur à 3. Par contre, les roches sédimentaires afficheraient un rapport Th/U inférieur à cette valeur.
On peut en tirer une hypothèse qui demande à être confirmée : le rapport Th/U permettrait de se faire une idée sur la formation des roches.

Le processus d’équilibre séculaire a été mis à profit pour déterminer une méthode de datation : la méthode thorium/uranium. Celle-ci s’applique à des systèmes constitués par des minéraux accessoires riches en uranium et en thorium (monazites, zircons, minerais d’uranium et de thorium…). Elle est utilisée dans de nombreuses applications comme la datation des diverses concrétions calcaires, la détermination de l’âge des fossiles de mollusques ou celle des coraux, etc.

A titre d’exemple et de conclusion pour cet article, je donne les résultats d’analyse effectuées lors de l’expédition franco-italienne en Dankalie (Afar, Ethiopie) durant la campagne de décembre 1967 à février 1968.
Les concentrations en U, Th et K ont été déterminée par spectrométrie γ dans plus de 100 échantillons de roches volcaniques prélevées dans deux zones géographiquement distinctes:
1. la dépression danakile (chaîne de l’Erta Ale, massif Pierre Pruvost, Alyata, Afdera, Borawlu) ;
2. Hauts-plateaux éthiopiens (Adigrate – Axum).
Les valeurs obtenues donnent les teneurs suivantes :

Lieux Roches K U Th Th/U
Erta-Ale basaltes 0,5% 1,3 ppm 3,3 ppm 2,6
Rhyolites alcalines 2,3% 4,1 ppm 15,2 ppm 3,7
Pierre Provost acides 3,9% 3,6 ppm 13,5 ppm 3,8
Borawlu rhyolites 2,8% 4,6 ppm 14,7 ppm 3,4
basaltes 0,6% 0,9 ppm 3,1 ppm
Hauts-plateaux Trapps basaltiques Adigrate 0,6% 0,6 ppm 1,1 ppm 1,7
Phonolites Axum 3,9% 2,7 ppm 14,9 ppm 4,9

IV. BIBLIOGRAPHIE

 BARIAND P., CESBRON F., GEFFROY J. (1978) – Les minéraux, leurs gisements, leurs associations, T. 2, Minéraux et Fossiles.
 COPPENS R. (1957) – La radioactivité des roches, Presses Universitaires de France, coll. « Que sais-je ? », 741.
 HAMELIN B. – L’environnement daté et chronométré, in Noyaux atomiques et radioactivité, Dossier Pour la Science, oct. 1996.
 POMEROL C., Fouet R. (1975) – Les roches éruptives, Presses Universitaires de France, coll. « Que sais-je ? », 542.
http://www.springerlink.com/content/g7l0066516k20g4t/

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LA RADIOACTIVITE DES ROCHES

Article paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N°170, novembre 2011

1. INTRODUCTION GENERALITES

Afin de nous resituer dans le contexte, je renvoie le lecteur à l’article « La radioactivité et la géologie ». Cette fois, j’aborderai plus spécifiquement la radioactivité des différentes familles de roches.
Les roches magmatiques issues du magma se forment en profondeur là où la chaleur due aux éléments radioactifs est importante. Ce sont des roches, comme les roches métamorphiques, du type « cristallines » car lors du refroidissement il s’y forme des cristaux dont la taille est inversement proportionnelle à la vitesse de refroidissement : plus le refroidissement est rapide plus petits sont les cristaux et inversement.
Notre planète est un corps tiède dont la chaleur interne est due à la désintégration des éléments radioactifs incorporés, dans ses roches. Cette radioactivité qui maintient une température clémente est l’une des causes, qui ont favorisé l’éclosion de la vie sur Terre. Seule une faible proportion de cette chaleur s’échappe du globe en raison de ses dimensions. La désintégration des isotopes 235U (0,70 milliards d’années), 238U (4,47 milliards d’années), 232Th (14 milliards d’années) et 40K (1,28 milliards d’années) est à l’origine des 80% de l’énergie émergeant à la surface du sol. Cette énergie est en constante diminution à la suite de la disparition de ces éléments radioactifs selon la loi de décroissance exponentielle propre à chaque élément (demi-vie).
Si l’on se reporte aux radioéléments appartenant aux trois grandes familles radioactives naturelles (235U, 238U, 232Th), on peut dire que d’un point de vue géologique et géochimique, leur évolution et répartition dépendent essentiellement de celles de l’uranium et du thorium. En dehors de ces trois familles, seul le 40K (potassium) est susceptible de jouer un rôle en radiogéologie, les autres éléments étant rares et de faible activité.


II. L’URANIUM

L’uranium de numéro atomique Z = 92 est classé dans les atomes à sept couches électroniques. Son nombre de masse est 238,03. Il fait partie du groupe des actinides de la classification périodique, qui comprend les éléments chimiques se situant entre l’actinium et le lawrencium, dont le nombre atomique varie de Z = 89 à Z = 103. Ce sont tous des éléments radioactifs et ils ont des propriétés chimiques voisines. Les actinides dont le numéro atomique est supérieur à 92 sont des éléments artificiels appelés transuraniens. Ils sont générés par la capture de neutrons, sans fission.

Bien que le minerai d’uranium soit connu depuis le Moyen Age, où il est signalé à plusieurs reprises, notamment en Saxe, l’oxyde d’uranium ne sera découvert qu’en 1789, par le chimiste autrichien Martin-Heinrich Klaproth (1743-1817). La couleur du minerai qui évoque la poix, lui valu le nom de pechblende (pech signifiant poix en allemand). C’est en chauffant un échantillon de pechblende en provenance de la mine de St-Joachimsthal, en Bohême, que Klapoth isole l’oxyde d’uranium auquel il donne le nom d’urane en référence à la découverte de la planète Uranus faite par Williams Herschel (1738-1822) huit ans plus tôt (1781).

En 1841, le chimiste français Eugène-Melchior Péligot (1811-1890) détermine que l’urane est composé de deux atomes d’oxygène et d’un atome d’un métal qu’il nomme uranium (UO2). Il estime sa masse volumique à 19 g/cm³.

Ce n’est qu’en 1896 qu’Henri Becquerel (1852-1906) met en évidence la radioactivité de l’uranium, en découvrant des plaques photographiques impressionnées placées à côté de sels d’uranium à l’abri de la lumière. Ensuite, Marie et Pierre Curie vont extraire, dans des conditions pénibles, de la pechblende deux nouveaux éléments, le radium et le polonium.

Avant la découverte du radium, le minerai d’uranium trouvait un emploi limité, comme pigment dans la manufacture des verres colorés, dans la céramique et la faïence, sous forme de diuranate de sodium (Na2U2O7) ou d’ammonium ((NH4)2U2O7). On le retrouvait aussi à de très faibles concentrations, pour colorer des céramiques dentaires. Il a été également utilisé comme additif dans la métallurgie pour obtenir de alliages rares, ou de catalyseur dans certaines réactions chimiques spécialisées et dans les films photographiques. Il sert aussi de lest à la place du plomb, en raison de sa forte densité (18,7). C’est ainsi, qu’en 1974, Eric Tabarly recourt à l’uranium pour alourdir son Pen Duick VI. En 1975, les Français mettent en orbite un satellite très compact du nom de Starlette, constitué d’un alliage à 1,5% de molybdène et 98,5% d’uranium afin de pouvoir viser au laser cet objet ressemblant, autant que possible, à un point matériel. Ironie de l’histoire, l’uranium a été longtemps utilisé comme blindage contre les radiations !

Après la découverte du radium, le minerai d’uranium fut exploité massivement pour en extraire le radium destiné à des fins thérapeutiques. Entre 1900 et 1939, les 7.500 tonnes extraites du sous-sol fournissent 900 g de radium. Il deviendra un élément stratégique lorsque, le 17 décembre 1938 Otto Hahn (1879-1968) et son assistant Fritz Strassmann (1902-1980) réalisent la première fission d’un atome d’uranium. Le sort de l’humanité allait changer !

Sa faible radioactivité génère une puissance de 0,1 W/tonne. Cette énergie est environ 1.000.000 de fois supérieure à celle dégagée par les combustibles fossiles, pour une masse équivalente, d’où son emploi dans l’industrie nucléaire.

C’est un élément chimiquement très réactif, du fait qu’il possède quatre valences[1] possibles (+III à +VI), les valences IV et VI étant les plus répandues dans les minerais. Sous la valence VI (ion uralyne), l’uranium est soluble, il forme avec l’ion carbonate des complexes très stables lui assurant une grande mobilité ; sous la valence IV, il est insoluble et présente alors des similitudes de comportement avec le thorium. Les conditions de passage de la valence IV à la valence VI dépendent du potentiel d’oxydoréduction du milieu.

Sa très forte affinité pour les oxyhydroxydes de fer, fait que lors de changements des conditions d’oxydoréduction, une diminution de la teneur en oxygène (condition réductrice) engendre une précipitation rapide de l’uranium sous formes d’oxyde (UO2). C’est ce type de précipitation qui est à l’origine du gisement d’Oklo (réacteur naturel) dont nous parlerons dans un article sur les gisements.

L’uranium se combine facilement pour former de nombreux composés chimiques dans la nature. C’est ainsi qu’on le retrouve dans pratiquement toutes les roches, où il s’allie avec des éléments tels que l’oxygène, l’azote, le soufre, le carbone, ou sous forme d’oxyde, de nitrate, de sulfure ou de carbonate. Par exemple, en combinaison avec l’oxygène, sous forme d’oxyde uraneux (UO2), il est l’un des constituant de l’uranite et de la pechblende deux des principaux minerais d’uranium.

Les formes d’oxydes d’uranium les plus répandus, U3O8 et UO2, sont solides, peu soluble dans l’eau et stables dans un large domaine de conditions environnementales. Le premier est le plus stable des composés d’uranium et le plus fréquent dans la nature. Le deuxième est utilisé pour obtenir le combustible des réacteurs. De part leur stabilité, ces oxydes sont choisis pour l’entreposage et le stockage de l’uranium.

Dans les calcaires, il s’allie aux carbonates. Dans les roches argileuses (argiles, schistes, phyllades) il se fixe sur les minéraux argileux et les matières organiques. Dans les roches gréseuses (sables, grès, quartzites), il peut se localiser dans les minéraux lourds comme par exemple les zircons ou les monazites. Il est également présent dans les roches magmatiques (granites).

L’uranium à l’état naturel est un élément fréquent, dont l’abondance est supérieure à celle de l’argent et l’or, et comparable à celle du molybdène ou de l’arsenic. Cependant, il est quatre fois moins abondant que le thorium. On le trouve en traces partout, dans le manteau et l’écorce terrestre, dans l’eau de mer et l’eau douce. Dans cette dernière, les concentrations  sont de l’ordre du µg/l, mais dans certains cas exceptionnels elles peuvent atteindre la dizaine de mg/l. Dans l’eau de mer, la concentration d’uranium est de 3,3 µg/l. On estime que les océans contiennent 4 milliards de tonnes d’uranium qui se renouvellent chaque année à raison de 20.000 tonnes grâce à l’apport des cours d’eau.

Même notre organisme comporte des traces d’uranium, à raison de 90 µg provenant de l’air que nous respirons, de l’eau et des aliments absorbés. Environ 66% se situent dans le squelette, 16% dans le foie, 8% dans les reins et les 10% restants dans les autres tissus.

Sa concentration varie en fonction du type de roche, et dans une même roche sa répartition peut être hétérogène. De plus, des processus géophysiques sont à l’origine des gisements d’uranium que l’on retrouve dans certaines couches rocheuses, dans des fractures ou dans des cavités. En moyenne, ces concentrations dans les sols sont de 3 à 4 ppm[2], mais elles peuvent atteindre 80 ppm dans certains schistes et 350 ppm dans les phosphates. Les teneurs les plus élevées se retrouve dans les roches magmatiques acides : de 1 à 6 ppm dans les granites et dans les syénites, de 2 à 7 dans les rhyolites et dans les trachytes, de 0,2 à 2 dans les gabbros et dans les diorites, de 0,2 à 4 dans les basaltes et dans les andésites, de 0,001 à 0,03 dans les roches ultrabasiques, de 0,1 à 30 dans les roches alcalines.


III. LE THORIUM

Le thorium de numéro atomique Z = 90 est, comme l’uranium, classé dans les atomes à sept couches électroniques. Il fait également partie de la famille des actinides du tableau périodique. Sa masse atomique est de 232,03806.

C’est en analysant un échantillon d’un minéral noir en provenance de l’île de Løvøy, en Norvège, que le chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius (1779-1848), en 1829, découvre un nouvel élément qu’il nomme thorium d’après Thor, le dieu scandinave du tonnerre. Ce n’est qu’en 1889, que Marie Curie découvrit, en même temps que le chimiste allemand Gerhard Carl Schmidt (1865-1949), la radioactivité du thorium. Entre 1900 et 1903, Ernest Rutherford (1871-1937) et Frederick Soddy (1877-1956) démontrent que le thorium se désintègre selon une loi de décroissance exponentielle en une série d’autres éléments, ce qui les amènent à considérer la demi-vie comme l’une des caractéristiques importantes des éléments radioactifs. En 1907, Rutherford donne le nom d’ionium à l’un des éléments de la chaîne de désintégration de l’238U, avant que l’on ne réalise qu’en fait, il s’agit d’un isotope du Th, le 230Th.

Une nouvelle technique, la méthode de la zone fondue, mise au point par les chimistes néerlandais Eduard van Arkel (1893-1976) et Jan Hendrik de Boer (1899-1971), en 1925, permet de produire du thorium métallique de grande pureté. La méthode consiste à faire fondre, généralement par induction électromagnétique, une barre de métal dans un creuset, et de déplacer lentement la zone de fusion d’un bout à l’autre de la barre, toujours dans le même sens. Lors de la recristallisation, les impuretés se concentrent préférentiellement dans la zone fondue ; à chaque passage la barre est un peu plus purifiée, les impuretés s’accumulant à l’extrémité de la barre.

Dans la nature le thorium existe, pratiquement à 100%, sous la forme 232Th. D’autres isotopes se retrouvent à l’état de traces et proviennent de la chaîne de désintégration du 232Th (228Th ; 1,91 an) ; de l’238U (230Th ; 75.000 ans) ; et de l’235U (231Th ; 25,2 h). Tous les isotopes du thorium sont radioactifs. Le 232Th a la demi-vie très la plus longue parmi les éléments radioactifs naturel : 14,05.109 années, soit près de trois fois l’âge de la Terre. Cela en fait un élément mononucléidique, c’est-à-dire un élément naturellement présent sur Terre uniquement sous la forme d’un seul nucléide dont la masse atomique est caractéristique. Son abondance naturelle comporte un seul isotope stable, ou, dans ce cas-ci, un isotope instable à très longue durée de vie.

De plus, 232Th est un isotope fertile car il produit après capture d’un neutron un isotope fissile, le 233Th.

23290Th + 10n → 23390Th → 23392U + 2e + 2νe

Le deuxième isotope fertile dans la nature est l’238U qui donne par capture neutronique de l’239U.

23892U + 10n → 23292U  → 23994Pu + 2e + 2νe

Ces deux éléments peuvent être utilisés pour produire de l’énergie dans des réacteurs adaptés pour la surgénération. L’238U est utilisé dans un grand nombre de réalisations et est l’unique voie pour obtenir du 239Pu. Par contre, le 232Th n’a été utilisé jusqu’à présent qu’à titre expérimental, le principal obstacle étant qu’il n’est pas fissile mais simplement fertile, et que la fission de l’233U produit une faible quantité de neutrons.

Le thorium se trouve dans la majorité des roches et des sols. Il est quatre fois plus abondant que l’uranium et aussi fréquent que le plomb. Sa concentration dans un terrain normale gravite autour de 12 ppm. On le rencontre dans plusieurs minéraux comme la thorite (ThSiO4), la thorianite (ThO2) et surtout la monazite ((Ce,La,Nd,Th)PO4) qui peut contenir jusqu’à 12% d’oxyde de Th.

Ce n’est qu’à partir de 1885 que le thorium trouva une application industrielle dans l’utilisation des manchons à incandescence. L’industrie nucléaire s’y intéresse et l’intègre dans certains réacteurs à haute température HTR (High Temperature Reactor). L’une des options retenues pour alimenter ces réacteurs est le cycle thorium, utilisant l’235U enrichi à 90% ou plus de 232Th. Des prototypes de cette filière ont été construits en Angleterre, en Allemagne et aux Etats-Unis. Les sociétés françaises SFEC et CERCA se sont lancées dans la fabrication de combustible au thorium, mais en 1979, la France a abandonné cette filière. Des études sont en cours afin d’étudier la possibilité de produire de l’énergie à partir  du 232Th au moyen de réacteurs sous-critiques couplés à des accélérateurs de particules.

D’un point de vue militaire, la seule application française connue est l’adjonction de thorium au métal du carter des réacteurs ATAR qui équipe les avions Etendard et Mirage, pour en renforcer la résistance thermique.


IV. LA GEOLOGIE ISOTOPIQUE

La découverte de la radioactivité naturelle a ouvert des perspectives énormes en géologie. Les isotopes peuvent être comparés aux fossiles pour les paléontologues. En effet grâce à eux, il est possible de dater toute une gamme de terrains grâce aux roches qu’ils contiennent et ce à partir des tous premiers instants de la naissance de notre planète.

On peut mesurer la composition isotopique d’un élément chimique grâce au spectromètre de masse inventé en 1910 par sir Joseph John Thompson, physicien anglais (1856 – 1940) et perfectionné en 1919 par le chimiste et physicien anglais Francis William Aston (1877 – 1945).
Son principe est relativement simple et réside dans la séparation en phase gazeuse de molécules chargées (ions) en fonction de leur rapport masse/charge (m/z).
L’échantillon à analyser est ionisé, accéléré dans un champ électrique, puis le jet d’ions ainsi obtenu passe dans un champ magnétique. Les ions sont plus ou moins déviés en fonction de leur masse. A la sortie, ils sont transformés en courants électriques et l’intensité de ceux-ci est proportionnelle à l’abondance relative des diverses masses.


L’appareil comporte quatre parties principales :

        Un système d’introduction de l’échantillon à analyser

        Une source d’ionisation

        Un analyseur qui sépare les ions en fonction du rapport m/z

        Un détecteur et son système d’analyse.

 Spectromètre de masse

Fig. 1 – Principe du spectromètre de masse

 

Grâce à la connaissance isotopique d’un élément inclus dans une roche, les scientifiques peuvent établir des méthodes de datation absolue de celle-ci. Selon l’élément choisi, il est possible de couvrir pratiquement toutes les périodes géologiques. Ainsi, la méthode du 14C ne permet de remonter qu’aux environs de 50.000 ans. Celle du Rubidium – Strontium sert à dater des roches magmatiques ou métamorphiques entre 10 millions d’années à quelques milliards d’années. La méthode Uranium – Thorium – Plomb a permit d’estimer l’âge de la Terre. Citons encore la méthode Potassium – Argon (300 Ma à 100.000 ans), la méthode Argon 39 – Argon 40. Ces différentes méthodes de datation feront l’objet d’une autre série d’articles si le temps m’en donne l’occasion.

V. RADIOACTIVITE DES ROCHES DE BELGIQUE

Le tableau 1 ci-dessous donne les concentrations moyennes en uranium des grandes catégories de roches courantes en Belgique. On constate, à la lecture de celui-ci, que les grès (IDV) et les sables (SL2) sont très peu radioactifs.  Les schistes (RA8, RA32) et les argiles (A7) le sont un peu plus, de par le contenu en thorium dont le thoron (220Rn) est moins dangereux du fait de sa très courte demi-vie que le radon. Les roches carbonatées, calcaires (AN127) ou craies (CP001) contiennent peu d’éléments radioactifs. On remarque également quelques anomalies uranifères comme l’échantillon de schiste revinien de Stavelot (RA9), l’échantillon de grès schisteux siegénien de Daverdisse (AB6), un calcaire (AN146) et un schiste gréseux brun du Carbonifère, marquant le passage entre le Dinantien et le Namurien dans les environs d’Anhée et de Bioul, et enfin,  un phosphate de Ciply (CIP003).

 

Echant.

U (ppm)

Th (ppm)

K2O (%)

Nature de la roche

RA8

3,4

16,4

4,24

Schiste revinien

RA32

2,3

10,9

3,49

Schiste famennien

A7

2,6

11,8

2,87

Argile yprésienne

RA9

42,4

27,4

3,59

Schiste revienien

RA36

2,0

6

0,92

Grès couvinien

IDV

1,7

5

0,13

Grès d’Anor siegénien

SL2

1,1

2

0,83

Sable landénien de Blaton

AB6

25,0

5

2,11

Grès schisteux siegénien

YV1/2

86,2

1

0

Schiste gréseux brun carbonifère

AN127

1,1

5

0,06

Calcaire carbonifère

AN146

8,5

10,3

0

Calcaire carbonifère

CIP001

2,6

1,5

0

Tuffeau de Ciply crétacé

CR001

0,6

0,4

0,01

Craie d’Obourg crétacée

CIP003

40,7

0

0

Phosphate de Ciply crétacé

Tableau 1 – Concentrations moyennes en uranium, thorium et potassium de quelques roches courantes en Belgique

Notre pays ne comporte pas de véritables gisements, mais on y trouve de nombreuses concentrations anormales, comme le montre les échantillons RA9, AB6, YV1/2, AN146 et CIP003 du tableau 1.

Ces différentes anomalies ou indices radioactifs se concentrent spécialement dans le Dévonien de l’Ardenne, comme l’indice radioactif de Daverdisse, ou la zone radioactive constituées de plusieurs niveaux stratiformes ou lenticulaires située dans le Siegénien du Synclinal de Neuchâteau, dans la région de Chiny – la vallée de la Vierre, ou encore à Oizy en bordure de l’anticlinal de l’Ardenne. D’autres zones ont été découvertes dans le Viséen supérieur dans le Bassin de Dinant, dans des couches de transition du Viséen au Namurien.

 A.    Les anomalies radioactives de l’Ardenne belge

Une prospection radiométrique autoportée générale pour l’uranium en Ardenne a été entreprise dans les années 1980 par plusieurs de nos scientifiques (J.- M Charlet, L. Dejonghe, J. Jedwab, Y. Quinif, et bien d’autres.). Il en est découlé, la découverte d’un certain nombre d’anomalies radioactives dans le Dévonien inférieur : dans la région de Chiny – vallée de la Vierre, à Daverdisse et à Oizy.

 Anomalies Dévonien belge

Fig. 2 – Situation géologique des anomalies radioactives du Dévonien inférieur de l’Ardenne (carte géologique d’après Asselberghs (1946) et Beugnies (1982-1984))

1. Massif cambrien                                                        9. Complexe volcanique de la Croix Scaille

2. Gedinnien inférieur                                             10. Failles longitudinales majeures

3. Gedinnien supérieur (formation G2a)    11. Autres failles

4. Gedinnien supérieur (formation G2b)    12. Rivières

5. Siegenien inférieur                                                13. Autoroutes

6. Siegenien moyen                                                     14. Anomalies uranifères principales

7. Siegenien supérieur                                              15. Frontières

8. Jurassique

1.     Anomalies de la région de Chiny – vallée de la Vierre

On les retrouve dans une série de niveaux radioactifs stratiformes ou lenticulaires, dans une zone schistogréseuse du Siegenien inférieur du Synclinal de Neuchâteau, de près de 3 Km s’étendant d’ouest en est dans les vallées de la Semois et de la Vierre. Ces niveaux d’anomalies s’insèrent dans des schistes gréseux de couleur sombre (faciès des « schistes noirs ») et les teneurs en uranium peuvent atteindre 250 ppm. Ils se seraient formés durant la sédimentation (synsédimentation) suivie d’une mobilisation et d’une précipitation selon des processus d’oxydo-réduction. Minéralogiquement, il s’exprime sous forme de phosphoarseniates d’U et de Cu.

 2.     Anomalie de Daverdisse

Cette anomalie très localisée se situe dans la vallée de la Lesse près de Daverdisse. Nous sommes, dans cette zone de la Haute Lesse, dans les formations plissées et faillées du Dévonien inférieur. A l’endroit de l’anomalie on rencontre, en affleurement, des phyllades, des quartzophyllades, des grès argileux et des quartzites de la formation de St. Hubert.

L’indice coïncide avec une fracture transversale varisque de faible intensité. Elle est essentiellement liée à l’uranium avec des teneurs pouvant atteindre 0,3%.

D’un point de vue minéralogique, plus d’une vingtaine de minéraux, dont plusieurs étaient nouveaux pour la Belgique,  y ont été détectés par différentes méthodes : lames minces, microsonde électronique et spectromètre à dispersion. Les échantillons ainsi analysés ont permis d’établir la présence de minéraux appartenant à cinq familles principales (voir tableau 2) :

        Oxydes

        Séléniures, sulfures et métaux natifs

        Sulfates

        Phosphates

        Hydroxydes et oxysels

OXYDES                                                        SELENIURES, SZULFURES &

                                                                       METAUX NATIFS

 

Uraninite                                                          Clausthalite

Brannerite                                                        Tiemannite

Rutile(s)                                                          (Bravoite)

Anatase                                                           Pyrite

Oxyde rouge à U-Ti-Fe                                     Chalcopyrite

Quartz                                                             (Bohdanowiczite)

(Oxyde de bismuth)                                          (Naumannite)

                                                                       (Argentite ou acanthite)

SULFATES                                                      (Amalgame Ag-Hg)

                                                                       (Hg-Ag-Se)

Jarosite                                                            (Pb-Bi-Hg-Se)

(Plumbojarosite)                                               (Fe-Sb-S)

(Sulfate de Fe)                                                 (Ag)

                                                                       (Au-Pd)

 

HYDROXYDES                                              PHOSPHATES

 

(Hydroxyde de Fe à U, Bi, Zr)                           Xénotime

(Hydroxychlorure de Fe)                                   Tobernite

                                                                       Autunite

 

 

 Tableau 2 – Minéraux rencontrés dans les diverses paragenèses de Daverdisse (d’après J. Jedwab & L. Dejonghe)

L’origine de cet indice, du fait de sa coïncidence avec une fracture, pourrait être épigénique, c’est-à-dire que ce faible gisement métallifère s’est formé secondairement, les apports des minéraux étant liés à des solutions hydrothermales. En d’autres mots, à Daverdisse, l’uranium a été concentré et séparé du thorium et du plomb par lessivage des sédiments hôtes, durant l’orogenèse varisque, pour ensuite se déposer au niveau d’une fracture.

3.     Anomalie d’Oizy 

Cette anomalie se situe dans des fractures qui se sont ouvertes au sommet du Gedinnien inférieur, et qui ont été colmatées par des oxy-hydroxydes de Fe (goethite, lépidocrocite) et des minéraux argileux illite-kaolinite. L’origine de cet indice est à chercher dans des sols mis en place sous un climat subtropical durant la période Eocène-Miocène. L’uranium que l’on y trouve a dû vraisemblablement migré depuis la surface pour se bloquer sur les oxy-hydroxydes de Fe et les argiles de remplissage. Il est possible que l’uranium et le plomb uranogénique associés proviennent d’anomalies antérieures antédévoniennes, vraisemblablement cambriennes, pour ensuite être piégés au niveau d’un remplissage limonitique de fracture au Tertiaire.

 B.    Les anomalies radioactives du Viséen supérieur dans le Bassin de Dinant

 Anomalies Viséen belge

Fig. 3 – Localisation des principales anomalies radiométriques du Viséen supérieur du Bassin de Dinant (d’après Charlet J.-M., Ndziba M., Quinif Y.)

a. Dévonien inférieur ; b. Dévonien moyen ; c. Dévonien supérieur ; d. Dinantien ; e. Namurien

1. Florennes ; 2. Bioul (centre) ; 3. carrière de la Noire Terre (Bioul) ; 4. carrière de Jaiffe (Warnant) ; 5. bois de Warnant ; 6. route de Haut-le-Wastia ; 7. bois du Curé (Haut-les-Wastia) ; 8. lieu-dit Plantisse (Haut-les-Wastia) ; 9. chemin forestier des ruines de Poilvache, à la vallée de la Meuse ; 10. mont d’Houx (route de Purnode) ; 11. tranchée du chemin de fer ; 12. au N-E de Modave (talus de route) ; 13. route Modave-Ocquier

 

L’existence locale d’anomalies radiométriques dans le Viséen supérieur/Namurien de Belgique avait été signalée très tôt dans le Bassin de Namur par E. Legrand et confirmée par les travaux de J.-M. Charlet et al. (1977 et 1979) pour la région de Blaton et par ceux de A. Herbosch et al. (1979) pour la région de Visé. Le levé radiométrique autoporté, conduit par la Faculté Polytechnique de Mons, a permis de circonscrire un grand nombre de zones anomaliques nouvelles dans le bassin de Dinant. Ainsi plus d’une dizaine d’anomalies ont été localisées par voie aéroportée et par prospection scintillométrique pédestre. Elles apparaissent dans tous les synclinaux namuriens du Bassin de Dinant où les conditions d’affleurement permettent l’observation du contact Namurien-Viséen.

Géologiquement, ces anomalies se situent dans les schistes qui constituent les « couches de passage » du Viséen supérieur (V3c) et qui se sont formés lors du confinement d’un bassin à la fin du Viséen.

De l’étude géologique, radiométrique et géochimique du V3c du Bassin de Dinant, se sont dégagés les résultats suivants :

        le V3c de cette entité présente une zone d’anomalies radiométriques, stratiforme et d’extension régionale, repérable aux affleurements. La spectrométrie γ montre que l’uranium est responsable de ces anomalies, les autres éléments radioactifs naturels (Th, K4O) étant en concentrations très faibles ;

        La comparaison entre les différents horizons du V3c supérieur (schistes, calcaires, nodules phosphates) ne montre pas de différences essentielles entre les constituants des faciès uranifères et les autres faciès. Toutefois, l’enrichissement en uranium correspond à un enrichissement en phosphate de toute la série ;

        Les processus de concentration de l’uranium diffèrent selon  que l’on considère la base ou le sommet de V3c supérieur. A la base, l’uranium est fixé préférentiellement par les matières réductrices tandis qu’au sommet ce sont les phosphates qui jouent le rôle de fixateur.

        Le passage du Namurien au Viséen se marque par :

o      une absence d’anomalies radiométriques véritables ainsi que celle d’une phophatogenèse au niveau des calcaires namurien, avec présence de quartz détritique ;

o      une teneur déjà élevée en uranium des calcaires à Conodontes de la base du V3c supérieur

o      des anomalies radiométriques bien marquées dans les schistes du V3c supérieur, avec phophatogenèse progressive de la base au sommet.

        L’anomalie radioactive du passage Viséen-Namurien peut constituer un excellent marqueur stratigraphique

VI.      METHODES DE MESURE DES TENEURS EN ELEMENTS RADIOACTIFS DES ROCHES

Différentes méthodes permettent de déterminer les teneurs en éléments radioactifs des roches. Ainsi, l’étude de la radioactivité des roches magmatiques a été au début faite par des méthodes radiochimiques qui déterminaient la quantité de radon qu’elles contenaient. Nous aborderons l’histoire du radon dans un article ultérieur. Des mesures plus récentes sont couramment utilisées : mesure par  fluorimétrie ou par plaques nucléaires.

 A.    La fluorimétrie ou spectroscopie de fluorescence

C’est une technique de dosage qui utilise la propriété de certaines substances d’être fluorescente. Elle consiste à mesurer la fluorescence qui est proportionnelle à la concentration de l’élément. Ce type de spectroscopie implique l’utilisation d’une source lumineuse (habituellement dans l’ultraviolet) dont les rayons vont exciter les électrons des atomes de l’élément étudié et leur faire émettre une lumière de plus basse énergie. Pour les dosages de l’ordre du µg/L, on utilise des lasers qui permettent de réaliser une fluorescence atomique. Les instruments utilisés à cet effet sont des fluorimètres.

Cette méthode est utilisée pour effectuer le dosage d’uranium dans un échantillon. On réalise une perle par fusion d’un sel d’uranium et de fluorure de sodium. Celle-ci a la propriété de devenir fluorescente jaune sous l’action d’un rayonnement ultraviolet. La mesure de la fluorescence se fait au moyen d’une cellule photoélectrique suivie d’un amplificateur et d’un galvanomètre.

 Une technique plus sophistiquée est la spectrométrie de fluorescence X (SFX ou FX, ou en anglais XRF pour X-ray fluorescence). Cette méthode d’analyse chimique utilise une propriété physique de la matière, la fluorescence de rayons X. Dans ce cas, la source de rayonnement est une source de rayons X qui provoque une émission secondaire de rayons X au niveau de l’échantillon. C’est la fluorescence de rayons X. Le spectre des rayons X émis par la matière est caractéristique de la composition de celle-ci. On peut en déduire la composition élémentaire, c’est-à-dire les concentrations massiques en éléments (fig. 4).

 Spectre d'énergie

 Fig. 4 – Exemple d’un spectre en énergie du rayonnement fluorescent d’un échantillon

 B.    Plaques nucléaires

Cette méthode utilise le pouvoir de réaction des grains d’argent d’une plaque photographique à une émission radioactive. Quand une particule chargée traverse une émulsion photographique, elle ionise des grains d’argent le long de sa trajectoire et perd ainsi une partie de son énergie cinétique. L’analyse des trajectoires observées permet de déterminer le spectre d’énergie des particules émises par l’échantillon analysé.

Dans la pratique, on dépose une lame mince de l’échantillon à analyser sur une plaque nucléaire pendant un certain temps. On éclaire légèrement l’émulsion à travers la lame mince. Après développement, les éléments sombres se dessinent en clair et permettent un repérage très précis. On remarque également les traces des rayons α qui indiquent la position des éléments radioactifs (fig. 5)

  radioactivité dans une roche

(à suivre)

 


[1]  La valence d’un élément chimique est le nombre maximal de liaisons chimiques qu’il peut former. Autrement dit, c’est le nombre maximal d’atomes d’un élément univalent avec lesquels un atome de cet élément peut s’associer. La valence d’un atome dans le cadre d’une molécule ou d’un ion est le nombre de liaisons covalentes que cet atome a formé. La valence d’un ion monoatomique en solution est sa charge, on parle alors d’électrovalence.

La couche de valence est la dernière couche électronique d’un atome (couche externe) et la (ou les) sous-couche en cours de remplissage.

[2] ppm : part par millions. Au sens strict, un ppm correspond à un rapport de 10-6, soit, par exemple, un milligramme par kilogramme ; au sens large, un ppm correspond à milligramme par litre : dans ce cas il s’agit d’un abus de langage, car le litre (unité de volume) n’est pas équivalent au kilogramme (unité de masse). En outre, le ppm n’est pas une concentration mais un rapport, c’est-à-dire un quotient sans dimension, à l’instar d’un pourcentage.

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L’AGE DE LA TERRE ET SON GRADIENT THERMIQUE

Article paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N° 158, novembre 2009


I.     IMPORTANCE DES RADIOELEMENTS EN GEOLOGIE

Des articles précédents, on peut conclure que les radioéléments jouent un rôle important dans les phénomènes géologiques et ce par trois caractéristiques de la radioactivité :

a)    Le dégagement constant d’énergie d’origine nucléaire
Le rayonnement radioactif émis par les nucléides interagit avec la matière environnante en se transformant en définitive en chaleur. Ce phénomène intervient dans l’évolution et le bilan thermique de notre planète et les problèmes associés, tels que le métamorphisme régional, les mouvements orogéniques et le volcanisme.

b)    L’immuabilité de la constante radioactive
La demi-vie d’un radionucléide est une caractéristique propre à celui-ci et elle reste constante par rapport au temps et aux conditions extérieures. Cette propriété permet de dater de manière absolue et relativement précise les phénomènes géologiques.

c)    La grande sensibilité des méthodes de détection de la radioactivité
Celle-ci permet de suivre la migration et la répartition, pratiquement à l’échelle atomique, des radioéléments dans les minéraux et les roches.

En première conclusion, et sur la base de ce que nous avons vu sur les différents éléments radioactifs naturels, on peut dire qu’aux points de vue géologique et géochimique, l’évolution et la répartition de tous les radioéléments appartenant aux trois familles radioactives naturelles dépendent uniquement de l’évolution et de la répartition de l’uranium et du thorium.
A part le potassium, les autres éléments radioactifs naturels sont trop rares et trop peu énergétiques pour jouer un rôle majeur.

II. L’AGE DE LA TERRE

Si la planète dégage de la chaleur, elle doit nécessairement se refroidir. Aussi, il est possible, connaissant les lois qui régissent son refroidissement de déterminer son âge et donc l’époque de sa formation.

Bien évidemment, avant de songer à calculer l’âge de notre planète à partir de sa chaleur émise, de nombreuses tentatives ont été faites depuis l’Antiquité. Ainsi, pour ARISTOTE (384-322 av. J.-C.) la Terre est éternelle et garde indéfiniment son identité, car les modifications de sa surface se compensent en moyenne. Pour l’école stoïcienne (IIIème – IIème s. av. J.-C., Athènes), la Terre, au contraire, subit une succession de créations et de destructions, où à chaque cycle, les mêmes êtres sont créés et les mêmes événements se reproduisent. Équilibre perpétuel chez ARISTOTE, répétitions cycliques chez les Stoïciens, dans les deux cas il y a conservation du Monde.

Au Ier siècle après J.-C., l’historien juif, Flavius JOSEPHE (37-100 ap J.-C.) tente une première compilation chronologique sur la base de l’âge et des générations des personnages de l’Ancien Testament, pour retrouver la date de la création. Il est suivi par Théophile d’ANTIOCHE (115-181) et Eusèbe de CESAREE (265-339). Ils l’estiment à 5.500 ans avant la naissance du Christ.

Alphonse DE VIGNOLE (1649-1744) relève, au cours des XVIème et XVIIIème siècles, plus de deux cents calculs différents, s’échelonnant de 3.483 à 6.984 ans depuis la Création jusqu’à la naissance du Christ. Celui qui sera imposé par l’église est dû à l’archevêque James USSHER (1581-1656), qui affirme que la Création eut lieu au début de la nuit précédant le 23 octobre de l’an 4.004 av. J.-C. D’autre personnalités tels Christophe COLOMB (° 1450 – † 1506), MERCATOR (° 1512 – † 1594), Johannes KEPLER (° 1571 – † 1630), Isaac NEWTON (° 1642 – † 1727) feront chacun leur proposition. Ce seront toujours des chronologies courtes qui englobent toute l’histoire de la Terre, formation des montagnes, empilement des couches géologiques, érosion, sans pour cela poser problème. La formation de notre globe est scandée par des événements brefs et violents dont le Déluge est le principal. Cette conception donnera naissance au catastrophisme dont nous parlerons plus loin.

Les approches plus sérieuses verront le jour vers 1660, lorsque Niels STENON (° 1638 – † 1680) reconnaît au Danemark la continuité et l’homogénéité des niveaux de craie sur de grandes régions, et admet qu’elles représentent l’accumulation de sédiments pendant une certaine durée de temps, chaque niveau pouvant définir une unité de temps.

En 1721, Henri GAUTIER (° 1660 – † 1737) essaye de dater l’âge du globe en estimant le temps d’érosion des reliefs grâce à la mesure de la turbidité des fleuves. 35.000 ans suffisent pour niveler complètement un continent. Mais lorsque l’on reprend ses mesures et la loi qu’il établit, on trouve des durées bien plus considérables

D’autres géologues, se basant sur les taux de sédimentation ou d’érosion, tels que John TUBERVILLE-NEEDHAM (° 1713 – † 1781), Pierre-Bernard PALASSOU (° 1745 – † 1830) ou Jean-Louis Giraud SOULAVIE (° 1752 – † 1813) puis John PHILLIPS (° 1800 – † 1874), obtiennent des durées atteignant plusieurs millions d’années pour la mise en place de ces phénomènes géologiques.

Encore au début du XXème siècle, Grove Karl GILBERT (° 1843 – † 1918) fait la corrélation entre les couches de quelques décimètres dans les formations de craie des grandes plaines du Nordeste au Brésil, et un cycle terrestre autour du soleil (cycle de précession). Delà, il exprime le phénomène en années et définit une unité, le « gilbert », correspondant à 22.000 ans. Mais les discordances et les érosions sont trop fréquentes pour que cette unité ait valeur générale.

L’un des premier à vouloir déterminer l’âge de la Terre d’une manière scientifique, à partir de sa chaleur émise, est Georges Louis LECLERC, comte de BUFFON (° Montbard, 1707 – † Paris, 1788). En plus d’être intendant du Jardin des Plantes à Paris, BUFFON possède dans les environs de Montbard des forges. Esprit curieux, il fait tirer de ses forges du fer aussi pur que possible et en fait confectionner des sphères de tailles différentes. Il les chauffe à blanc et les laisse refroidir en mesurant le temps nécessaire pour qu’elles atteignent la température de la cave, soit celle de la Terre. Il en tire une loi qui relie le temps de refroidissement d’une sphère à sa taille. Afin de peaufiner son expérience, il utilise d’autres matières comme le marbre ou l’argile. Cette loi, connaissant le diamètre de la Terre, lui permet de calculer le temps que cette dernière aurait mis pour se refroidir depuis sa formation : il arrive à la conclusion, en partant de l’hypothèse que le globe terrestre était en fusion au départ, qu’il a fallu 2.905 ans pour que la consolidation atteigne le centre de la planète, 33.911 ans pour qu’il soit possible de la toucher et 74.047 ans pour qu’elle acquiert sa température actuelle. Ce résultat n’empêche pas de choquer les âmes bien pensantes de l’époque pour qui la création de la Terre, correspond au calcul de l’archevêque USSHER. Cependant, BUFFON juge lui-même la durée trouvée bien trop courte au regard de celle nécessaire pour expliquer les dépôts des sédiments et du temps pour les transformer en roches sédimentaires. En effet, il détermine la quantité de sédiments s’accumulant dans une mare de sa propriété de Montbard et établit un taux de sédimentation. De plus, il mesure l’épaisseur d’une formation sédimentaire le long des côtes normandes et il en déduit qu’il fallut plusieurs dizaines de milliers d’années (dans ses notes, il écrit de l’ordre de dizaine de millions d’années) pour obtenir un tel dépôt. Tout comme GAUTIER, on constate une certaine retenue ou « peur » des dates longues.

Un autre savant à se lancer dans l’aventure est William THOMSON, mieux connu sous le nom de Lord KELVIN of Largs (° 26-06-1824, Belfast – † 17-12-1907, Strathclyde, Ecosse). Il est à la base d’un débat qui secoua la communauté des géologues durant plus de trente ans.
Inventeur de la seconde loi de la thermodynamique et de l’échelle thermique portant son nom, il s’est penché également sur le calcul de l’âge de la Terre. Il veut soumettre les processus géologiques aux lois inéluctables de sa discipline, la physique. De ce fait, il s’oppose à la conception dominante parmi les géologues. Depuis James HUTTON (° 1726, Edimbourg – † 1797, id), géologue écossais, la Terre ne présente pas plus « de vestiges d’un début que de perspectives d’une fin ». KELVIN nie l’éternité de notre planète, pour lui, elle a un début et elle aura une fin.
Ce sont ses études sur la conduction thermique, qui, vers les années 1850, lui permirent d’avancer que la Terre s’était formée il y 100 millions d’années. Cependant en 1862, d’autres calculs l’amènent à revoir son estimation et à agrandir sa marge d’erreur qu’il situe entre 20 et 400 Ma, au grand dam de sir Charles LYELL (° 1797, Kinordy, Ecosse – † 1875, Londres) et de Charles DARWIN (° 1809, Shrewsbury – † 1882, Down, Kent) qui considère Lord KELVIN comme un « spectre odieux ». En effet, DARWIN estime, en 1859, à 300 millions d’années le temps mis par la mer pour creuser la vallée de Weald dans le sud de l’Angleterre (il extrapole le taux d’érosion actuel). Cette durée lui semble compatible avec l’évolution biologique et les lents processus de la sélection naturelle.

Comment Lord KELVIN est-il arrivé à ce résultat ? Il fit le calcul du temps nécessaire au refroidissement de la Terre entre son état initial et son état actuel. Il supposa que la chaleur de la Terre provenait de la contraction gravitationnelle et un peu du Soleil. Puis, il détermina la conduction thermique de la Terre, sa capacité calorifique et sa chaleur latente de fusion. Selon la seconde loi de la thermodynamique, le refroidissement de la Terre aurait été régulier, et aucune énergie n’aurait été apportée à celle-ci depuis sa condensation. Hypothèse fausse, bien entendu qui malgré un raisonnement exact entraîna une erreur d’estimation de près de 5.000%.
En utilisant la théorie du mathématicien Joseph FOURIER (° 1768, Auxerre – † 1830, Paris) sur la conduction thermique, il détermina l’évolution de la répartition des températures de la Terre. Il améliora ainsi son calcul et conclut que la Terre avait entre 20 et 400 millions d’années.

Nous sommes à une époque où la conception de l’actualisme l’emporte, en postulant que les phénomènes anciens obéissent à des lois de même nature et de même intensité que les phénomènes actuels. Ce principe des causes première s’opposera au catastrophisme pour lequel les phénomènes passés ont eu, soit au début des temps géologiques, soit périodiquement, une plus grande ampleur. En dépit des lois de conduction de la chaleur établies par FOURIER, les températures mesurées dans les puits de mines sont audacieusement extrapolées pour donner une valeur de près de 200.000° C au centre de notre globe. La Terre apparaît comme une sphère constituée d’un océan magmatique sur lequel surnage une croûte solide et mince d’une cinquantaine de kilomètres d’épaisseur. KELVIN démontrera l’absurdité de cette vue, en 1860, et, à contrario, déduira que la Terre est un solide « aussi rigide que l’acier ».

Vers 1880, les premières mesures précises de conductivité thermique des roches sont réalisées par KRIEG et BARUS qui les amènent à une chronologie plus courte. Ils ramènent l’âge de la Terre à 25 millions d’années. Lord KELVIN s’y rallie. Sir LYELL n’est pas convaincu. Pour lui la Terre est nettement plus vieille. Il invoque la création d’énergie à l’intérieur du globe grâce à des réactions chimiques. Malgré cette intuition géniale, Lord KELVIN dont la notoriété dans le monde scientifique fait l’unanimité n’en démord pas.

Une autre méthode d’estimation de l’âge de la Terre est définie en 1899 par John JOLY (° 1857 – † 1933). Il se base sur l’hypothèse que la salinité de l’eau de mer a été acquise de manière constante, au cours des temps, par l’apport fluviatile. L’idée n’est pas neuve. Elle a été avancée par Edmond HALLEY (° 1656 – † 1743) en 1715. L’augmentation régulière de la salure des océans par l’apport des sels des fleuves permet par extrapolation de trouver l’âge de la planète. Malheureusement, JOLY n’annonce aucun chiffre.

Il faudra attendre la découverte de la radioactivité de l’uranium, en 1896, par Henri BECQUEREL (° 1852, Paris – † 1908, Le Croisic), pour que la théorie de Lord KELVIN batte de l’aile. Cette découverte, et par la suite la mise en évidence par Pierre et Marie CURIE de la décroissante radioactive avec émission de chaleur eurent des conséquences énormes sur le bilan énergétique de la planète.

En effet, la seule condensation initiale du gobe ne peut plus expliquer le dégagement thermique, il faut tenir compte des désintégrations atomiques qui chaque jour apportent leur lot de chaleur. Grâce à cette nouvelle discipline, qu’est la physique nucléaire, la radioactivité permet de déterminer l’âge réel de la Terre et de l’Univers. Les physiciens et les astronomes sont convaincus que l’existence de radionucléides remet les calculs de Lord KELVIN en cause. Plusieurs méthodes de datation seront élaborées au cours du XXème siècle.

Ces convictions sont confortées par des mesures expérimentales faites dans des milieux naturels par les physiciens allemands Johann Philipp Ludwig ELSTER (° 1854, Blankenburg – † 1920, Wolfenbüttel) et Hans Friedrich GEITEL (° 1855, Brunswick – † 1923, Wolfenbüttel) de 1900 à 1905. Ils détectent systématiquement des traces de radioactivité dans les sols et les eaux provenant principalement du radium et de son émanation, le radon.

Ainsi, dès 1906, Ernest RUTHERFORD (° 1871, Nelson, New Zélande – † 1937, Cambridge) met au point une méthode de datation isotopique basée sur la mesure de l’hélium produit par la désintégration du radium. Il attribue un âge de 40 Ma à une roche, qu’il révise à 140 Ma puis à 500 Ma, en 19061 , estimation nettement supérieur à ce que Lord KELVIN avait retenu ! En 1905, John William STRUTT (° 12/11/1842, Landford Grove, Essex – † 30/06/1919, Witham, Essex), plus connu sous le nom de Lord RAYLEIGH détermine, le premier, par la même méthode, un âge radiométrique de plus de 1 milliard d’années Cependant, la méthode est abandonnée car biaisée, d’une part par l’instabilité de l’hélium qui peut s’échapper de la roche, d’autre part par le fait qu’il peut être le sous-produit d’autres radionucléides..

En 1906, le fils de Lord KELVIN, Robert STRUTT (° 28/08/1875 – † 13/12/1947), mesure la teneur en radium des minéraux et des roches. Il constate une différence de l’ordre d’un facteur 10 entre basaltes et granites. De plus, les teneurs mesurées les plus faibles sont dix fois supérieures à la teneur moyenne nécessaire pour expliquer le flux de chaleur terrestre interne. Afin de tenir compte du flux réellement mesuré, il suppose que le radium se cantonne dans une zone superficielle de la lithosphère, de 75 Km d’épaisseur, sinon, la Terre s’échaufferait plutôt que de se refroidir. Les géologues ont enfin la certitude que la chaleur produite par notre planète ne provient pas uniquement de sa condensation initiale.
Entre 1905 et 1910, STRUTT mesure la quantité d’hélium incluse dans des minéraux contenant de l’uranium ou du thorium. Il estime l’âge de certains minéraux, à 250 et 280 millions d’années2 .

Nous retrouvons le géologue irlandais JOLY dont la position est intéressante. En effet, il est le premier scientifique à souligner les incidences possibles de la radioactivité sur des phénomènes géologiques. Il participe, en 1904 à Londres, au débat sur l’origine du radium. Comme STRUTT, il s’implique dans des mesures de radioactivité de minéraux et découvre, en 1907, les halos pléochroïques, taches plus ou moins sombres dues aux défauts créés par le bombardement continu de rayons alpha. En collaboration avec RUTHERFORD, des comparaisons entre divers minéraux naturels et artificiels lui permettent d’utiliser l’intensité de ces halos pour dater les minéraux affectés3 . En 1909, paraît son livre, Radioactivity and Geology , dans lequel il discute les nouvelles méthodes de datations radioactives et passe en revue les implications de la radioactivité sur la géodynamique. Cela ne l’empêche pas, comme nous l’avons vu plus haut, de préférer se baser sur la salinité des océans et les vitesses de sédimentation pour évaluer l’âge de la Terre.

A propos du débat de 1904, à Londres, sur l’origine du radium, une anecdote met en scène Lord KELVIN et RUTHERFORD4 . KELVIN est un opposant irréductible à la théorie des désintégrations radioactives. Cependant, il suit de prêt les progrès de celle-ci. Lors d’un exposé de RUTHERFORD, notre grand physicien dort. Il se réveille avec un regard noir au moment où l’orateur aborde l’âge de la Terre. Dans un moment d’inspiration, RUTHERFORD dit : « Lord Kelvin avait limité l’âge de la Terre à la condition qu’aucune nouvelle source de chaleur ne soit découverte. Cette déclaration prophétique se rapporte à ce que nous considérons ce soir, le radium ! » KELVIN à ces propos se réjouit. L’histoire vaut ce qu’elle vaut. Toujours est-il, qu’en 1906, KELVIN nie toujours le rôle de la radioactivité dans le flux thermique de la Terre. Il semble toutefois qu’en privé il aurait confié à J.J. THOMSON5 que son travail sur l’âge de la Terre était le plus important de sa carrière et que la découverte du radium rendait indéfendable ses hypothèses. Son obstination s’expliquerait-elle par le fait qu’il ne voulait pas perdre la face en tant que physicien de renom international ?

Entre 1903 et 1907, Bertram BOLTWOOD (° 1870 – † 1927), un chimiste de l’Université de Yale, remarque que tous les minéraux uranifères contiennent du plomb. Comme nous l’avons vu lors de l’étude des familles radioactives naturelles, cet élément marque la fin de la chaîne de désintégration de l’uranium. BOLTWOOD en conclut que connaissant le taux de production annuel du plomb à partir de l’uranium et les teneurs actuelles de ces deux éléments dans un minéral, on peut calculer l’âge de celui-ci. Cette méthode est valable si au départ aucun plomb n’est présent et que ce dernier est le résultat uniquement de la désintégration de l’uranium. Comme la période de l’uranium est beaucoup trop longue pour connaître le taux annuel de production du plomb, BOLTWOOD contourne la difficulté en profitant du fait que le radium, maillon de la chaîne, a un taux de production annuel connu et qu’à l’équilibre radioactif, il est le même que celui de l’uranium et du plomb. Connaissant le nombre d’atomes de radium présents par atome d’uranium et son taux annuel de désintégration, on peut déterminer le nombre d’atomes de plomb formés par an pour chaque atome d’uranium. Donc, il suffit de diviser le rapport Pb/U par la constante obtenue ainsi pour connaître l’âge d’un minerai. En 1907, il publie les résultats de ses calculs et obtient des âges compris entre 410 et 535 millions d’années6 . En homme prudent, il s’abstient de tout commentaire.
En 1915, sa méthode permet d’attribuer un âge de 1,3 milliard d’années (1,3 GA) aux plus vieilles roches. L’âge de la Terre est donc plus grand que ce qu’imaginaient les géologues !
Non seulement, la radioactivité donne à ceux-ci un instrument pour dater les phénomènes géologiques, mais elle fournit également l’explication de l’ancienneté de l’univers.

Un débat s’amorce entre partisans et adversaires des méthodes radioactives. Le géologue américain G.F. BECKER, en utilisant la méthode de BOLTWOOD, démontre par l’absurde ses faiblesses7 . Il obtient, en 1908, des âges allant de 1,6 à 11,5 milliards d’années pour divers minéraux dont la teneur en uranium et plomb est connue. Ces résultats sont invraisemblables ! D’autre part, si les teneurs en radium obtenues par STRUTT rendent bien compte du flux thermique total de la Terre, sa concentration dans une mince couche de la lithosphère conduit à un gradient géothermique beaucoup trop élevé qui devrait entraîner la fusion des roches à des profondeurs trop faibles.
En conclusion, BECKER énonce que la radioactivité naturelle se limite à une couche encore plus mince ou est concentrée localement et que sa contribution n’intervient que pour 10 % dans le flux de chaleur terrestre. Pour les âges comme pour le flux de chaleur, la radioactivité intervient certes, mais son rôle reste encore obscur et ne peut être pris en compte que si les résultats concordent avec ceux obtenus par la voie purement géologique.

On constate, que ces premières tentatives de géochronologie « absolue » sont disparates, en raison du choix des échantillons et de l’imprécision des méthodes utilisées. Certains scientifiques sont réticents et refusent de s’y adonner. Ainsi, L. DE LAUNAY, un influent ingénieur en chef des Mines, dans son traité paru en 1905, « La Science géologique », passe la radioactivité sous silence. Il y fera allusion dans un deuxième ouvrage, « L’Histoire de la Terre », qui sort en 1906, mais il émet des réserves : « Est-ce là un retour en arrière vers les théories des alchimistes ? Sans doute, dans une certaine mesure ; mais avant de voir dans cette constatation la preuve d’une erreur, il faut bien se rendre compte en quoi les alchimistes se trompaient et en quoi on est peut-être resté dans l’erreur en les rectifiant »8 . A propos des calculs de KELVIN, il note encore que « n’étaient les noms des savants qui les ont établis, ces chiffres ne mériteraient aucune attention, tant on a accumulé pour les obtenir d’invraisemblables hypothèses ».

Pierre TERMIER (° 1859 – † 1930) écrit, en 1910 : « La méthode repose toute entière sur un « postulatum » invérifiable qui est la constance absolue de la vitesse de désintégration de l’atome instable. Tout cela est vraisemblable mais incertain ».

Cependant, des personnalités comme JOLY et BECKER ont une influence notoire sur leurs collègues géologues qui ont quelques difficultés à dialoguer avec les physiciens et les chimistes de la nouvelle école, celle du nucléaire.

La première tentative réelle pour déterminer directement l’âge de la Terre sera réalisé par Arthur HOLMES (° 14-01-1890 – † 20-09-1965), professeur à l’Université d’Edimbourg. Ce géologue britannique a marqué de son empreinte la géochronologie. Dans son livre The Age of the Earth, publié en 1913, il estime l’âge des plus vieilles roches à 1.600 millions d’années. Il constate que les résultats confirment tous l’échelle stratigraphique basée sur des données paléontologiques. Il en sera de même pour toutes les mesures ultérieures. Les premières valeurs qu’il propose, sont pour nombre d’entre elles confirmées aujourd’hui :

  • pour le Carbonifère, il propose 340 Ma, les mesures actuelles place cette période de 354 Ma à 298 Ma :
  • pour le Dévonien, il l’estime à 370 Ma, aujourd’hui il dure de 350 à 410 Ma :
  • pour le Silurien, il avance 430 Ma et maintenant on le situe entre 435 à 410 Ma

C’est l’un des premiers partisans de la dérive des continents émise par Alfred WEGENER (° 1880, Berlin – † 1930, Groenland). Selon lui, le manteau terrestre contient des cellules de convection qui dissipent la chaleur due aux éléments radioactifs et amènent la croûte terrestre vers la surface. Cette vue étant purement théorique est rejetée par Harold JEFFREYS9 (° 22-04-1891 – † 18-03-1989) et la communauté des géophysiciens.

En 1921, l’astronome américain Henry Norris RUSSEL (° 1877 – † 1957), partant de l’âge de la plus vieille roche connue (1.000 Ma) et admettant que tout le plomb des minéraux terrestre est issu de la désintégration de l’uranium, calcule qu’il a fallu 8.000 Ma pour qu’il s’élabore.

En 1938, le physicien américain Alfred NIER (° 1911 – † 1994), puis Harold UREY proposent une approche isotopique de la datation radiométrique. Ils mesurent la composition isotopique du plomb (rapport 207Pb/206Pb), produit final des trois familles radioactives, présent dans les galènes et trouve, pour les plus vieux échantillons de roche, des âges de 2.500 Ma .

En 1944, Arthur HOLMES publie un second livre, Principles of Physical Geology, tout aussi célèbre que son premier. Sur la base de nouvelles mesures tenant compte de l’abondance relative des isotopes d’uranium, proposée par Alfred NIER, il arrive à un âge de notre planète beaucoup plus réaliste, soit 4.500 millions d’années ± 100 millions. Deux autres chercheurs, E. K. GERLING et Friedrich HOUTERMANS, se basant également sur les données de NIER, obtiennent, en 1946, le même résultat.

Bien avant que l’on se penche sur l’étude de la dissipation de l’énergie émise par la Terre, les astronomes se lancent dans des spéculations sur celle qui émane du Soleil. W.E. WILSON imagine, pour expliquer celle-ci, une concentration en radium de 3,6 gr/m³ au sein de notre étoile, bien qu’il ne soit pas détecté dans le spectre lumineux de l’astre. L’hélium est identifié pour la première fois en 1868 dans des étoiles. Sur Terre, il a été détecté dans des minerais d’uranium. En 1903, les chimistes britanniques William RAMSAY (° 1852 – † 1916) et Frederich SODDY (° 1877 – † 1956) rapportent que la désintégration du radium produit effectivement de l’hélium. La présence d’hélium dans le Soleil suppose l’existence de réactions thermonucléaires violentes. La nouvelle physique permet d’élucider celles-ci. Une hypothèse hardie conduit ainsi à une large fourchette de 0,6 à 5 milliards d’années, bien loin des 12 à 100 millions d’années donnés par l’école de Lord KELVIN.

En 1929, l’astronome américain Edwin HUBBLE (° 1889 – † 1963) par analyse spectroscopique, observe un décalage vers le rouge des spectres de certaines galaxies. Il en déduit la relation de proportionnalité entre leur vitesse d’éloignement et leur distance (loi de Hubble). Cette loi permet d’estimer l’âge de l’Univers entre 1,8 et 2 GA. Des roches, selon les mesures des géologues, seraient donc plus vieilles que l’univers ! Impossible ! Heureusement, en 1950, la relation distance – vitesse de HUBBLE est revue à la hausse et l’âge de l’Univers recule à 4 GA.

Grâce à l’amélioration de la technique de la spectrométrie de masse dans les années 1950, la détermination de la composition isotopique des éléments présents dans les roches, est fortement facilitée. Durant la Seconde Guerre mondiale, bon nombre de scientifiques européens, afin de fuir le régime nazi, se sont exilés aux Etats-Unis et ont été incorporés dans des programmes de recherches spécifiques (Projet Manhattan, notamment). Cet effort de guerre a permit un développement spectaculaire dans de nombreux domaines technologiques.

En 1953, un post-doctorant à l’Université de Chicago, Clair PATTERSON (° 1922, Mitchellville, Iowa, – † 1995, Sea Ranch, Californie)., procède à l’analyse isotopique des météorites. Il travaille sous la direction du géochimiste américain Harrison BROWN (° 1917 – † 1986), qui a participé au Projet Manhattan et travaille depuis 1947 sur le même sujet. Ils arrivent à la conclusion que la Terre et les météorites sont constitués du même matériau source et se sont formés à la même époque, il y a 4,55 GA (±70 MA),

Mais en fait, l’âge de la Terre qui a été accepté jusqu’à ce jour, est celui déterminé à la fin des années 1930 par A. HOLMES et F.E. WICKMAN. qui s’étaient déjà penchés sur l’abondance isotopique du plomb (204Pb, 206Pb et 207Pb) dans les météorites. Sur terre, tout le 204Pb est présent depuis le début de sa formation tandis qu’une partie du 206Pb et du 207Pb est formée constamment par 238U et 235U. En comparant les proportions actuelles de plomb et d’uranium de notre planète avec celle du plomb des météorites sans uranium, et connaissant la loi de désintégration de ces différents éléments, HOLMES et WICKMAN sont arrivés à une valeur de près de 4,6 milliards d’années, âge attribué au système solaire.

Toutefois, une nouvelle estimation de l’âge de la Terre a été annoncée dans la revue « Nature » (août 2002). Elle est due aux observations faites par Al CAMERON de l’Université d’Arizona (Tucson, U.S.A.) et Thorsten KLEINE de l’Université de Munster (Allemagne) et de leurs collègues. L’analyse menée par ces chercheurs portant sur des éléments radioactifs rares (hafnium et tungstène) fait reculer l’âge de notre planète de près de 20 millions d’années. Ces éléments étaient abondants au début du système solaire. On en retrouve encore des traces aujourd’hui. Ils constituent de véritables horloges radioactives. Les analyses ont été menées sur des roches terrestres, des fragments de météorites d’origine martienne et d’autres météorites n’ayant pas d’origine planétaire.
Les analyses géologiques faisaient remonter la formation du noyau métallique de la Terre à 50 millions d’années après l’explosion de la supernova alors que les modèles informatiques indiquaient 20 à 30 millions d’années. Le système solaire s’est formé il y a 4.600 millions d’années à partir d’un nuage de gaz et de poussière ayant subit une onde de choc engendrée par l’explosion d’une supernova proche, laquelle a enclenché l’accrétion des différents objets de notre système planétaire.

La formation du cœur de la Terre, de Mars et de la Lune est probablement intervenue dans les 30 premiers millions d’années de la formation du système solaire (4,6 milliards d’années) et non 50 millions d’années après l’explosion de la supernova génératrice de notre système, ce qui ramène l’âge de la formation de la Terre de 4,55 à 4,58 milliards d’années.

III. STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE

Afin de mieux appréhender la suite de notre exposé, il est utile de se pencher sur la structure interne de notre globe.

Grâce à la sismologie, étude de la transmission des ondes émises lors des tremblements de terre, on a pu déterminer que notre planète est formée de quatre sphères emboîtées.
De la surface vers le centre :

    • La croûte qui forme l’écorce, rigide et froide, a une épaisseur de 7 Km sous les océans et de 30 à 40 Km sous les continents. Elle fait partie de la lithosphère qui comprend en plus une partie du manteau. Elle atteint 70 Km au niveau de la croûte océanique et environ 150 Km sous la croûte continentale. Elle est découpée en plaques mobiles qui se déplacent horizontalement sur l’asthénosphère.
    • Le manteau, ceinture rocheuse de 2.900 Km d’épaisseur composée de silicates et d’oxyde ferro-magnésiens. Il est subdivisé en trois unités de composition minéralogique différente :
      – le manteau supérieur, de 400 Km de profondeur :
      – la zone de transition allant de 400 à 660 Km ;
      – le manteau inférieur, de 600 à 2.900 Km.
      A la limite entre la zone de transition et le manteau inférieur, la température atteint 1.600° C et la pression y est de 23 GPa, tandis qu’au niveau de la couche D », la température est de 3.500° C et la pression de 135 GPa.

      • L’asthénosphère qui est constitué par le manteau moins sa partie appartenant à la lithosphère n’est pas rigide mais à tendance à fluer sous de faibles contraintes ce qui permet aux plaques de la lithosphère de se déplacer les unes par rapport aux autres.
      • Le noyau externe de 2.900 à 5.100 Km, très dense et très chaud, séparé du manteau par la couche D ». Il est formé par un alliage métallique de fer, nickel et éléments plus légers à l’état liquide.
      • A 5.100 Km, la température monte à 5.250° C et la pression à 330 GPa.La graine, d’un diamètre de 1.271 Km, occupe le centre de la planète et est de même composition que le noyau quoique solide. Au centre, la température atteint 6.000° C et la pression est de 365 GPa.

La Terre a un diamètre de 6.371 Km.

globe terrestre
Fig. 1 – Structure interne de la Terre


VI. LA DEPERDITION D’ENERGIE A LA SURFACE DU GLOBE

Deux indicateurs permettent de déterminer la déperdition d’énergie en surface :

1. Le flux géothermique

Il mesure la quantité de chaleur dissipée dans les roches. Le fait que la température augmente avec la profondeur, comme l’avait déjà découvert le savant et jésuite allemand Athanasius KIRCHER (° 1602, Fulda – † 1680, Rome) en 1664, montre qu’il y a échange thermique entre le centre de la Terre et sa surface. La valeur moyenne, loin d’être uniforme, est estimée à 60 mW/m²
En raison des surfaces impliquées, ce sont les océans et les continents qui participent les plus globalement à la dissipation, avec des puissances allant de 25 mW/m² pour les zones les plus froides jusqu’à 1 W/m² pour les zones chaudes comme le Yellowstone par exemple. Par contre, ce sont les régions volcaniques (points chauds et dorsales) qui perdent le plus d’énergie avec des flux géothermique pouvant atteindre 400mW/m²

2. Le gradient géothermique

Le gradient géothermique mesure l’augmentation de température constatée dans le sous-sol à mesure que l’on s’éloigne de la surface. Il a d’abord été mesuré lors de forages profonds. Actuellement, il est calculé par des mesures du flux de chaleur émis à la surface de la Terre. Le gradient moyen dans la lithosphère est d’environ 3° C tous les 100 mètres, mais il est variable selon la constitution profonde des différentes régions. Dans les régions géotectoniques stables il n’est que de 1,5 à 2° C pour 100 m, tandis que dans les zones actives, il atteint jusqu’à 6° C pour 100 m.
Nous savons maintenant que cette énergie est produite pour 90% par les éléments radioactifs naturels, principalement l’uranium et le thorium.

Deux mécanismes permettent la transmission de la chaleur du centre vers l’extérieur :
• Dans la lithosphère, le transfert se fait par conduction : l’énergie thermique se propage d’atomes en atomes par agitation thermique sans mouvement de matière.
• Dans le manteau, l’énergie thermique se transmet par convection, c’est-à-dire par transport énergétique dû au mouvement de la matière selon des cellules de convection.
Le gradient adiabatique10 dans l’asthénosphère, entre les deux couches limites thermiques haute et basse est facilement calculable par la thermodynamique : 0,3° C/Km. Le profil de température dans le manteau est connu indirectement (mesure de température des équilibres minéralogiques dans les enclaves de roches mantelliques, température aux changements de phase olivine/spinelle/perowskite…) jusqu’à 670 Km de profondeur. Il est de 10 à 30° C/Km dans la lithosphère, et de 0,3° C/Km dans l’asthénosphère. La théorie est donc confirmée par les observations, et il n’y a plus qu’à prolonger ce gradient de 0,3° C/Km jusqu’au noyau à -2 900 Km : le calcul donne la valeur de 2.000°C à la base du manteau.
Dans le noyau, on estime la température à l’interface graine/noyau externe (5.150 Km de profondeur) comme étant la température de cristallisation du fer à ces pressions ; c’est environ 5 000°C. Avec un gradient adiabatique calculé (mais invérifiable par l’observation pour le noyau), très voisin de celui du manteau (0,55 °C/km) et en remontant de -5.150 km à -2.900 km, on trouve une température de 3.800°C pour le sommet du noyau externe. On peut donc tracer le géotherme terrestre ci-dessous.

gradient adiabatique
Fig. 2 – Le géotherme terrestre


VII. BIBLIOGRAPHIE

DE LAUNAY L. (1906) – L’Histoire de la Terre, Ernest Flammarion, éditeur, Paris.
GOHAU G. (1987) – Une histoire de la géologie, Ed. La Découverte, col. « Points – Sciences » S66.
PICCIOTTO E.-E.Les phénomènes radioactifs en géologie, in ? pp. 102-135.
PREVOST J.-P. (1976) – Grande Encyclopédie Alpha des Sciences et des Technique – Géologie II, Grange Batelière, Paris – Editions Kister, Genève – Erasme, Bruxelles-Anvers
Intenet :
http://a.foucault.free.fr/buffon.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/William_Thomson
http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/chimisterie/9805/NDumas.html
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-convection-et-geotherme.xml
http://www.cnrs.fr/cnrs-images/sciencesdelaterreaulycee/contenu/dyn_int4-1.htm
http://www.cirs.fr/breve.php?id=69
http://fr.wikipedia.org/wiki/Gradient_g%C3%A9othermique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Arthur_Holmes
http://www.attracteur.qc.ca/10-2000/AgeTerre.htm
http://acces.inrp.fr/acces/terre/limites/Temps/datation-isotopique/comprendre/datation-isotopique-de-la-terre
http://www.larecherche.fr/content/impression/article?id=21276
http://www.ulb.ac.be/sciences/gigc/index_fichiers/cours/geochim%20isotopique/cours_geochimie_isotopique_chapitre2.html#2213

Notes


1. E. RUTHERFORD, Arch. Sci. Phys. Nat. , 19 , 31-59 et 125-150, 1905 ; Phil. Mag. , 12 , 348, 1906.
2. R.J. STRUTT, Proc. Roy. Soc. , 84 , 379, 1910
3. J. JOLY et E. RUTHERFORD, Phil. Mag. , 25 , 644, 1913.
4. A.S. EVE, Rutherford , Macmillan, New York, 1939.
5. J.J. THOMSON, Recollections and reflections , Macmillan, New York, 1937.
6. B.B. BOLTWOOD, Amer. J. Sci. , 23 , 77,
7. G.F. BECKER, Bull. Geol. Soc. Amer. , 19 , 113, 1908.
8. Ouvrage cité, p. 100.
9. Mathématicien et statisticien, mais surtout géophysicien et astronome britannique.
10. adiabatique : une transformation est dite adiabatique quand le système considéré n’échange pas dechaleur avec l’extérieur.

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Accidents nucléaires

Cet article est paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N° 169, se septembre 2011


I. INTRODUCTION

La catastrophe nucléaire qui a ébranlé le Japon en mars 2011, remet en mémoire celle de Tchernobyl. Cet événement tragique fait le jeu des opposants de tous bord à l’utilisation de l’atome dans l’obtention de notre énergie électrique.
Depuis l’existence des centrales nucléaires dont la première remonte à 1951, il y a 63 ans, seuls trois accidents majeurs se sont produits. Chiffre dérisoire comparé à celui des incidents dramatiques qui ont touchés les autres domaines de l’industrie chimique, pétrolière, des transports maritimes, ferroviaires et routiers.
Le premier de ces accidents de l’histoire du nucléaire civil est celui de la centrale américaine de Three Mile Island, survenu le 28 mars 1979. Il sera suivi, 7 ans plus tard, de celui de la centrale de Tchernobyl, en Ukraine, dont un réacteur explose le 26 avril 1986. Enfin, le dernier en date, celui de Fukushima, dû aux conséquences du tsunami qui a suivi le séisme de magnitude 9 qui a ébranlé la grande île de Honshu au Japon.
La hantise d’une explosion nucléaire du type de celui des bombes lancées sur Hiroshima et Nagasaki et des campagnes de tirs qui ont émaillés les années 1950 à 1970 reste ancrée dans l’esprit de la population. Les radiations font peur ! Je renvois le lecteur à mon article, « Faut-il avoir peur du nucléaire ? » qui avait ouvert le dossier nucléaire paru en épisodes dans notre bulletin. Je ne vais pas rouvrir le débat ici, car cela nous entraînerait trop loin. Je veux simplement essayer d’expliquer ce qui différencie ces trois accidents.


II. HISTORIQUE

La première centrale nucléaire entre en service aux Etats-Unis, le 20 décembre 1951, au Experimental Breeder Reactor I (EBR-I) près de la ville d’Arco dans l’Idaho. Elle sera suivie, le 27 juin 1954, par une centrale civile qui est connectée au réseau électrique à Obninsk, en Union soviétique, avec une puissance de production électrique de 5 mégawatts. Ensuite, l’usine de Marcoule en Provence diverge le 7 janvier 1956, celle de Sellafield au Royaume-Uni est raccordée au réseau en 1956, et le réacteur de Shippingport aux Etats-Unis est connecté en 1957, tandis que les travaux de construction de la première centrale à usage civil française, à Chinon (EDF1), démarrent la même année. Depuis, le nombre de centrales nucléaires de par le monde a augmenté assez rapidement.
Ainsi, en 2011, après l’accident de Fukushima, et la décision des autorités japonaises d’arrêter définitivement les réacteurs Fukushima 1 à 4, le 20 mai de cette année, 440 réacteurs de puissance à usage civil fonctionnent dans 30 pays différents. 64 réacteurs sont actuellement en construction. Les Etats-Unis, la France, le Japon et la Russie disposent à eux quatre de 56% du nombre total de réacteurs dans le monde, soit 248.


III. RISQUE D’ACCIDENT

Il est évident que des études de sécurité ont été menées depuis le début de l’industrie nucléaire et qu’un certain nombre de règles a été édicté afin de respecter un taux de sécurité le plus élevé possible. Malheureusement, le coût de l’application de ces règles grève le prix du KW/h, entraînant parfois, de la part des exploitants, un relâchement des normes de sécurité.

L’accident majeur que craignent les ingénieurs est la fusion du cœur d’un réacteur nucléaire. Celle-ci survient lorsque les barres de combustible, qui contiennent l’uranium ou le plutonium, et les produits de fission, commencent à surchauffer puis à fondre dans le réacteur à la suite d’un défaut de refroidissement. Cet incident est considéré comme étant très grave, en raison de la probabilité que des matières fissiles puissent polluer l’environnement par émission de radio-isotopes hautement radioactifs.

L’objectif que s’était fixé la France pour ses centrales de première génération était d’avoir une probabilité de fusion du cœur inférieure à 5 sur 100.000 par réacteur et par an. Pour la deuxième génération, cette probabilité a été portée à 1 sur 100.000 dans un réacteur à eau pressurisé (REP) de 1.300 MWe² . Du côté allemand, « l’étude officielle sur les risques nucléaires, phase B » avance une probabilité de catastrophe majeure dans une centrale après 40 ans de fonctionnement de 0,1 %, ce qui correspondrait à 2,5 accidents par réacteur et par 100.000 ans de fonctionnement. Ce niveau de sécurité, au début 2009, était légèrement supérieur à la moyenne dans le reste du monde, l’industrie nucléaire ayant accumulé une expérience totale de 13.000 années x réacteur de fonctionnement.


IV. ECHELLE INTERNATIONALE DES EVENEMENTS NUCLEAIRES (INES)

Afin de faciliter la perception par les médias et le grand public de l’importance des incidents et accidents nucléaires en matière de sécurité, l’autorité de sûreté nucléaire (ASN) a établi une échelle d’évaluation de la gravité des événements nucléaires (International Nuclear Event Scale). Celle-ci comporte huit niveaux de gravité notés de 0 à 7, selon une gradation logarithmique, un niveau correspondant à un facteur 10. C’est ainsi, que les accidents de Tchernobyl et de Fukushima ont été classés officiellement au niveau 7.
Les événements de niveaux 1 à 3, sans conséquence significative sur les populations et l’environnement, sont qualifiés d’incidents, les autres (4 à 7) d’accidents.
Trois zones d’incidences sont prises en considération pour analyser les événements en fonction de leurs conséquences : incidence hors du site sur les personnes et les biens, incidence sur le site, et incidence sur la défense profonde³.

 

échelle dégats nucléaires

A ce jour, l’industrie nucléaire a connu 2 accidents majeurs (7), un accident grave (6), 4 accidents entraînant un risque hors site, 5 accidents n’entraînant pas de risque hors site, et 7 incidents graves.


V. LISTE DES ACCIDENTS AYANT ENTRAINE LA FUSION DU COEUR

A ce jour, plusieurs accidents ayant entraîné la fusion partielle ou totale du cœur d’un réacteur se sont produits dans le monde, sans nécessairement atteindre le niveau d’une catastrophe environnementale.

  • Le 10 octobre 1957, l’incendie dans la première centrale anglaise de Windscale (rebaptisée Sellafield), est jugé de niveau 5 sur l’échelle INES ;
  • Le 17 octobre 1969, 50 Kg d’uranium sont entrés en fusion dans le cœur du réacteur A1 de la centrale française de Saint-Laurent-des-Eaux, lors d’une opération de chargement. A l’époque, cet accident a été qualifié de niveau 4 par EDF ;
  • Le 28 mars 1979, se produit l’accident de la centrale américaine de Three Mile Island. A la suite d’une suite d’événements accidentels, le cœur du réacteur TMI-2 fond en partie. L’accident est classé au niveau 5 ;
  • Le 13 mars 1980, la fusion de 2 Kg d’uranium du réacteur A2 de la centrale française de Saint-Laurent-des-Eaux, endommage gravement celui-ci qui sera indisponible pendant trois ans et demi environ. Cet accident est porté au niveau 4 et est le plus important en France ;
  • le 26 avril 1986, l’explosion de la centrale soviétique de Tchernobyl a conduit à la fusion du cœur d’un réacteur et au relâchement dans l’atmosphère de produits radioactifs, entraînant de nombreux décès, survenus directement ou à la suite d’une exposition aux radiations. C’est le premier accident à être classé 7 sur l’échelle INES ;
  • En 2011, l’accident de la centrale japonaise de Kukushima, estimé dans un premier à 4, puis à 5 pour finalement atteindre 7 sur l’échelle INES.

 

VI. TYPES DE CENTRALES

Les trois sites qui nous intéressent ici, à savoir Three Mile Island, Tchernobyl et Fukushima, sont équipés de centrales de types différents.

  • Three Mile Island

    Ce site était équipé d’un réacteur à eau pressurisée (REP). Cette technique de réacteur nucléaire dite de deuxième génération comporte deux circuits d’eau dont l’un refroidit le cœur du réacteur et transfère sa chaleur dans un échangeur au deuxième circuit, dans lequel l’eau se transforme en vapeur et fait tourner les turbines (fig. 1). L’eau du circuit primaire sert également de modérateur. Dans ce type de filière, l’eau ne bout pas dans le cœur du réacteur, car elle est à très haute pression, supérieure à la pression d’ébullition à la température de fonctionnement du réacteur. Le combustible nucléaire est de l’oxyde d’uranium enrichi à 3 à 5% d’235U, selon les pays. Il est distribué sous forme de pastilles empilées dans des gaines en zircaloy, appelées crayons.
    L’avantage de cette technologie est que l’eau qui est en contact avec les barres de combustible ne quitte jamais l’enceinte métallique du réacteur, diminuant fortement le risque de contamination en cas de fuite radioactive.
    Cette technologie, d’origine américaine (Westinghouse) est la plus répandue dans le monde en 2006. Les réacteurs qui en découlent, équipent la majorité des navires et sous-marins à propulsion nucléaire et la majorité des centrales de production d’énergie électrique.

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Fig. 1 – Réacteur REP de Three Mile Island

  • Tchernobyl

    A Tchernobyl, nous avons à faire à un réacteur graphite – eau bouillante (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy, RBMK) (fig. 2), de conception soviétique. Ce type de réacteur est destiné à la production industrielle d’électricité et à la production de plutonium. Il est refroidi à l’eau et modéré au graphite. Il permet d’utiliser de l’uranium peu enrichi comme combustible, soit 1,8% d’235 U contre 3% environ pour l’uranium utilisé dans les réacteurs classiques. Sa technologie nécessite un grand volume, 20 fois celui d’un REP. Pas de cuve sous pression, ni enceinte de confinement, mais un grand nombre de tubes contenant le combustible, placés verticalement dans l’empilement des briques de graphite, et appelés « tubes de force ».

    Le réacteur de Tchernobyl comportait 190 tonnes d’oxyde d’uranium faiblement enrichi, réparti dans 1.681 tubes de force. L’eau circulant autour de ces tubes joue le rôle de réfrigérant et fournit directement la vapeur nécessaire à actionner les turbines. Le chargement et le déchargement du combustible se font en continu sans devoir arrêter le réacteur.

    L’ensemble de ces diverses caractéristiques (eau bouillante, graphite, combustible peu enrichi, absorbants, etc.) confère à ce type de réacteur une instabilité à certains régimes de fonctionnement qu’il faut éviter à tout prix, notamment aux faibles puissances.

    Les points faibles de ce type de filière sont de différents ordres :
    – inflammabilité du graphite à haute température ;
    – formation possible de bulles dans le fluide caloporteur dans certaines conditions de fonctionnement, entraînant un emballement de la réaction en chaîne ;
    – omniprésence de l’eau, en tant que fluide caloporteur et absorbeur de neutrons ; sa vaporisation peut s’avérer dangereuse ;
    – instabilité du cœur à basse puissance ;
    – pas d’enceinte ni de dôme de confinement ;
    – barres de contrôle d’une maniabilité insuffisante.

réacteur RBMK
Fig. 2 – Réacteur RBMK de Tchernobyl

  • Fukushima Daiichi

    La plupart des centrales japonaises utilisent la filière des réacteurs à eau bouillante (REB) (fig. 3). Dans ce cas, le combustible nucléaire est immergé dans l’eau qui peut bouillir au-dessus du cœur du réacteur à une température et une pression élevées. La vapeur produite est envoyée vers une turbine dont la rotation entraîne un générateur électrique. La vapeur à basse pression sortant de la turbine est condensée dans un échangeur de chaleur qui transfert la chaleur excédentaire vers l’extérieur. L’eau condensée est récupérée par une pompe et renvoyée dans le circuit, où elle reprend son cycle.
    Ce type de filière présente un inconvénient majeur : en cas de fuite radioactive celle-ci se propage dans la vapeur qui alimente les turbines et provoque une contamination externe.
    Les réacteurs REB (BWR en anglais pour Boiling Water Reactor) sont utilisés dans plusieurs pays dont les Etats-Unis, le Japon, l’Allemagne, la Finlande, la Russie, la Suède et la Suisse. Cette filière vient en second après les réacteurs à eau sous pression (REP) et représente environ le quart du parc mondial des réacteurs en exploitation.
    La conception de ce type de centrale à neutrons thermiques et dont le modérateur est l’eau ordinaire, est d’origine américaine et est restée longtemps du domaine du constructeur General Electric (GE). La première unité commerciale, conçue par GE, fut la centrale de Humboldt Bay, près de Eureka au nord-ouest de la Californie, et appartenant à la compagnie Pacific Gas and Electric. Elle fut exploitée de 1963 à 1976, année où elle fut arrêtée à la suite de la découverte d’une faille sismique et des risques potentiels, étant donné sa faible taille.
    La puissance actuelle de ce genre de réacteur est de l’ordre de 570 à 1.300 MWe.
    Comparé à la filière REP, il y a une barrière de moins dans les réacteurs REB entre le combustible radioactif et l’environnement. Cela nécessite un gainage du combustible particulièrement étanche et toute l’attention doit être porté sur ce point, ainsi que sur l’étanchéité des turbines. Donc dans ce type de réacteur, il y a trois barrières de confinement : la gaine du combustible, la cuve et l’enceinte de confinement.

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Fig. 3 – Réacteur REB de Fukushima


VII. L’ACCIDENT DE THREE MILE ISLAND

Le site, situé sur une île de la rivière Susquehanna, près de Harrisburg, dans l’Etat de Pennsylvanie, comprenait deux réacteurs à eau sous pression (REP) de 900 mégawatts (MW) : TMI-1 et TMI-2, de la firme Metropolitam Edison.
L’accident, sur le réacteur TMI-2, eut lieu le 28 mars 1979 et débuta à 4 h du matin. Ce fut le plus grave de toute l’histoire nucléaire civil des Etats-Unis.
Une succession d’événements accidentels, due à des défaillances techniques et humaines, amena la fusion d’une partie du cœur du réacteur et l’émission dans l’atmosphère de 481.1015 de becquerels4 , dont 740 GBq d’iode radioactif 131.

La série des incidents commença par une panne de deux pompes du circuit secondaire du réacteur TMI-2, entraînant une modification instantanée des conditions dans le générateur de vapeur, diminuant sa capacité à refroidir l’eau du circuit primaire baignant le coeur du réacteur. La hausse de température dans celui-ci entraîna une augmentation de la pression. La soupape de décharge du pressuriseur du circuit primaire s’ouvrit automatiquement trois secondes plus tard (t = 3 s), abaissant la pression. Ensuite, à t = 8 s, la turbine et le réacteur s’arrêtèrent à leur tour. Jusque là tout se passait conformément au scénario prévu dans ce genre d’incident. Malheureusement, le voyant de la soupape indiquait, à tort, une vanne fermée. Conséquence : la pression continuait à baisser et vapeur et eau radioactive se déversaient dans l’enceinte principale du cœur. Des phénomènes complexes de turbulence se produisirent dans le circuit primaire et dans la cuve, laissant supposer à l’opérateur que le pressuriseur était plein d’eau. Il en conclut que le circuit primaire l’était également et il arrêta manuellement le circuit d’injection de sécurité. Nous sommes à t = 4 min 38 s. A 5 min 30 s, l’eau se mit à bouillir à la sortie du cœur et le circuit primaire se vida directement dans l’enceinte de confinement qui constituait la troisième et dernière barrière de confinement de la radioactivité. Le coeur se mit à fondre et il y eu production d’hydrogène dans l’enceinte.
Durant les heures suivantes, les opérateurs tentèrent de remplir le circuit primaire en eau. Malheureusement cette opération s’avéra très difficile à cause de la présence d’une bulle d’hydrogène piégée dans les parties hautes des générateurs de vapeur. La situation finit par se stabiliser et les pompes du circuit primaire furent remises en route à t = 15 h 49’.

Quel fut le bilan de cet accident ?
Six ans après cette catastrophe, une inspection par caméra permit de découvrir que 50% du coeur avait fondu, formant un corium5 solidifié et que 20% avait coulé au fond de la cuve sans percée celle-ci. L’enceinte de confinement, troisième barrière, a joué son rôle à l’exception d’un léger rejet radioactif.
Toutefois, 200.000 personnes ont été évacuées par mesure de précaution à la suite d’une radioactivité significative près de la centrale. La contamination fut en fait très faible et aucune conséquence pathologique n’a été détectée sur la population avoisinante.

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Fig. 4 – Cœur du réacteur après l’accident


VIII. L’ACCIDENT DE TCHERNOBYL

Le site de la centrale nucléaire Lénine se situe sur la rive de la rivière Pripiat, un affluent du Dniepr, à environ 15 Km de la ville de Tchernobyl et 110 Km de Kiev. Il comporte quatre réacteurs de type RBMK. Des défauts de conception et des violations des procédures de conduite sont à l’origine de la catastrophe qui est survenue à l’unité 4, le 26 avril 1986. C’est l’accident nucléaire civil le plus grave à ce jour. Il a fortement marqué les esprits de l’opinion mondiale et renforcer la détermination des écologistes dans leur lutte contre l’utilisation du « nucléaire ».

Une équipe d’ingénieurs en électrotechnique n’ayant aucune connaissance dans le domaine du nucléaire, venue de Moscou, veut tenter un exercice afin de démontrer la possibilité de relancer la centrale au moyen de l’énergie cinétique des alternateurs durant une coupure extérieure d’électricité. De plus, le directeur de la centrale était un ingénieur en thermodynamique et non un spécialiste du nucléaire. Deux erreurs dans le choix du personnel responsable et devant piloter ce genre de matériel !
Un test à faible puissance était prévu, régime de fonctionnement particulièrement instable dans ce type de filière.

En début d’opération, le 25 avril à 13 h 05, deux turbines et la moitié des pompes sont en fonctionnement. La puissance est réduite à 25%, ce qui provoqua un empoisonnement du réacteur dû à la production de xénon. Conséquence immédiate, la puissance tombe à 30 MW, alors qu’elle est normalement de 1.000 MW !

Malgré l’inquiétude et l’avertissement des opérateurs, Moscou ordonne la poursuite de l’essai. Pour faire remonter la puissance, les techniciens retirent les barres de contrôle, n’en laissant que 26 dans le réacteur. Deux pompes supplémentaires du circuit primaire sont enclenchées et les circuits de sécurité sont débranchés volontairement malgré les alarmes. Conséquence de cette série de manœuvres non appropriées : le point de non retour est atteint à 1 h 05, la puissance se stabilisé à 200 MW et toutes les pompes sont activées.

Il en résulte :
– un excès de débit d’eau dans le circuit primaire ;
– que le niveau d’eau liquide baisse dans les ballons ; que la pression chute dans ceux-ci ;
– que l’alarme de chute de pression se déclenche.

La radiolyse de la vapeur d’eau produit un mélange détonant d’oxygène et d’hydrogène. Cette situation provoque une première explosion thermique.
En 4 minutes la puissance est multipliée par 100, provoquant l’emballement de la réaction en chaîne. C’est la catastrophe ! Une deuxième déflagration du mélange détonant se produit, déchirant l’enveloppe du graphite et faisant éclater et projetant dans les airs la dalle de béton de plus de 1.000 tonnes avant qu’elle ne retombe sur le réacteur, le couvrant en partie et brisant les infrastructures. Le graphite mis à l’air prend feu et les températures élevées (3.600 à 3.800 °C) provoquent la fusion d’une partie du combustible ainsi que son évaporation avant d’être propulsé dans l’atmosphère par l’explosion puis dispersé par les vents en direction du nord-est, au-delà des frontières de l’Union soviétique.
Du cœur du réacteur à l’air libre s’échappent des rayonnements et des neutrons.

Dans cet accident majeur, on peut discerner trois causes :
1. des erreurs de conception : instabilité à faible régime, barres de contrôle, absence d’enceinte de confinement ;
2. des causes politiques : le cloisonnement de l’information, l’incompétence des responsables ;
3. des erreurs et fautes des exécutants : violation des consignes permanentes, non respect de la procédure d’essai, quatre mises hors circuit volontaires de dispositifs de sécurité.


Conséquences de la catastrophe de Tchernobyl

Des 150 tonnes de combustible de dioxyde d’uranium et de produits de fission que contenait l’unité 4, 13 à 30% se sont échappés dans le milieu environnant. La radioactivité libérée correspond à 12.1018 Bq, dont 6.1018 Bq dues au xénon 133, d’une durée de vie de 5 jours. Seulement 3 à 5% du combustible solide a été éjecté. Par contre 100% des gaz nobles et 20 à 60% des radioéléments volatils se sont retrouvés dans l’atmosphère. Le nuage radioactif contenait environ 1,7.1018 Bq d’iode 131, soit 6 fois plus que les bombes d’Hiroshima et de Nagasaki, et 8,5.1016 Bq de césium 137, soit 560 fois supérieure aux deux bombes. La pluie a déposé une grande partie des éléments dans l’environnement proche du site. L’iode a eu un effet initial plus prononcé sur la santé car il se fixe sur la thyroïde. Cependant sa durée de vie n’est que de 8 jours, tandis que celle du 137Ce est de 30 ans causant de dégâts à plus long terme.
La contamination fonction des conditions climatiques se répartit principalement sur la Biélorussie (70% des retombées), sur l’Ukraine, la Russie et le reste de l’hémisphère Nord. La distribution de celle-ci est très inhomogène à cause de la localisation des pluies. Près de 5 millions de personnes en Ukraine et en Biélorussie ont été exposées à des doses notables de radiations. Des doses plus faibles ont été dispersées sur de vastes régions où vivent des centaines de millions de personnes dans l’hémisphère Nord.
Ceux qui ont payés le plus lourd tribut furent les liquidateurs et les pompiers, ainsi que les nettoyeurs de la zone contaminée à moins de 30 Km de la centrale, soit près de 800.000 individus. Les estimations du nombre de victimes s’étalent d’une cinquantaine de morts jusqu’à plus de 100.000. Les plus fortes doses ont été reçues par le millier de personnes qui est intervenu dans les premiers jours pour arrêter les incendies et essayer de recouvrir le réacteur.


IX. L’ACCIDENT DE FUKUSHIMA

Le complexe nucléaire de Fukushima-Daiichi ou Fukushima I est l’un des 25 plus grands au monde. Il comporte six unités du type REB. Il se situe sur la côte orientale de l’île de Honshu, face à l’océan Pacifique, à environ 225 Km de Tokyo. Un deuxième complexe, Fukushima II ou Daini se trouve à 12 Km au sud du premier.


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Fig. 5 – Centrale de Fukushima-Daiichi

 

Les causes de l’accident de Fukushima sont dues à un séisme de magnitude 9, qui débuta le 11 mars 2011 à 14 h 46 heure locale, suivi d’un tsunami dont les vagues atteignirent plus de 20 mètres d’amplitude face à certains endroits encaissés de la côte. 11 réacteurs sur les 56 que compte le Japon furent affectés à la suite du tremblement de terre. A Fukushima, le mur de protection contre les tsunami était conçu pour résister à des vagues hautes de 5,5 mètres, alors qu’elles atteignirent à cet endroit plus de 14 mètres du fait de leur énergie cinétique. Pourtant, en 2009, des géologues japonais avaient mis en garde les responsables du site contre le risque d’un tsunami majeur. Ils rappelaient qu’en 1896 et 1933, des vagues de 38 m et de 29 m s’étaient abattues sur la côte orientale du Japon. Il n’avait été tenu aucun compte de cet avertissement, les concepteurs préférant se baser sur un tsunami survenu au Chili en 1956.

Ce type de réacteur est conçu pour s’arrêter automatiquement en cas de forte secousse sismique et devrait résister à un tremblement de terre de magnitude 7 ,9 . Dans un article paru le 11 août 2007 dans le quotidien International Herald Tribune/Asahi Shimbun, le sismologue Ishibashi KATSUHIKO lance l’avertissement suivant : « A moins que des mesures radicales ne soient prises pour réduire la vulnérabilité des centrales aux tremblements de terre, le Japon pourrait vivre une vraie catastrophe nucléaire dans un futur proche. »
Cet éminent professeur à l’Université de Kobe faisait partie du comité d’experts chargé d’établir les normes sismiques des centrales nucléaires japonaises. Il avait donné sa démission en protestation contre la position de ce comité dont il trouvait les recommandations trop laxistes. Dès 2006, année où les normes de sécurité anti-sismiques japonaises ont été renforcées, il avait prévenu les autorités que les centrales japonaises souffraient d’une « vulnérabilité fondamentale » aux séismes. Aussi bien le gouvernement japonais que l’exploitant Tepco (Tokyo Electric Power Company) ont ignoré ses avertissements. Les faits lui ont donné raison. Le 16 juillet 2007, un séisme de magnitude 6,8 a provoqué de sérieux incidents à la centrale de Kashiwazaki-Kariwa, la plus importante unité de production d’électricité nucléaire au monde. Cette centrale se trouve sur l’île de Honshu, la principale île du Japon, comme presque toutes les centrales nucléaires japonaises. Déjà en août 2005, la centrale d’Onagawa, au nord de Fukushima avait été affectée par un tremblement de terre, et en mars 2007 c’était le site de Shika qui avait subi un séisme dont l’épicentre se trouvait à 16 Km de la centrale. L’année suivante une secousse de 6,8 de magnitude se produisait à l’est de Honshu, près d’Onagawa et de Fukushima. Malgré des dégâts peu importants, Tepco signala trois fuites de liquide radioactif à Fukushima-Daiini.
L’exploitant a avancé des chiffres sur les secousses subies par la centrale de Fukushima au moment du séisme de mars 2011 : l’accélération dépasse les capacités de résistances calculées lors de la construction. L’unité 2 a encaissé une accélération horizontale de 550 Gals6 , supérieure de 26% à la norme pour ce genre de réacteur. L’accélération relevée pour l’unité 5 est de 548 Gals (21% au-dessus de la norme) et pour l’unité 3, elle est de 507 Gals (15% au-dessus de la limite acceptable).

Donc, l’accident de Fukushima n’est pas une surprise, même s’il a pris de court les opérateurs de la centrale et les autorités gouvernementales. Il est la conséquence de l’incurie des responsables qui ont préféré négliger les recommandations de certains experts.

Dans le cas d’un arrêt d’une unité, la réaction en chaîne n’est plus alimentée et elle s’éteint d’elle-même. Toutefois, à cause de l’énergie thermique résiduelle, il est impératif de continuer à refroidir le cœur du réacteur. Immédiatement après l’arrêt, celui-ci dégage encore près de 7% de sa puissance thermique nominale, pour tomber à environ 2% après une ½ heure et 1%, huit heures après l’arrêt. La chaleur résiduelle est éliminée par l’eau de refroidissement des circuits auxiliaires, dont les pompes et les systèmes de contrôle doivent être alimentés en électricité.

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A la centrale de Fukushima-Daiichi les conséquences devinrent vite catastrophiques, après le passage du tsunami, 1 heure après le séisme. Les unités 1, 2 et 3 se sont arrêtées automatiquement lors du séisme, mais le tsunami provoqua une panne générale d’électricité, en submergeant la partie basse de la centrale, ce qui entraîna l’arrêt des circuits de refroidissement et des systèmes de secours censés prendre le relais (groupes électro-gènes). Les réacteurs n’étant plus refroidis, le volume d’eau diminue par évaporation, pouvant entraîné la fusion du coeur. Le point de fusion du combustible est d’environ 2.800°C. La gaine en zirconium se détériore à partir de 830°C. Par une réaction oxydante avec l’eau cette dernière se rompt vers 1.200°C, et produit de l’hydrogène. Elle fond à environ 1.600°C.

Fig. 6 – Scénarios de rejets

Dans l’enceinte de confinement, la vapeur d’eau produite provoque une augmentation de la pression. Afin de rabaisser celle-ci les opérateurs sont amenés à effectuer des décompressions volontaires, avec rejet d’éléments radioactifs, entraînant une contamination partielle de l’environnement immédiat. L’hydrogène au contact de l’oxygène de l’air peut exploser

Trois des six unités connurent ce sort : réacteurs n° 1, n° 2 et n° 3. Les trois autres étaient à l’arrêt pour maintenance. Le samedi 12 mars, une première explosion eut lieu dans l’unité 1 qui détruisit le toit et la structure supérieure du bâtiment, blessant au moins quatre personnes. La structure du réacteur 3 est détériorée de la même manière le 14 mars, tandis que celle du réacteur 2 explose le 15 mars. Des produits de fission comme l’iode 131 et le césium 137, ont été relâchés dans l’atmosphère.

Les piscines de désactivation de ces différentes unités, contenant le combustible usagé mais chaud, constituaient un autre sujet d’inquiétude. Elles doivent être également continuellement refroidies car les crayons de matière dégagent toujours de la chaleur. Malheureusement à Fukushima, ces piscines sont situées en dehors de la zone de confinement des réacteurs et sont de ce fait plus facilement exposées à l’atmosphère. Si l’approvisionnement en eau de refroidissement se tarit, le contenu de la piscine s’évapore et les crayons se retrouvent hors eau. Dans ce cas, elles se mettraient à brûler spontanément pour atteindre une température de 2.200°C et provoquer leur éclatement avec éjection de produits hautement radioactifs dans l’atmosphère.

Différents moyens furent mis en œuvre afin de refroidir les réacteurs et de remplir les piscines : injection d’eau de mer, enrichie au bore, largage depuis des hélicoptère et camions équipés de canons à eau. Dans un premier temps ces manœuvres s’avérèrent inopérantes étant donné le taux élevé de radiations qui empêchait une approche suffisante des sites contaminés. Par la suite, l’alimentation électrique pu être rétablis et les pompes d’alimentation remises en circulation. L’eau de mer, dont le sel se cristallisait autour des barres de combustible, fut remplacé par de l’eau douce plus efficace pour le refroidissement. L’eau issue du refroidissement des différentes unités est fortement radioactive et en un mois, environ 60.000 m³ ont été récupérées. La place manque pour les stocker avant de les retraiter ce qui pose un nouveau problème de contamination si cette eau est stockée à l’air libre.


En résumé

Les systèmes de refroidissement des unités 1, 2 et 3 sont tombés en panne. Les bâtiments qui les abritent ont subi des explosions d’hydrogène. Les trois réacteurs sont actuellement en fusion partielle et leurs cuves fortement endommagées.

Dans l’unité 1, à la suite du remplissage de la piscine de stockage, de l’eau stagnante radioactive couvrait le sol de la salle des turbines. Les doses relevées étaient de 2,1×105 Bq/cm³ d’iode 131 et 1,8×106 Bq/cm³ de césium 137. Au 1er juin, après le passage d’un typhon, les sous-sols étaient recouverts de plus de 5 mètres d’eau, à moins de 40 cm du niveau du sol.

Dans l’unité 2, l’eau stagnante dans le bâtiment est également fortement radioactive et s’écoule vers la mer par une fissure d’environ 20 cm dans le béton de confinement ou le puits de la fosse contenant les câbles d’alimentation.

Le réacteur 3 avait été adapté afin de pouvoir brûler du combustible MOX qui se compose de dioxyde d’uranium (UO2) et de dioxyde de plutonium (PuO2), composé très toxique. Les taux de plutonium relevé aux alentours de cette unité montre que la cuve de confinement du réacteur est rompue. Un écoulement radioactif vers la mer a également été détecté.

Le réacteur 4, en raison de travaux sur la cuve, était à l’arrêt et ne comportait pas de combustible. Par contre sa piscine comportait du combustible usagé et du combustible frais. Faute d’alimentation, la température de cette dernière s’est accrue considérablement (84°C). Le 15 mars, le hall d’opération de l’unité 4 est victime de deux grosses explosions qui causent deux brèches d’environ huit mètres de large sur l’enceinte extérieure. Elles seraient dues à deux incendies qui se sont déclenchées au niveau de la piscine.

Les réacteurs 5 et 6 étaient hors service pour entretien. Aucune fuite n’étant à déplorer dans les circuits de refroidissement, il ne fut pas nécessaire de procéder à une dépressurisation.

Dès le 12 mars, les autorités étendent la zone d’évacuation de 10 à 20 Km autour de la centrale, et le 16 mars elle passe à 30 Km. Ce même jour, les responsables ordonnent l’évacuation temporaire du personnel de la centrale (une équipe de 70 personnes) en raison de la hausse dangereuse du niveau de radioactivité sur le site, mesurée à 400 mSv par heure aux abords de la centrale.


Contamination :

Selon les estimations de l’Agence Japonaise de Sûreté Nucléaire, la catastrophe de Fukushima aurait dispersé dans l’atmosphère l’équivalent de 10% de celle de Tchernobyl, soit entre 1,3 et 1,5.1017 Bq d’135I, et entre 6,1 et 12.1015 Bq de 137Ce
Des prélèvements de sols ont été réalisés, à 40 Km à l’ouest de la centrale de Fukushima Daiichi, près des routes à 5 cm de profondeur. Les niveaux de radioactivités sont de 43.000 Bq/Kg pour l’131I et de 4.700 Bq/kg pour le 137Ce. Soit 400 fois plus que les niveaux d’émission habituels pour l’iode.
Des substances radioactives ont également été détectées dans l’eau de mer dans les environs de la centrale, ainsi que dans l’estuaire de la rivière Tomioka à 8 Km au sud. Les taux relevés pour l’131I représentent 80 fois la norme autorisée au Japon.
Des mesures du ministère japonais de la santé, effectuées dans cinq villes de la préfecture de Fukushima, ont montré que l’eau du robinet contient des niveaux d’131I de 120 à 220 Bq/Kg. D’après les limites fixées par le Codex alimentaire de l’OMS, le niveau d’131I ne doit pas dépasser 100 Bq/Kg dans la nourriture destinées aux enfants.
Des analyses d’échantillons de sols prélevés en cinq points les 21 et 22 mars sur le site de la centrale ont révélé la présence de plutonium 238, 239 et 240. Les concentrations sont comparables à celles que les essais nucléaires atmosphériques de l’après-guerre ont laissées par déposition dans les sols. La composition isotopique d’au moins deux des échantillons suggère que le plutonium provient des combustibles utilisés dans la centrale.


Conclusions :

L’exploitant TEPCO et le gouvernement japonais n’ont pas tenu compte des mises en garde des différents experts et ont sous-estimé les risques sismiques et de tsunami.
Durant les années précédentes la catastrophe, pour des raisons vraisemblablement de coût, TEPCO avoue avoir falsifié des rapports d’inspection constatant des fissures et de traces de corrosion sur les cuves de certains réacteurs
Une série d’erreurs humaines ont vraisemblablement aggravé la catastrophe.
Sur le réacteur n°1, la décompression n’a été effectuée qu’1 h 30 avant l’explosion, alors que la limite maximale de pression (853 kilopascals) était presque atteinte 13 heures avant cette dernière : si les procédures de secours avaient été correctement appliquées, l’explosion aurait pu être moins forte.
La gravité de cette suite d’incidents majeurs ne pourra être établie qu’à long terme comme pour la catastrophe de Tchernobyl. Elle a déjà été réévaluée plusieurs fois, notamment par la commission d’experts de l’AIEA (Agence International pour l’Energie Atomique).


X. BIBLIOGRAPHIE

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Notes

2 – Le terme technique « watt électrique » (symbole : We) correspond à la production de puissance électrique. Ses multiples sont le mégawatt électrique (MWe) et le gigawatt électrique (GWe), par opposition au terme technique « watt thermique » (symbole : Wt ou Wth) qui lui correspond à la production de puissance thermique. Ses multiples sont le mégawatt thermique (MWt ou MWth) et le gigawatt thermique (GWt ou GWth).
Cette précision est utilisée couramment pour distinguer la production électrique de la dissipation thermique d’une centrale. La puissance d’une centrale est généralement exprimée sous forme de puissance électrique (correspondant au terme technique « MWe »). La puissance thermique d’une centrale nucléaire est typiquement trois fois sa puissance électrique. La différence correspondant au rendement thermodynamique (directement lié à la température de fonctionnement) et aux pertes de conversion, étant donné que la transformation d’énergie thermique en énergie électrique ne peut se faire qu’avec des pertes (rendement de l’ordre de 30 à 40 %). Elle explique le besoin de refroidissement important des centrales thermiques. Par exemple, la centrale nucléaire d’Embalse en Argentine génère 2.109 MW de chaleur (2.109 MWth) pour seulement 648 MW d’électricité (648 MWe).

 

3 – Dans le cas des installations nucléaires, il s’agit d’un ensemble de dispositions (automatismes, systèmes ou procédures) redondantes et diversifiées permettant de limiter l’effet d’incidents ou d’accidents.

 

4 – Le becquerel (symbole : Bq) est l’unité dérivée du Système International (SI) pour l’activité d’un radionucléide et correspond à une désintégration par seconde. L’activité d’une substance est définie comme le nombre de désintégrations radioactives par seconde au sein d’une certaine quantité de matière.

 

5Corium : amas de combustible et d’élément de structure du cœur d’un réacteur nucléaire fondus et mélangés à la suite d’un accident grave.

 

6Gal : unité de mesure employé en géodésie et en géophysique pour exprimé l’accélération de la pesanteur et valant 10-2m/s².

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Les radionucléides naturels

Article paru dans le « Bulletin du G.E.S.T. », N° 156, juillet 2009


I.      LES RADIONUCLEIDES INDEPENDANTS

Dans l’article précédent, nous avons vu que les radioéléments naturels peuvent se classer en deux grandes catégories :
1) ceux qui dérivent des trois grandes familles radioactives (238U, 235U, 232Th) ;
2) les éléments indépendants.

Nous allons d’abord passer en revue les radioéléments indépendants. Ceux-ci sont représentés par :

1) le potassium-40 (40K), que l’on trouve à l’état de traces (0,011%) dans le potassium naturel, constitué de deux isotopes stables (39K, 93,25% ; 41K, 6,73%). Il est responsable de plus de la moitié de notre radioactivité corporelle (4 à 5.000 désintégrations/sec pour un homme de 80 Kg). Il contribue, avec l’uranium et le thorium, à la radioactivité des roches et à la chaleur du globe terrestre. D’une demi-vie de 1,3 milliards d’années, il se trouvait dans les poussières des étoiles mortes dont l’agglomération a donné naissance à la nébuleuse proto-solaire. Il se désintègre selon deux voies différentes :
1. la première, qui représente plus de 88% des cas, mène au 40Ca par désintégration β- ;

40K → 40Ca + β (1.311MeV)

2. la deuxième, plus complexe, donne du 40Ar, essentiellement par capture électronique (EC), suivie de l’émission d’un rayonnement γ de 1,46 MeV :

40K + e40Ar + γ (1.505 MeV)

Grâce à sa longue période de désintégration, on peut dater des roches comme les laves dont l’âge se situe entre le million et 1 milliard d’années. L’argon-40 qui résulte de cette désintégration reste prisonnier du réseau cristallin de la lave, lorsque celle-ci se refroidit et se solidifie. La mesure du rapport entre 40K et 40Ar permet de déterminer l’âge de la roche.


L’élément naturel

Le potassium naturel est le septième élément le plus abondant dans la lithosphère (2,6%).
De nombre atomique 19, il appartient à la famille IA, des métaux alcalins. C’est le premier atome possédant quatre couches électroniques selon la structure : 2 + 8 + 8 + 1 électrons. On lui connaît 24 isotopes, dont deux stables (39K et 41K), et l’un à longue période (40K – 1,3.109 ans). Tous les autres ont des demi-vies s’étageant entre 12 h et moins de 25 ns.


Découverte

Le potassium a été découvert, par électrolyse de la potasse, en 1807 par le physicien et chimiste anglais sir Humphry DAVY (° 17-12-1778, Penzance, Cornouailles – † 29-05-1829, Genève). C’est le premier élément obtenu par cette méthode.
Le nom est formé à partir de l’anglais potash de pot ashes (pot à cendres) et du suffixe ium, parce qu’il résulte de ce processus (potass). En allemand il est appelé kalium. Par contre son symbole K provient étymologiquement de l’arabe al-kali, puis du latin kalium.


Caractéristiques

Le potassium est un métal alcalin mou de faible densité (0,83), d’aspect blanc métallique. Il s’oxyde facilement au contact de l’air, c’est pourquoi on le conserve dans l’huile. Il réagit violemment avec l’eau en produisant du dihydrogène qui peut s’enflammer et même détoner en présence d’oxygène. Il ressemble chimiquement au sodium. A la flamme, ses sels émettent une couleur violette.

Gisement

Le potassium n’existe pas à l’état natif dans la nature. Il est associé à d’autres éléments dans les micas et la plupart des roches éruptives. On le rencontre principalement sous forme :

  • de chlorure (KCl), associé à du chlorure de sodium (sylvine, ou sylvinite) :
  • de chlorure double, carnallite (KCL.MgCL2.6H2O).

On le rencontre également dans des minéraux tels que :

  • la caïnite (KCL.MgSO4.3H2O) ;
  • la langbeinite (K2Mg2(SO4)3) :
  • la polyhalite (K2Ca2Mg (SO4)4.2H2O).

Ces différents minéraux que l’on trouve au fond des anciens lacs et mers constituent des minerais relativement important de potassium exploitables économiquement.
Les principaux gisements se situent en Saskatchewan, en Biélorussie, en Alsace, en Californie, en Allemagne, au Nouveau-Mexique et un Utah.
L’eau de mer en contient 0,07% sous forme de chlorure de potassium et constitue une réserve considérable.


Rôle biologique

Son rôle biologique s’est avéré plus important que celui du sodium dont il est très proche. Notre organisme contient trois fois et demie plus de potassium que de sodium, surtout dans le liquide rachidien et dans le sang. Il intervient notamment dans le contrôle des échanges cellulaires.
Les végétaux renferment également cet élément en quantités appréciables, de sorte que leur combustion donne un résidu où il est concentré. Il leur est indispensable pour leur croissance.

Domaines d’application
A l’état métallique :

  • ses propriétés de puissant réducteur en font un bon réactif dans de nombreuses réactions de chimie fine et de pharmacopée ;
    •   en association avec le sodium, il constitue un mélange que l’on désigne du nom de Nak (association des deux symboles) et qui constitue une substance à haut pouvoir de transfert de chaleur, bien supérieur au sodium seul. On l’utilise à l’état liquide dans les réacteurs nucléaires comme fluide réfrigérant.

    Composés du potassium

    •   l’hydroxyde de potassium (KOH) ou potasse caustique ou potasse, est utilisé pour la fabrication de détergents (savon noir) ;
    •   le chlorure de potassium (KCl), en perfusion médicale, sert de substitut au sel alimentaire, afin de compenser une carence à l’origine de troubles du rythme cardiaque. A forte dose il arrête le cœur d’où son utilisation dans les injections à but létal ;
    •   le nitrate de potassium (KNO3) ou salpêtre ou nitre, est utilisé dans la poudre à canon ;
    •   le carbonate de potassium (K2CO3) entre dans la fabrication du verre et est le principal constituant de la potasse (fertilisant) ;
    •   le bromure de potassium (KBr) et iodure de potassium (KI) sont employés en médecine et en photographie ancienne ;
    •   le sulfate de potassium (K2SO4) est utilisé comme engrais ;
    •   le cyanure de potassium (KCN), très toxique, est employé dans la métallurgie de l’or et de l’argent, en galvanoplastie et dans certaines synthèses organiques ;
    •   le permanganate de potassium (KMnO4), réactif chimique puissant et oxydant énergique, employé comme désinfectant ;
    •   les engrais NPK (Azote – Phosphore – Potassium).

    2) le Rubidium-87 (87Rb), qui intervient pour une bonne part dans le mélange des deux isotopes du rubidium naturel (85Rb : 72,2% et le 87Rb radioactif : 27,8%).
    Le 87Rb est produit dans les étoiles rouges de masse comprise entre 4 et 8 fois la masse solaire. Il est généré par un processus de « capture lente » de neutrons par des noyaux de fer. D’une période de 47 x 109 ans, il se désintègre par émission β en strontium-87 (87Sr).
    Cet isotope permet de dater l’âge de formation du système solaire et celui d’un grand nombre d’étoiles rouges massives.
    Le rubidium naturel est un élément largement répandu dans la nature en petite quantité dans certaines eaux minérales (6.10-5) et l’eau de mer (2.10-5), ou sous forme de traces (Rb2O, RbCl) dans de nombreux minéraux comme :

    • carnallite, KMgCl3.6H2O
    • lépidolite (mica lithinifère) : (Li, Al)3K[Si3AlO10F2]
    • triphyline, LiFe+2PO4
    • un sulfate multiple, KAlSi2Al2S4O10

    Il se rencontre également en faibles proportions dans le thé, le café, le tabac, et en traces dans la plupart des organismes vivants.

    Sa présence a été établie en 1861 par Robert Wilhem BUNSEN (° 31-03-1811, Göttingen – † 16-08-1899, Heidelberg) et Gustav KIRCHHOFF (° 12-03-1824, Königsberg † 17-10-1887, Berlin) dans les raies spectrales du lépidolite. Lors de l’analyse spectrographie de sel, ils découvrent deux raies rouges qui n’appartiennent à aucun élément connu. Ils lui attribuent le nom de rubidium (du latin rubidus, rouge foncé). Il constitue l’élément de numéro atomique 37 et fait partie de la famille IA (métaux alcalins).
    Malgré son abondance, aucun minerai ne le renferme comme élément principal et sa production est en fait un sous-produit de la préparation d’autres métaux alcalins.
    Parmi les 24 isotopes de rubidium possibles, seuls le 85Rb et le 87Rb se retrouvent dans les minerais.


    Domaines d’application

    Il est utilisé dans la fabrication :

    • de cellules photovoltaïques, en alliage avec le césium ;
    • de verre de sécurité. L’ajout de carbonate de rubidium (Rb2CO3) ou d’oxyde de rubidium (Rb2O) permet d’obtenir du verre de sécurité par trempage ;
    • de tubes cathodiques ou électroniques dans lesquels on l’utilise comme capteur de gaz (getter) pour parfaire le vide :
    • de magnétomètre : sa sensibilité aux champs magnétiques, grâce à son électron périphérique le plus éloigné, en fait une excellent magnétomètre. Il met en évidence des champs magnétiques 100.000 fois plus faibles que ceux agissant sur la boussole. Il permit de déceler, par survol aérien, les anomalies révélatrices de gisements de gaz naturel en mer du Nord ;
    • des feux d’artifice : pour produire la coloration violette ;
    • d’horloges atomiques se basant sur la transition hyperfine de 87Rb à 6,834682612 GHz

    L’utilisation de cette propriété permet d’obtenir des horloges commerciales compactes et de bas coût, ayant une stabilité relative de fréquence de 5×10-11 (soit une erreur possible de 1 seconde sur un peu plus de 600 ans).

    • Il existe également des horloges appelées « fontaines atomiques », fonctionnant avec du 87Rb refroidi et manipulé par laser, qui atteignent des stabilités relatives de fréquence bien meilleures, comprises entre 10-13 et 10-14.

    Il est également utilisé en :

    • médecine lors d’examen de la perfusion du myocarde : le 82Rb, de période très courte (75 secondes), est utilisé comme un indicateur d’ischémie en TEP ;
    • pharmacopée : pour la fabrication de médicaments nooanaleptiques ;

    3) le Samarium (Sm) : élément de numéro atomique 62, appartient au groupe IIIA, et fait partie des lanthanides.
    Le samarium a été découvert par spectroscopie en 1853 par le chimiste suisse Jean Charles GALISSARD DE MARIGNAC (° 24/04/1817, Genève – † 15/04/1894, Genève) qui observa ses fines raies d’absorption dans la didymium. Il fut isolé, sous la forme d’un mélange de deux oxydes, à partir d’un échantillon de samarskite, par Paul-Emile LECOQ DE BOISBAUDAN (° 18/04/1838, Cognac – † 28/05/1912, PARIS) en 1879. La samarskite est un minerai composé d’uranium, de thorium et de terres rares ((Y, Ce,U, Fe)3(Nb, Ta,Ti)5O16), dénommé ainsi en hommage au minéralogiste russe V.E. SAMARSKI qui l’a étudié. En 1901, le chimiste français Eugène Anatole DEMARÇAY (° 1/01/1852 – † 12/1904) parvient à séparer les deux oxydes.

    Naturellement le Sm est composé de 4 isotopes stables (144Sm, 150Sm, 152Sm et 154Sm) et de 3 radio-isotopes à très longue période (147Sm, 1.06×1011 ans ; 148Sm, 7×1015 ans et 149Sm, >2×1015 ans). Le 152Sm intervient pour 26,75% dans la nature. L’isotope 146Sm a également une assez longue demi-vie (108 ans), mais il est connu en traces infimes provenant de la nucléosynthèse des supernova.
    151Sm a une demi-vie de 90 ans, tandis que celle de 145Sm est de 340 jours. Tous les autres radio-isotopes ont des périodes de moins de 2 jours et la majorité d’entre eux ont des demi-vies de moins de 48 secondes.
    Le principal mode de désintégration de l’isotope stable le plus abondant (152Sm) se fait par capture électronique suivi d’une émission β. Les principaux produits de désintégration sont le Pm (prométhium) et Eu (europium).

    On ne le trouve jamais à l’état libre, mais, comme d’autres éléments des terres rares dans de nombreux minéraux, en petites quantités, dont les principaux sont :

    l’allanite-(Ce)                                  (Ce, Ca,Y)2(Al,Fe+2, Fe+3)3 (SiO4)3 OH
    l’allanite-(Y)                                    (Y,Ce,Ca)2(Al,Fe+3)3(SiO4)3 OH
    la bastnäsite-(Ce)                          (Ce,La)CO3F
    la bastnäsite-(Y)                            (Y,La)CO3F
    l’euxénite-(Y)                                  (Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ti,Ta)2O6
    la monazite-(Ce)                             (Ce,La,Nd,Th)PO4 (environ 2,8 %)
    la monazite-(La)                             (La,Ce,Nd)PO4
    la monazite-(Nd)                            (Nd,La,Ce)PO4
    la samarskite-(Y)                            (Y,Ce,U, Fe+3)(Nb,Ta,Ti)5O16

    Les zones d’exploitation les plus importantes se situent en Australie, en Chine, en Mongolie, en Inde, en Malaisie, en Russie, en Tanzanie, au Burundi, en Zambie, à Madagascar, en Suède, au Canada, aux Etats-Unis et au Brésil.

    Domaines d’application

    • Aimant permanent : en alliage avec le cobalt (SmCo5 et Sm2Co17). Les aimants en SmCo5 possèdent des propriétés magnétiques permanentes très poussées et leur résistance à la démagnétisation est la plus élevée à la température ambiante. Ils sont utilisés dans les très petits haut-parleurs pour baladeurs et téléphones portables.
    • Capteur de neutrons : sa grande capacité de captage des neutrons en font un excellent capteur, à l’état allié avec d’autres métaux, dans les réacteurs nucléaires.
    • Maser : des composés de samarium, en petites quantités sont ajoutés à du CaF2 lors de la fabrication des cristaux destinés aux masers. Le samarium sert également au dopage de cristaux lasers. La perturbation ainsi introduite dans le réseau va induire un « cristal activé » qui émettra une lumière de longueur d’onde bien définie lorsqu’il sera heurté par un faisceau lumineux ou un rayonnement.
    • Condensateurs céramiques : dans certaines situations déterminées, il est fait usage d’un diélectrique de porcelaine ou de céramique. Dans ces cas, on utilise fréquemment des oxydes de lanthane, de néodyme ou de samarium.

    4) le Lutétium (Lu) : élément de numéro atomique 71, appartenant également au groupe IIIA Il est le dernier des lanthanides. Il a d’abord été confondu avec l’ytterbium en 1878 par Jean Charles GALISSARD DE MARIGNAC. C’est en 1907 que Georges URBAIN s’aperçoit que l’ytterbium est en fait constitué de deux éléments et qu’il sépare les oxydes d’ytterbium et de lutécium. Le nom du nouvel élément, Lutécium, est attribué en hommage à Lutèce, nom romain de Paris. La même année, en Autriche, Carl AUER VON WELSBACH le découvre également et l’appelle cassiopeum. Actuellement il est reconnu sous le terme de Lutétium (Lu).
    On le trouve sous forme d’un mélange de 175Lu (97,41%) et de 176Lu (2,59%). Ce dernier est légèrement radioactif, avec une demi-vie de 30 milliards d’années.
    Le lutétium est par importance le 61ème élément constituant la lithosphère qui en contient 8.10-5 % jusqu’à 16 Km de profondeur.

    Les minéraux les plus importants, qui contiennent de petites quantités de cet élément, sont :

    la gadolinite-(Ce) (Ce,La,Nd,Y)2Fe+2Be2Si2O10
    la gadolinite-(Y) Y2,Fe+2,Be2Si2O10
    la monazite-(Ce) (Ce,La,Nd,Th)PO4 (environ 0,003 % de Lu)
    la monazite-(La) (La,Ce,Nd)PO4
    la monazite-(Nd) (Nd,La,Ce)PO4
    le xénotime-(Y) Y PO4

    Comme d’autres « terres rares », le lutétium est extrait de la monazite où il coexiste avec d’autres éléments dans une proportion de 0,003 %.
    On l’exploite surtout en Inde, en Malaisie, en Australie, en Afrique du Sud et aux Etats-Unis.


    Domaines d’application :

    Les nucléides stables de Lu sont utilisés comme catalyseurs pour le craquage, l’alkylation, l’hydrogénation et la polymérisation (Lu2O3).
    Egalement employé dans les lampes à incandescence (Lu2O3).

    A ces quatre radioéléments on peut ajouter le rhénium-187 (187Rh) qui se transmute par émission β en osmium-187 (187Os) avec une période supérieure à 1012 ans.


    Radionucléides

    Tableau récapitulatif des radionucléides indépendants naturels



    II. LES TROIS GRANDES FAMILLES RADIOACTIVES

    Nous avons déjà évoqué ces familles lors de l’histoire de la radioactivité . Les radionucléides naturels, autres que ceux que nous avons décrit dans le chapitre précédent dérivent tous des trois radionucléides suivants :

    • L’uranium-235 d’une durée de vie de 7.108 années ;
    • L’uranium-238 d’une période de 4,5.109 années ;
    • Le thorium-232, dont la période est de 1,4.1010 années.

    Ceux-ci étaient présents dans la nébuleuse proto-solaire qui par accrétion donna naissance à notre système solaire. Ils sont à l’origine des trois familles naturelles de radioéléments.
    Elles comprennent 42 isotopes appartenant à 12 éléments chimiques, situés dans les deux dernières lignes du tableau périodique. Ce sont : 81Ti, 82Pb, 83Bi, 84Po, 85At, 86Rn, 87Fr, 88Ra, 89Ac, 90Th, 91Pa et 92U.


    A. Famille de l’uranium

    Cette famille a pour tête 238U et au bout de 14 générations donne un isotope stable : 206Pb. Nous donnons à titre d’exemple le diagramme de filiation (fig. 1) ainsi que la listes des descendants (fig. 2) de l’238U. Ceux des deux autres familles peuvent être établiq de la même manière.

    Filiation_U238

    Fig. 1 – De l’uranium 238 au plomb 206

    Le diagramme montre le cheminement sur la carte des noyaux de la cascade de désintégrations partant de 238U et se terminant au 206Pb stable, avec ses 82 protons et 124 neutrons. Les désintégrations alpha diminuent de 2 unités les nombres de protons et de neutrons, alors que les désintégrations β- diminuent de 1 les neutrons et augmentent de 1 les protons. Les cheminements alpha sont corrigés à intervalles réguliers par des désintégrations bêta qui permettent d’atteindre le meilleur équilibre entre protons et neutrons. ( IN2P3)
    En généralisant, on constate que le nombre de nucléons des noyaux appartenant à cette famille est en 4n + 2.

    TableCascade_Fr

    Fig. 2 -Les 14 générations de la descendance de l’uranium

    Filiation radioactive simplifiée de l’uranium-238. Les désintégrations qui se succèdent avec des périodes extraordinairement différentes changent la composition du noyau donc la nature de l’atome. Le nombre de nucléons diminue de 4 quand le noyau émet une particule alpha et reste inchangé quand il émet un électron bêta ( IN2P3).

    L’uranium

    Cet élément, de numéro atomique 92 assez fréquent, fait partie de la famille des « Actinides ». C’est le dernier élément naturel. L’uranium naturel comporte trois isotopes ; 238U (99,28 %), 235U (0,71 %) et 234U (0,006 %). C’est un métal lourd radioactif à très grande période : 238U, 4,5.109 ans ; 235U, 7.108 ans. Ce dernier isotope est le seul élément naturellement fissible. Sa désintégration libère une énergie voisine de 200 MeV, soit un million de fois supérieure à celle des combustibles fossiles à masse équivalente.
    On le trouve partout à l’état de traces, difficilement exploitables, y compris dans l’eau de mer. Dans le manteau, les isotopes 238U et 235U entretiennent la chaleur interne de notre globe et sont responsables de la géothermie. Il se trouve également dans la croûte terrestre et plus particulièrement dans les terrains granitiques et sédimentaires, à des teneurs d’environ 3 g/tonne. A titre d’information, un terrain de 20 m de côté contiendrait sur une profondeur de 10 m, environ 24 Kg, soit, par extrapolation, près de 1.012 tonnes rien que pour la lithosphère.
    Selon le CEA et la COGEMAX, l’eau de mer en contient 3 g/m³, soit 4,5.109 tonnes. Les eaux douces de ruissellement en entraînent aussi en diverses concentrations, ainsi le Rhône charrie environ 29 t/an, provenant essentiellement des roches uranifères des Alpes. Les eaux naturelles de consommation ont également une teneur en uranium :
    • Badoit : 58 µg/l à la source, 5,45 µg/l après traitement
    • Vichy : 20 µg/l

    Le seuil OMS pour les eaux de boisson est fixé temporairement à 2 µg/l
    Ses principaux minéraux sont : la pechblende qui contient l’oxyde U3O8, la carnotite (vanadate), la coffinite (silicate) et l’autunite (phosphate). Nous reviendrons sur ceux-ci lorsque nous aborderons les minéraux radioactifs.
    C’est en 1789, que le chimiste prussien Martin Heinrich KLAPROTH (° 1-12-1743, Wernigerode – † 1-01-1817, Berlin) le met en évidence en analysant un morceau de pechblende provenant du gisement de Sint-Joachimsthal en Autriche. Il donne le nom de « urane » ou « uranite » au composé qu’il obtient, en référence à la découverte de la planète Uranus faite, huit plus tôt, par William HERSCHEL.
    En 1841, le chimiste français Eugène-Melchior PELIGOT (° 1811, Paris – † 1890, Paris) démontre que l’uranite est en fait composé de deux atomes d’oxygène et d’un atome d’un nouvel élément qu’il isole et nomme uranium. Il estime sa masse volumétrique à 19 g/cm³.
    Rappelons que c’est Henri BECQUEREL qui découvre sa radioactivité, en 1896, en constatant l’impression de plaques photographiques déposées par inadvertance auprès de sels d’uranium.


    Domaine d’application
    Applications historiques :

    Avant de connaître son pouvoir fissile, l’uranium était utilisé dans la fabrication de la céramique et de la faïence pour ses pigments jaune, orange et vert.

    Applications militaires :

    Lorsque sa fission fut découverte par bombardement neutronique, les applications militaires se sont rapidement développées. Il suffit de rappeler les ravages des bombes atomiques lancées sur le Japon lors de la Seconde guerre mondial et la menace que font peser sur l’humanité les pays possesseurs de l’arme atomique.
    L’uranium appauvri, un sous-produit de l’enrichissement de l’uranium, est utilisé comme arme tactique, à cause de sa dureté, de sa densité et de son pouvoir pyrophorique. A très haute vitesse, il perfore les blindages les plus épais et s’enflamme lors de l’impact, provoquant un incendie destructeur. Ce type de projectiles a été utilisé lors de la guerre du Golfe, en Irak et au Kosovo.

    Applications civiles :

    Heureusement, ses applications ne se limitent pas là. L’uranium enrichi en 235U sert de combustible dans les réacteurs nucléaires. Un nouveau combustible a été mis au point avec de l’uranium appauvri et un complément de plutonium (MOX)
    Les deux isotopes naturels les plus abondants servent à dater les roches les plus anciennes par la méthode U/Th et U/Pb.


    B. Famille de l’actinium

    Dans celle-ci, le radionucléide de tête est 235U qui après une cascade de 11 degrés donne l’isotope stable 207Pb. Le nombre des nucléons des noyaux appartenant à cette filiation répond à la formule 4n + 3.


    L’actinium

    L’actinium-89 est le premier élément de la famille des actinites. On le trouve dans les minerais d’uranium à la teneur de 2 parties pour 10.109 d’uranium. Deux isotopes naturels lui sont connus. 227Ac, de la série dite de désintégration de l’actinium, est le résultat de la désintégration de 235U. Il possède une demi-vie de 21,733 ans. Le deuxième isotope est 228Ac, élément de la série du thorium, produit lors de la désintégration de 232Th.. On le désigne parfois du nom de mésothorium-2. Sa période est de 6,13 heures.
    L’actinium est extrêmement rare. On le trouve dans tous les minerais d’uranium. On l’obtient généralement en bombardant du radium par des neutrons dans un réacteur nucléaire.
    C’est en 1899 que le chimiste français André DEBIERNE (° 14-07-1874, Paris – † 31-08-1949, Paris) le découvre dans la pechblende. Il lui donne le nom d’actinium (du grec aktinos = rayonnement) à cause de sa forte activité, 150 fois supérieure à celle du radium.


    Domaine d’application
    On l’utilise comme source de neutrons et dans des générateurs thermo-électriques.

    C. Famille du thorium

    Le point de départ est 232Th qui donne en fin de cascade l’isotope stable 208Pb. Dans ce cas-ci, le nombre de nucléons des noyaux est un multiple de 4 : 4n.


    Le thorium

    C’est le deuxième élément des actinites de numéro atomique 90. Le thorium naturel est constitué d’un mélange de 232Th dont la période est de 1,39.1010 années, de 228Th (1,9 ans) et de traces variables de quatre autres isotopes. 232Th est un isotope fertile, c’est-à-dire, que par absorption d’un neutron il donne un élément fissile. Il se transforme en 233Th par capture d’un neutron, qui se désintègre ensuite en 233Pa (protactinium) qui donne finalement 233U fissile.
    Le thorium se retrouve en faible quantité (12 ppm) dans la plupart des roches, il est trois fois plus abondant que l’uranium et à peu près autant que le plomb.
    On le rencontre dans de nombreux minéraux comme la thorite (ThSiO4), la thorianite (ThO2), la monazite ((Ce, La, Nd, Th)PO4), la bastnaésite et l’uranothorianite. La monazite peut contenir jusqu’à 12 % d(oxyde de thorium.
    Le chimiste suédois Jens Jakob BERZELIUS, sur la base d’un échantillon provenant de l’île de Levey en Norvège, identifie un nouvel élément qu’il nomme thorium en l’honneur du dieu scandinave du tonnerre, Thor.
    Durant les années 1910, Ernest RUTHERFORD et Frederick SODDY démontre que le thorium se désintègre selon une loi exponentielle ce qui les amènent à développer leur théorie de la radioactivité.


    Domaine d’application
    Le thorium a de nombreuses applications :

    • électrode, cathode : en revêtement des filaments de tungstène dans les tubes à décharge et pour les cathodes de nombreux dispositifs électroniques. C’est sa faculté d’émettre des électrons qui est mise à profit dans ces cas ;
    • verres optiques : dans la fabrication de lentilles de qualité pour les appareils photographiques et des instruments scientifiques. Son adjonction augmente l’indice de réfraction et diminue la dispersion, ce qui diminue l’aberration optique ;
    • manchon à incandescence : la mauvaise conductibilité thermique de l’oxyde de thorium en mélange avec de l’oxyde de cérium permet d’augmenter la température des manchons d’éclairage et donc leur luminosité ;
    • produits réfractaires : par addition d’oxyde de thorium, on obtient des porcelaines très dures et résistantes aux hautes températures ;
    • agent d’alliage dans les structures en acier ;
    • électrodes de soudage, en alliage de tungstène : permet d’atteindre le plus haut point de fusion connu (4.000° C) ;
    • dans l’industrie électronique comme détecteur d’oxygène ;
    • catalyseur en chimie, dans la transformation de l’ammoniac en acide nitrique ;
    • dans l’industrie pétrolière pour le cracking et l’extraction d’hydrocarbures de carbone ;
    • pour la production d’acide sulfurique ;
    • dans l’industrie nucléaire en tant que combustible dans les supergénérateurs.


    III. BIBLIOGRAPHIE

    Collectif (1976) – Grande Encyclopédie Alpha des Sciences et des Techniques – Chimie, Grange Batelière, Ed. Atlas, Paris – Ed. Kister, Genève – Ed. Erasme, Bruxelles-Anvers.
    DUCROCQ A. (1976) – Les éléments au pouvoir, Julliard.
    PICCIOTTO E.-E.Les phénomènes radioactifs en géologie,
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Rubidium
    http://www.larecherche.fr/content/impression/article?id=10434
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Lut%C3%A9cium
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Ruth%C3%A9nium
    http://pastel.paristech.org/2223/01/Chap_I_Etat_de_l’art.pdf
    http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/desintegrationencascade.htm
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Thorium
    http://www.francenuc.org/fr_mat/thorium_f.htm
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Thorium

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    La nucléosynthèse ou comment la nature fabrique les éléments chimiques

    I. LES TYPES D’ELEMENTS RADIOACTIFS NATURELS

    Il existe deux types d’éléments radioactifs naturels :
    – Les radioéléments à longue période et leurs descendants formés bien avant la naissance de notre planète. Ils ont une vitesse de disparition constante où qu’ils soient, et indépendante des conditions extérieures. Ce sont eux que l’on qualifie de radioéléments naturels.
    – Les radioéléments formés par réaction nucléaire naturelle, dont la proportion isotopique est variable et dépend des conditions extérieures. Ils se forment encore à l’heure actuelle.

    Les radioéléments naturels peuvent se classer en deux grandes catégories :
    – ceux qui dérivent des trois grandes familles radioactives (238U, 235U, 232Th2) ;
    – les éléments indépendants.

    On connaît quelques 70 radionucléides naturels issus des trois grandes familles
    Au moment de sa production, l’uranium naturel était constitué à part égale de ses deux isotopes, l’238U et l’235U. Actuellement ce rapport est de 99,3% d’238U pour 0,70% d’235U.


    II. NUCLEOSYNTHESE DES ELEMENTS CHIMIQUES

    A. D’où viennent tous ces éléments radioactifs à très longue période ?

    Pour comprendre cette apparition des radionucléides à longue demi-vie, il est nécessaire de se pencher sur la formation et l’activité des étoiles. N’oublions pas que nous sommes, comme l’a écrit Hubert REEVES, « poussières d’étoiles » . Nous allons seulement survoler les processus qui ont permis la création des différents éléments chimiques du tableau périodique. Notre propos n’est pas de nous lancer dans la cosmologie mais de comprendre l’origine des radionucléides qui entrent dans la composition de notre planète.


    B. Nucléosynthèse primordiale

    Quelques 100 secondes après le « Big Bang », le premier élément qui se forme est le proton ou noyau d’hydrogène (1H). S’en suit une structure un peu plus complexe formée de deux nucléons, un proton et un neutron : le deutérium ou deutéron (21D), qui malheureusement a une vie éphémère et disparaît sous les coups de butoir des photons primordiaux très énergétiques. Premier arrêt dans la progression des éléments chimiques !
    Nous sommes en pleine expansion : la température de l’univers chute (moins de 1 milliards de degrés), les photons perdent de leur énergie et les deutérons pourront survivre. L’ascension vers des éléments plus complexe commence. Chaque 2D capte un neutron pour se transmuter en hélium-3 (3He) qui à son tour s’enrichit d’un nouveau neutron pour donner l’hélium-4 (4He), élément très stable comme tous les gaz nobles. Malgré des tentatives pour former des éléments à plus grand nombre de nucléons, comme le lithium (3Li), le béryllium 4Be), deuxième arrêt de la nucléosynthèse ! Nous sommes à trois minutes du point zéro et l’expansion se poursuit à grande vitesse. L’univers est à ce moment composé d’hydrogène, d’hélium, à raison d’un 4He pour 12 1H, de traces de lithium et de béryllium, de neutrinos, d’électrons libres et de photons. Cette situation va persister durant près de 300.000 ans. Pendant ce temps, l’expansion a continué sa course, la température a chuté considérablement pour atteindre les 3.000° C ; les photons ont encore perdu de leur énergie, la force électromagnétique entre en jeu permettant la formation d’atome d’hydrogène par capture d’un électron orbitaire, d’atome d’hélium qui en retient 2. La matière prend le dessus sur le rayonnement : l’univers devient transparent. Pour continuer il faut trouver un moyen de débloquer la situation. La solution réside dans la formation par gravitation des galaxies et des étoiles. Faisons un bond en faisant l’impasse sur la formation des premières galaxies et reprenons notre histoire lors de la formation de la première génération d’étoiles.


    C. Première génération d’étoiles

    L’activité d’une étoile, dans sa phase initiale, après sa première contraction gravitationnelle, se résume à une transmutation de son hydrogène en hélium. Cette réaction s’accompagne d’une légère diminution de masse due à l’énergie libérée lors de la formation d’4He par 4 protons (1H). La conversion peut être plus ou moins rapide selon la grosseur de l’astre. Pour cela, il faut une température suffisante, de l’ordre de 10 millions de degrés, pour que les protons puissent vaincre la force électrique de répulsion et entrer en contact les uns avec les autres.
    Occasionnellement d’autres éléments peuvent se former. En effet, la synthèse de l’hélium à partir de l’hydrogène peut prendre divers chemins en passant par le lithium, le béryllium, le bore, le carbone, l’azote et l’oxygène (éléments 3, 4, 5, 6, 7, 8).


    Réactions de la chaîne proton-proton, principale source d’énergie (fig. 1) :

    1H + 1H → 2D + e+ + γ
    2D + 1H → 3He + γ
    2 3He → 4He + 2 1H + γ


    proton-proton

    Fig. 1 – Réactions de la chaîne proton-proton – conversion de l’hydrogène en hélium


    D. Phase hélionique

    Lorsque la réaction thermonucléaire alimentée par l’hydrogène s’arrête faute de combustible, la gravitation reprend ses droits, la température augmente pour atteindre 100 millions de degrés nécessaires à la fusion des noyaux d’hélium et l’étoile entame sa deuxième phase. Une nouvelle série d’éléments verra le jour. Deux hélions (2He) donneront un noyau de béryllium (4Be) qui absorbant à son tour un nouveau 2He engendrera un noyau de carbone (6C), en libérant une énergie de 7,6 MeV. L’activité thermonucléaire est réenclenchée. Tandis que le cœur de l’étoile continue à se contracter, son atmosphère sous la poussée due à la libération de l’énergie de combustion de l’hélium se dilate et se refroidit. L’étoile devient une géante rouge.
    La vitesse des réactions augmente avec la température. A 120 millions de degrés, l’hélium (2He) s’allie au carbone (6C) pour le transformer en oxygène (8O), 16O se transforme en 17O par absorption d’un neutron, puis à une température légèrement supérieure, l’oxygène (8O) absorbe un noyau d’hélium (2He) donnant le néon (sub>10Ne), <sup20Ne engendre 21Ne, également par absorption d’un neutron.

    2He + 13C → 16O + n
    2He + 17O → 20Ne + n

    Après la phase de fusion du carbone viennent celles du néon, de l’oxygène, du magnésium, du silicium, ce que traduit la figure 3.
    Avec l’apparition du néon, le processus marque un temps d’arrêt, car cet élément comme tous les gaz inertes possède une grande stabilité. Il faut dépasser le cap des 200 millions de degrés pour qu’un noyau de néon (10Ne) absorbe un hélion (2He) et se convertisse en magnésium (12Mg). D’autres réactions thermonucléaires peuvent se produire comme la fusion de deux carbone (6C) qui donne également 12Mg, avec la libération d’une énergie de 15 MeV.

    2He + 21Ne → 24Mg + n

    On constate que la production de nouveaux éléments s’est faite selon une loi simple, par l’absorption d’un hélion qui augmente le numéro atomique de deux unités, tandis que le nombre de masse est un multiple de 4. On parle de chaîne hélionique.
    Cette séquence va se reproduire de nombreuses fois : à l’épuisement d’un combustible, le cœur de l’étoile s’effondre un peu plus, la température augmente en proportion et un nouvel élément plus dense est généré. L’étoile se dispose en couche tel les « pelures d’un oignon ». Chacune d’elles à une température propre de moins en moins élevée au fur et à mesure que l’on s’éloigne du cœur. Les réactions thermonucléaires des étapes précédentes s’y perpétuent en fonctions des conditions de chaleur et de pressions.
    Le processus va se poursuivre jusqu’à l’obtention du 56Fe.

    Toutefois, un élément impair s’est glissé dans le système : il s’agit de l’azote (7N). Celui-ci est le résultat de la fusion d’un deutérium (2D) avec un noyau de carbone.


    E. Le cycle du carbone

    Dans certaines étoiles, généralement de seconde génération, mais également dans des étoiles primitives, on constate l’existence d’un cycle thermonucléaire qui met en jeu le carbone (cycle de Bethe) : En effet, les noyaux des premiers éléments, dans les astres de premières génération, naissant de processus nucléaires ont de grandes énergies qui leur permettent de déclancher des réactions secondaires. Ainsi un noyau de carbone peut résulter de la fusion de trois hélions. Ce carbone intervient dans un cycle où 4 protons sont absorbés selon les formules suivantes :

    Absorption d’un H           transmutation par rayonnement β

    réaction                                                      1H + 12C → 13N + γ → 13C + ß+ + ν
    durée de la mutation                                   9.105 ans                           7 mn

    1H + 13C → 14N + γ
    1,8.105 ans
    1H + 14N → 15C + γ→ 15N + ß+ + ν
    16.106 ans 2 mn
    1H + 15N → 12C + 4He
    5.106 ans

    Le cycle du carbone s’accélère en fonction de la température. Il n’intervient qu’à des températures élevées et avec un apport initial de carbone, si la fusion des protons a fourni le point de départ.
    La figure ci-dessous (fig. 2) illustre ce cycle dont la possibilité a été démontrée par BETHE et WEIZÄCHER, en 1938. Le processus proton-proton n’a été découvert qu’en 1951 à la suite des travaux de FOWLER et SCHATZMANN.


    cycle carbone
    Fig. 2 – Le cycle du carbone ou cycle de Bethe

    F. L’intervention des neutrinos

    L’évolution nucléaire s’emballe à cause de l’intervention d’une nouvelle particule : le neutrino. Pour continuer dans sa progression vers les éléments de masse plus élevée, l’étoile doit produire de l’énergie. Elle se contracte et reprend l’ascenseur thermique vers des températures de plus en plus élevées. Elle émet en son centre un flux de neutrinos de plus en plus important. Cette particule élémentaire, contrairement à celles qui interviennent jusqu’à présent dans la nucléosynthèse, n’a pratiquement pas de masse (10.000 fois plus faible que celle de l’électron) et n’a pas de charge électrique. Elle a la particularité de n’être pratiquement pas absorbée, elle traverse notre planète de part en part s’en être affectée.
    Pour expliquer certaines particularités de la radioactivité β (excédent d’énergie), FERMI, en 1936, avait calculé sa présence dans la réaction de désintégration du neutron en proton. Comme il n’y a pas d’électrons dans le noyau, ceux-ci doivent être générés à partir d’un nucléon lors de la désintégration β, ce que les équations suivantes représentent :

    n → p + e- + ν ou p → n + e+ + ν


    n = neutron; p = proton; e- = électron; e+ = positron; ν = neutrino ; ν = antineutrino.

    Il fallut attendre 1954 pour la détecter.
    Le flux de neutrinos apporte à l’étoile l’énergie nécessaire pour continuer sa progression et l’amener au stade ultime.
    Grâce aux neutrinos, quelques milliers d’années suffisent pour engendrer près d’une centaine de nouveaux éléments. On passe du Si au groupe des métaux : fer (26Fe), cobalt (27Co), nickel (28Ni), cuivre (29Cu), zinc (30Zn), etc.


    G. Phase neutronique

    Il est à remarquer que les réactions, impliquant des hélions, donnent des neutrons libres entraînant une nouvelle phase dans la vie de l’étoile. D’un processus hélionique on passe à un processus neutronique. A partir de maintenant la montée dans l’escalier nucléaire se fait par addition d’un neutron.
    Ainsi, le cadmium dont la forme courante est 110Cd, comporte 48 protons et 62 neutrons. L’arrivée d’un nouveau neutron donne l’isotope 111Cd (48p + 63n), puis 112Cd (48p + 64n) et ainsi de suite jusqu’au 114Cd (48p + 66n). Si un dernier neutron pénètre le noyau de Cd, une instabilité s’installe et la combinaison 48p + 67n devient 49p + 66n en un délai très court. Le neutron excédentaire se transforme par radioactivité β en proton, avec émission d’un électron et d’un neutrino. Le cadmium se transmute en indium (49In). Le mouvement se poursuit jusqu’à l’apparition de l’étain (116Sn).
    Ces phases se déroulent dans la zone des températures variant entre 2 et 5 milliards de degrés.

    escalier éléments

    Fig. 3 – L‘escalier nucléaire

    Pour illustrer les grandes étapes de l’évolution nucléaire, nous avons repris le damier conçu par Hubert REEVES dans son ouvrage « Patience dans l’azur – L’évolution cosmique ». Les noyaux atomiques sont placer selon leur nombre de protons (verticalement) et leur nombre de neutrons (horizontalement). Sont représenté ici tous les isotopes stables jusqu’au silicium (plus deux instables, le neutron et le carbone 14). Les isotopes stables se disposent à peu près selon une diagonale (nombre de protons à pe près égal au nombre de neutrons).


    H. Stade ultime d’une étoile

    Selon sa masse, l’évolution d’une étoile se termine par la génération de noyaux de carbone ou d’oxygène. Dans ce cas, nous avons affaire à des naines blanches qui se refroidiront lentement sans éjecter leur matière et terminer leur vie sous forme de naines noires, c’est le destin de notre soleil. Si la masse est plus importante, le stade ultime sera le fer. Le processus s’arrête là, faute de températures suffisantes et de moyens de fournir la quantité d’énergie nécessaire à la formation des éléments lourds. Le noyau de l’astre se contracte et implose littéralement engendrant des températures énormes. Le fer se désintègre accélérant le processus : élévation de température, contraction du noyau. Par rebondissement sa couronne est violemment projetée dans l’espace, y dissipant tous les éléments crées durant sa genèse : c’est l’explosion d’une supernova.


    I. Nouvelles générations d’étoiles

    L’explosion de la supernova va enclencher de nouvelles réactions dans les nuages interstellaires. Les neutrons, accélérés par la déflagration, peuvent fusionner avec les noyaux éjectés pour constituer des éléments plus lourds.
    Les premières étoiles ont recraché du carbone, de l’oxygène, du silicium et du fer. Une nouvelle génération d’étoiles voit le jour, contenant des éléments plus lourds générés dans les nuages cosmiques. Le processus se répète ainsi indéfiniment créant ce que les astronomes appelle le cycle de la matière dans l’univers (fig. 4).

    cycle matière

    Fig. 4 – Le cycle de la matière dans l’Univers

    Des globules de matière se condensent sans cesse dans le milieu interstellaire pour donner naissance à des étoiles. Celles-ci rejettent en permanence du gaz dans le milieu interstellaire. Selon la masse restante, une étoile termine sa vie sous forme de naine blanche, d’étoile à neutrons ou de trou noir. Les étoiles les plus massives éjectent dans le milieu interstellaire les atomes fabriqués au cours de leur vie, enrichissant ce milieu d’atomes de plus en plus lourds. (d’après A. BREHIC)


    J. Les nombres magiques

    Nous avons vu que les éléments plus lourds étaient engendrés par capture d’un neutron et transformation de celui-ci en proton par radioactivité β, et que de cette manière l’on montait progressivement l’escalier nucléaire (fig. 3). Le passage d’un élément à un autre ne se fait pas de manière constante. Certains paliers sont larges et franchis lentement. D’autres sont étroits et pratiquement sautés. La raison est la grande stabilité que présentent certains noyaux.
    En 1963, le physicien allemand Johannes Hans JENSEN et la physicienne américaine Maria GOEPPERT-MAYER ont obtenu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur la structure du noyau nucléaire . De leurs analyses, ils dégagent des propriétés de stabilité particulière de certains noyaux dits « magiques » lorsque le nombre de leurs protons et/ou neutrons prend des valeurs particulières. Ces nombres-clés sont : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Un noyau est stable si le nombre total de ces nucléons est magique : c’est le cas pour le néon 20 (2010Ne) et le silicium 28 (2814Si). C’est également le cas si le nombre Z de protons (numéro atomique) est magique : l’oxygène (Z = 8), le calcium (Z = 20), l’étain (Z = 50), le plomb (Z = 82) ; ou celui des neutrons. Ainsi, dans la gamme des noyaux possédant 50 neutrons, on trouve le strontium-88, l’yttrium-89, le zirconium-90. Tous ces éléments présentent de nombreux isotopes stables.
    Le dernier palier est constitué par le plomb-208 et le bismuth-209. Le bismuth est l’élément le plus lourd dont au moins un isotope est encore stable (20983Bi), par contre le plomb-208 qui est doublement magique (Z = 82 ; N = 126) est le dernier noyau parfaitement stable.


    K. Evolution des éléments très lourds

    Passé cette barrière plomb-bismuth, l’énergie emmagasinée lors de la formation des gros noyaux sera restituée car les éléments formés auront des tailles telles que leur stabilité n’est plus possible. Ils se désintègreront lentement selon le processus de radioactivité α (éjection d’un 2He) jusqu’à l’uranium-92. Sous sa forme 238, sa demi-vie est de 4 milliards d’années. Au-delà, la situation change car la stabilité diminue rapidement et les périodes se chiffre en jours, puis en heures et en minutes. Celle du curium-242 n’est que de 162 jours. Jusqu’ici, le processus se déroulé selon le mécanisme neutronique normal de transmutation β, palier par palier, c’est le processus s (s = slow). Le nombre de neutrons augmentant rapidement, le processus prend une autre allure. Le passage se fera par bonds. Ainsi, le niobium (41Nb) qui est stable avec 52 neutrons en absorbera jusqu’à 82 (nombre magique). Au 83e, il se transmutera en molybdène (42Mo) puis en technétium (43Te) et ainsi de suite. Nous somme passé à un processus r (r = rapide).
    Avec le californium (96Cf) un phénomène nouveau apparaît : cet élément est spontanément fissile. Ce sera le cas de la plupart des éléments transuraniens. Ils exploseront littéralement en créant des neutrons qui seront absorbés par des éléments lourds pour recréer du californium, et en libérant une énergie capable d’accélérer les processus neutroniques. Nous sommes en présence d’une rétroaction positive qui amènera l’étoile à se disloquer sous son rayonnement. Lorsque la température se chiffrera en milliards de degrés, la part la plus importante de l’énergie dissipée le sera sous forme de neutrinos et l’étoile répandra sa matière dans l’espace.

    Ce survol bien trop rapide des processus de constitution des éléments chimiques nous permettra de mieux appréhender les phénomènes de la radioactivité naturelle de notre planète.


    III. L’EVOLUTION NUCLEAIRE EN GRAPHIQUE (d’après H. REEVES)

    explosion initiale
    Fig. 5 – L’évolution nucléaire initiale. Issus du big bang, les protons et les neutrons interagissent. Quelques minutes après sa naissance, l’univers est composé d’hydrogène, d’hélium et de lithium-7. Ce sont les plus vieux atomes du monde.

    série principale

    Fig. 6 – L’évolution nucléaire dans les étoiles de la « série principale ». Les étoiles de la « série principale » obtiennent leur énergie en fusionnant l’hydrogène en hélium. Les premières étoiles des galaxies, dépourvues d’atomes lourds, transformaient directement l’un dans l’autre. Les étoiles plus récentes réalisent cette fusion de manière plus efficace qui implique la transmutation en azote des atomes de carbone et d’oxygène formés par des générations d’étoiles antérieures. Cette nouvelle fusion utilise le carbone comme catalyseur, selon le cycle de Bethe.

    géantes rouges
    Fig. 7 – L’évolution nucléaire dans les géantes rouges. L’hélium du noyau central est transformé en carbone-12 et en oxygène-16. Dans une couche entourant le noyau se pourssuit la fusion de l’hydrogène en hélium.

    étoiles tardives
    Fig. 8 – L’évolution nucléaire dans les phases stellaires plus tardives. La fusion du carbone et de l’oxygène en néon, sodium, magnésium, aluminium et silicium se fait au cœur d’une étoile, au cours des phases stellaires plus tardives. Dans les couches supérieures brûle l’hélium, puis, au-dessus encore, l’hydrogène.

    phases ultimes
    Fig. 9 – L’évolution nucléaire dans les phases ultimes. Avant que l’étoile explose en supernova, le magnésium et le silicium entrent en combustion et engendrent les métaux : chrome, manganèse, fer, nickel, cobalt, cuivre, zinc, etc. Des neutrons produits par ces réactions se combinent avec ces métaux pour complèter la table des éléments chimiques.

    transmutations
    Fig. 10 – Profil des transmutations nucléaires à l’intérieur d’une étoile massive et très évoluée. Les réactions qui requièrent les plus hautes températures (fusion du silicium et du magnésium) ont lieu au centre de l’étoile. A mesure que l’on s’éloigne du centre, la température décroît jusqu’à la surface, beaucoup trop froide pour le jeu de interactions nucléaires.


    IV. HERITAGE COSMIQUE DE NOTRE PLANETE

    Les planètes telluriques, lors de leur formation par accrétion dans le nuage protostellaire, ont absorbé la plupart des éléments dissipés par les supernova, depuis l’hydrogène jusqu’au plus lourds. On imagine la Terre primitive comme un magma en fusion se formant par un double processus : bombardement et accrétion de poussières et planétésimaux divers, et contraction gravitationnelle. Ces phénomènes ont porté notre future planète à une température de l’ordre de 1.000° C. La radioactivité naturelle des radionucléides incorporés lui a apporté un millier de degrés supplémentaire. Par différenciation, les éléments les plus lourds, comme le fer ou le zinc, se sont concentrés au centre, tandis que les plus légers ont formé le manteau en surface. Actuellement, deux sources d’énergie ont disparu : le bombardement, beaucoup plus épisodique, et la contraction. Seule la radioactivité naturelle assure une production continue de chaleur au sein de la planète. Cette chaleur est évacuée vers l’extérieur par rayonnement, conduction et convection. Le rayonnement est très efficace dans les étoiles, mais pratiquement nul dans une planète comme la Terre. La conduction est un phénomène efficace mais lent. Elle consiste en une agitation des atomes sous l’effet d’une élévation de température. Les vibrations ainsi générées sont transmises de proche en proche par un effet mécanique. Enfin, la convection est responsable des cellules de convection qui prennent naissance au sein du magma constituant le manteau inférieur. Ce dernier phénomène est le moteur de la tectonique de plaques.
    A la fin du XIXème siècle, le physicien britannique Lord Kelvin (° 26/06/1824 – † 17/12.1907) avait calculé, sur la base du refroidissement de la terre et sur le gradient de température constatée en profondeur, que l’âge de la Terre se situait entre 24 et 400 millions d’années. A l’époque, on ignorait l’existence de la radioactivité naturelle. La découverte de cette propriété a permit de définir la naissance de notre planète à plus de 4,5 milliards d’années.

    La chaleur géothermique est le résultat d’un dégagement de chaleur minime mais constant due à l’énergie libérée lors de la désintégration des radionucléides naturels : minime, car il n’est que de 0,0937 watt/tonne pour l’uranium-238, par exemple, et donc nettement insuffisant pour alimenter une ampoule électrique ; quasi constant, car ce dégagement n’a diminué que de moitié depuis la formation de la Terre.
    De cette chaleur, seule une faible proportion s’échappe en raison des dimensions du globe terrestre. La radioactivité provenant des isotopes 235 et 238 de l’uranium, du thorium 232 et du potassium 40 est à l’origine de 80% de l’énergie émergeant de la surface du sol.

    Au départ, la jeune Terre était le siège de transmutations car parmi ses constituants, elle renfermait des éléments très lourds dont les plus lourds existant à l’état naturel sont l’uranium et le thorium. Les radio-isotopes de ces produits se sont désintégrés depuis leur origine, mais persistent de nos jours étant donné leur très grande période radioactive : thorium-232, de l’ordre de 13,9 milliards d’années ; uranium-235 et uranium-238, de périodes respectivement égales à 710 millions et 4,5 milliards d’années.

    Alors que l’abondance des deux isotopes de l’uranium était au départ similaire, l’uranium naturel est constitué de nos jours à 99,3 % d’uranium-238, contre 0,70 % d’uranium-235. Cette disparité permet de calculer l’âge d’une roche en établissant le rapport entre les deux isotopes.
    Actuellement, ces éléments sont relativement rares dans le sous-sol et généralement disséminés dans les roches granitiques à raison de quelques grammes par tonne. Mais à l’échelle de la planète, les quantités sont énormes. On estime à 50 000 et 160 000 milliards de tonnes les quantités respectives d’uranium et de thorium dans la croûte et le manteau terrestre. Selon cette estimation, l’uranium seul dégagerait l’énergie électrique produite par 4.620 centrales nucléaires de 1 Gigawatt.


    V. SOURCES

    BRAHIC A. (1999) – Enfants du soleil – Histoire de nos origines, Editions Odile Jacob, Science
    BRÖCKER B. (2001) – Atlas de la physique atomique et nucléaire, La Pochothèque, Le Livre de Poche, « Encyclopédies d’aujourd’hui ».
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    REEVES H. (1981) – Patience dans l’azur – L’évolution cosmique, Editions du Seuil, Paris.
    SILK J., BARROW J.D. (1985) – La main gauche de la création – Origine et évolution de l’univers en expansion, Londreys
    TRINH XUAN THUAN (1991) – La mélodie secrète – Et l’homme créa l’univers, Editions Gallimard, Folio/Essais, N° 160.
    http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/lepotassiumm40.htm
    http://www.graal.univ-montp2.fr/spip.php?article12
    http://www.periodieksysteem.com/elem_fr.cfm?IDE=Sm
    http://www.periodictableonline.org/elem_fr.cfm?IDE=Lu
    http://wwwens.uqac.ca/chimie/Physique_atom/Chap_htm/CHAP_16.html
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

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    XIII – Les atomistes français, une équipe de pointe

    I.      LES SAVANTS FRANCAIS S’IMPLIQUENT EN POLITIQUE

     Avant de poursuivre notre histoire de la physique atomique, il est utile de resituer le contexte dans lequel nos physiciens français ont évolué et de comprendre leur implication dans la politique de leur pays.

     La prise de position de Frédéric Joliot-Curie, sur le plan politique, remonte au 6 février 1934. Que s’est-il passé ce jour-là ? Édouard Daladier (1884-1970) présente à l’Assemblée nationale son nouveau gouvernement, à la suite de la découverte, un mois plus tôt, du cadavre d’un escroc, le financier Alexandre Stavisky (1886-1934). L’homme était recherché pour le détournement de fonds au Crédit municipal de Bayonne. L’opinion publique soupçonne – à tort – les ministres et les députés d’avoir trempé dans ses combines. Chacun s’indigne… C’est ainsi que des ligues et des mouvements paramilitaires appellent à manifester le même jour à Paris, place de la Concorde. Parmi les organisateurs de la manifestation figurent la ligue monarchiste Action française, la ligue des Jeunesses patriotes fondée en 1924 par Pierre Taittinger (1887-1965), député de Paris, le groupe Solidarité française du parfumeur François Coty (1874-1934), émule de Mussolini… mais aussi l’association d’anciens combattants Les Croix de Feu du lieutenant-colonel de La Roque (1885-1946), qui se veut apolitique. Tous ces groupes sont orientés à droite ou à l’extrême-droite. On relève également la présence d’un mouvement communiste, l’Association républicaine des anciens combattants. Tous se mobilisent sur le thème  « À bas les voleurs ! » et réclament davantage de civisme, d’honnêteté. La manifestation dégénère rapidement. Tandis que Les Croix de Feu se dispersent sans attendre, des milliers de militants en armes marchent sur le Palais-Bourbon, siège de la Chambre des députés, en face de la place de la Concorde. La Garde mobile tire. Les affrontements se prolongent pendant la nuit et causent la mort de seize manifestants et d’un policier. On compte un millier de blessés. Non sans mauvaise foi, la gauche parlementaire dénonce une tentative de coup d’État fasciste. Elle appelle au rassemblement des forces progressistes. Trois jours plus tard, une contre-manifestation à laquelle participent les socialistes et les communistes dégénère à son tour et fait 9 morts. Le président du Conseil Édouard Daladier, porté au pouvoir par la majorité législative élue en 1932, doit céder la place à l’ancien président de la République Gaston Doumergue (1863-1937) à la tête du gouvernement.

     A la suite de ces événements tragiques, Frédéric adhère au Comité de vigilance des intellectuels antifascistes (CVIA) créé par le physicien Paul Langevin, l’ethnologue Paul Rivet (1876-1958) et le philosophe Alain (1868-1951), le 5 mars 1934.

     La manifestation du 6 février entraînera la création du Front populaire qui réunit les partis de gauche, sous l’impulsion, de Maurice Thorez (1900-1964) (P.C.). Ce mouvement remporte les élections législatives d’avril – mai 1936. Des grèves spontanées éclatent alors et se généralisent à tout le pays dans une atmosphère de fête et d’espérance. Dans ce climat, le gouvernement de Léon Blum (1872-1950) (SFIO) favorise la signature entre le patronat et les syndicats des Accords Matignon (7 juin 1936). Les mesures les plus importantes sont l’établissement des conventions collectives, l’élection de délégués-ouvriers et des augmentations de salaires. L’Assemblée votera ensuite la loi des Congés payés et celle sur la semaine de 40 heures. L’année suivante les premières nationalisations (S.N.C.F. et usines d’armement) sont décidées. Le gouvernement du Front populaire établit en quelques semaines les traits essentiels de la législation sociale contemporaine.

     De plus, afin d’améliorer le sort des scientifiques, Blum, dès son arrivée au gouvernement crée un sous-secrétariat d’Etat à la Recherche scientifique qu’il confie à Irène Joliot-Curie. Elle accepte le poste contre son gré et y renonce après deux mois seulement, le laissant à Jean Perrin plus diplomate et plus efficace.

     Frédéric entre au Parti socialiste.

     « Pour moi, raconta-t-il à un de ses biographes, Michel Rouzé, le passage dans la SFIO répondait à la nécessité immédiate d’entrer dans un parti, d’éprouver le coude à coude, d’amplifier sa force, de n’être plus isolé. C’était une espèce de stade avant d’aller au communisme. »

     Très vite, dès1936, les Joliot-Curie sont en désaccord avec le gouvernement du Front populaire à propos de sa politique de non-intervention en Espagne.

     A la suite de nombreuses difficultés et de l’action virulente de la droite, Blum démissionne en juin 1937. En septembre – décembre 1938, le Front populaire est définitivement écarté du pouvoir et remplacé par un gouvernement radical conduit par Edouard Daladier qui signera les accords de Munich, conjointement avec Chamberlin et Mussolini (30/9/1938), avant de déclarer la guerre à l’Allemagne le 3 septembre 1939.

     Au Comité de vigilance (CVIA), Frédéric est proche de Paul Langevin et de ceux qui dénoncent la politique d’apaisement devant les États fascistes. Après Munich, avec les Perrin et d’autres savants, les Joliot-Curie expriment dans une lettre ouverte au président du conseil, Édouard Daladier, leurs inquiétudes devant la politique extérieure de la France :

     « Nous craignons que nos intérêts à l’extérieur soient confiés à des hommes très faibles. Nous demandons qu’aucune concession ne soit faite aux exigences allemandes et italiennes. »

     Proche du PC sans en être membre, Joliot-Curie accepte de signer en juin 1938, avec deux autres Prix Nobel, sa femme Irène et Jean Perrin, une lettre au procureur général de l’URSS en faveur du physicien Alexandre Weissberg qui avait été emprisonné. Installé en URSS depuis 1931, Weisberg avait été un des fondateurs du Journal de physique soviétique avant d’être victime de la grande purge de 1937. Incarcéré pendant trois ans, il est remis à la Gestapo après signature du pacte germano-soviétique. Transféré à Varsovie, passant dans la clandestinité, repris, Weisberg parvient au lendemain de la guerre à quitter la Pologne pour la Suède avant de s’installer en Angleterre. Il est aux premières loges à Kharkov pour analyser la mise en œuvre de la grande purge dans les milieux scientifiques qu’il devait rapporter, par la suite, dans un ouvrage préfacé par Arthur Koestler. Koestler avait lui aussi passé un certain temps à Kharkov au début des années 30 et lorsqu’il avait appris, en 1938, l’arrestation de son ami et ancien camarade, il avait entrepris une campagne de mobilisation internationale en sa faveur avec le concours d’Albert Einstein, Jean Perrin, Frédéric et Irène Joliot-Curie.

     En août 1939, Frédéric signe l’Appel de l’Union des intellectuels français qui exprimait sa « stupéfaction » devant le Pacte germano-soviétique de non-agression signé par von Ribbentrop et Molotov :

     « Les intellectuels français, qui ont tous ardemment réclamé, contre la menace hitlérienne, la constitution du Front de la Paix et le pacte d’entente franco-anglo-soviétique, réprouvant toute duplicité dans les relations internationales, expriment leur stupéfaction devant la volte-face qui a rapproché les dirigeants de l’URSS des dirigeants nazis, à l’heure même où ceux-ci menacent, en même temps que la Pologne, l’indépendance de tous les peuples libres.

    Ils restent fidèles à l’idée que le seul moyen de sauver cette indépendance est d’unir tous les peuples qui, quel que soit leur régime intérieur, sont résolus à faire front contre l’agression et à fonder la paix sur le Droit… » (L’Oeuvre et Le Temps, 30 août 1939).

     II.      CALCUL DE LA MASSE CRITIQUE ET L’AFFAIRE DES BREVETS NUCLEAIRES

     Nous avons vu dans la partie précédente que Joliot-Curie s’était adjoint les services du théoricien Francis Perrin. Il lui demanda, ses connaissances mathématiques étant insuffisantes, de faire une première tentative de calcul de la masse critique d’uranium nécessaire pour réaliser une explosion. Perrin publia ses calculs, le 1er mai 1939, dans un compte rendu de l’Académie des sciences, lesquels annonçaient une masse critique de matière fissible d’environ 40 tonnes pouvant être réduite à 12, si on l’enfermait dans une enceinte réfléchissant les neutrons. Après quelques hésitations et sachant que d’autres équipes de chercheurs s’étaient lancées dans cette voie, Joliot et son équipe brevetèrent leurs inventions[1]. Ces brevets provoquèrent un imbroglio juridique dont l’Etat français n’est jamais sorti. En effet, les savants atomistes français, s’inspirant du modèle germanique, déposèrent trois brevets secrets de droit privé entre le 1er et le 4 mai 1939, mais dont les frais de dépôt en France et à l’étranger furent pris en charge par la Caisse nationale de la recherche scientifique (future CNRS) et en son nom. Droit public et droit privé furent ainsi mêlés. Dansn une négociation avec le directeur du CNRS, les inventeurs renoncèrent à la majeure partie des bénéfices, se contentant de 5% chacun, le restant étant attribué au CNRS par donation. Cette disposition inhabituelle entraîna de telles difficultés  que lorsque la guerre éclata, rien n’était encore finalisé et l’on resta à un engagement verbal. Le 3ème brevet, « Perfectionnements aux charges explosives » fut considéré « secret défense » par le président du Conseil et ministre de la Défense nationale, Edouard Daladier et devenait par nature propriété de l’Etat.

     III.         CONTACTS AVEC L’UNION MINIERE DU HAUT-KATANGA

     Afin de poursuivre ses recherches expérimentales, Joliot, dès le dépôt des brevets, prend contact avec l’Union Minière du Haut-Katanga, afin d’obtenir la quantité d’oxyde d’uranium dont il a besoin. La rencontre a lieu le 8 mai 1939 à Bruxelles. Joliot est reçu par Edgar Sengier (1879-1963), l’administrateur délégué de la société et par Gustave Lechien, directeur de la division du radium. La discussion porte sur les perspectives nouvelles de la pechblende, sur l’importance des stocks en Belgique. Le Français propose aux deux Belges de développer en commun ce nouveau domaine qui s’ouvre à eux. Sengier, conquit, accepte de se rendre à Paris à la fin de la semaine.

     Entre-temps, Joliot avait écrit à Bruxelles (le 10 mai) pour obtenir les conditions de stockage de l’oxyde d’uranate, soit la forme, les dimensions et la teneur en eau. Cette demarche est entreprise dans le but d’évaluer les conditions minimales pour l’obtention d’une réaction en chaîne et de s’assurer de l’absence de danger qu’une telle réaction ne se déclanche dans la configuration physique des stocks. La réponse, le lendemain, fait état d’une pyramide tronquée de 2 m 25 de haut, de 17 x 16 m à la base et de 45% d’eau.

     Dans le même temps, la parution de la note de l’équipe du Collège de France dans la revue « Nature » impressionne le physicien britannique George Thomson (1892-1975) qui alerte les autorités de son pays, afin qu’elles prennent contact avec la firme belge pour acquérir un tonnage important de minerai, et d’empêcher que le stock existant ne passe en totalité ou en partie aux mains des Allemands. Le 10 mai, Sengier est à Londres, où il rencontre un des vice-présidents de l’UMKH, lord Stonehaven, et sir Henry Tizard (1885-1959), un des principaux conseillers scientifiques du gouvernement britannique. Ce dernier est sceptique quand à l’utilisation d’uranium pour la réalisation d’une bombe. Aussi n’est-il pas disposé à engager d’importants fonds gouvernementaux dans l’achat de la totalité des stocks. Il découle de cette rencontre, que Sengier est tenu d’avertir le gouvernement britannique de tout achat anormal et de son origine, et que les Britanniques font l’acquisition d’une tonne d’oxyde d’uranium pour la somme de 700 livres sterling.

     Une deuxième rencontre, le 13 mai, à Paris cette fois, met en présence E. Sengier  et G. Lechien de l’UMKK d’une part, et Henri Laugier (1888-1973), directeur du CNRS, F. Joliot-Curie et son équipe (Halban, Kowarski, Perrin) de l’autre. Un projet de contrat est établi entre les deux parties sur la base des brevets n° I et II, prévoyant une participation dans le futur de la société belge et la livraison immédiate de 8 tonnes d’oxyde d’uranium (5 tonnes fin mai 1939 et 3 tonnes en  mars 1940), puis de 50 tonnes pour une expérience de grande envergure. L’UMHK met également son bureau technique à la disposition des savants.

     Au début des hostilités, afin de trouver un arrangement avec les inventeurs et les autres partenaires industriels, le CNRS s’apprêtait à fonder une société de droit privé, la « Société anonyme pour l’Exploitation de l’Energie nucléaire » (SPEDEN). Celle-ci était indispensable si l’on voulait passer une convention avec l’ « Union Minière du Haut-Katanga », la seule société privée qui possédait au monde la quantité d’uranium nécessaire. Le projet de société mixte fut mis en délibéré le 15 mars 1940 au cours d’une séance du comité juridique du CNRS. L’affaire était inextricable du point de vue juridique. Comment concilier les droits des inventeurs, les intérêts de l’Etat français et l’association avec une compagnie privée ? De nouveaux projets furent examinés les 30 avril et 3 mai 1940 au moment de l’invasion allemande. Malheureusement, aucun accord définitif ne fut signé entre l’Etat et les savants. Le 2 juin, une proposition de convention fut envoyée par G. Lechien au CNRS prévoyant l’apport d’un million de francs français à l’expérience et la constitution d’un syndicat d’exploitation en cas de réussite. L’article 2 de cette convention comportait une clause assez piquante :

    « Dans le cas où l’oxyde d’urane mis à la disposition de la Société, conformément au présent accord, ne serait pas détruit par l’expérience, il sera rendu à l’Union minière du Haut-Katanga […] ».

     L’Union minière accepte de prêter aux scientifiques un gramme de radium sous la forme d’un mélange de radium et de béryllium. Cette composition est, à ce moment, la source de neutrons la plus efficace par l’action du rayonnement du radium sur le béryllium. La firme belge s’engage également à étudier en ses laboratoires les installations destinées aux expériences envisagées, et à valoriser les deux brevets existants et ceux à venir. Les bénéfices seront partagés pour moitié, sauf ceux réalisés en France et dans ses colonies qui reviennent à 80% pour la société française, et ceux dégagés en Belgique, au Luxembourg et au Congo qui seront acquis à raison de 80% pour l’UMKH. Etant donné la difficulté de définir dans cette affaire l’interlocuteur français, un accord ne fut jamais officiellement ratifié.

     Toutefois, Leschien expédie, dès le 23 mai 1939, 100 barils d’une contenance de 100 Kg d’oxyde d’uranium, à Joliot, respectant la promesse de la première livraison de 5 tonnes de minerai. En mai, les 3 autres tonnes seront également livrées, ainsi qu’un prêt de plusieurs grammes de radium.

     Quelques semaines avant l’attaque allemande, Frédéric Joliot avertissait par lettre le directeur de l’UMHK, Gustave Lechien, que la société à naître avait déposé les brevets n° I et n° II dans 26 pays dont la Grande-Bretagne, l’Allemagne et les Etats-Unis. Quand au brevet n° III, il ne fut porté officiellement à la connaissance d’aucune puissance étrangère. Ce n’est que le 30 avril 1946, qu’il fut enregistré aux Etats-Unis, alors que la bombe américaine avait déjà presque un an d’existence !

     IV.      TRAQUE A LA REACTION EN CHAINE DIVERGENTE

     Les vraies recherches pratiques sur la fission de l’uranium et la réaction en chaîne qui en découlait commencèrent dès la fin août 1939. La correspondance de Frédéric Joliot, nous apprend que dès le 23 août ces travaux s’effectuaient au Laboratoire de synthèse atomique du CNRS, au 57, rue Franklin à Ivry. Rappelons que Frédéric Joliot-Curie fut nommé professeur de physique au Collège de France et directeur du Laboratoire de physique atomique d’Ivry, en 1937.

     A la fin du mois de septembre notre scientifique écrivait à Raoul Dautry (1880-1951), polytechnicien, ministre de l’armement du cabinet Daladier, une lettre confidentielle disant ceci :

     « Monsieur le Ministre, faisant suite à notre récent entretien relatif à la libération de l’énergie atomique de l’uranium, je me permets de vous adresser ci-joint un rapport confidentiel sur cette  question : on sait depuis longtemps que les phénomènes de radioactivité et de transmutation naturelle ou provoquée s’accompagnent d’un dégagement d’énergie plusieurs millions de fois plus grand que celui qui accompagne les réactions chimiques à égalité de masse transformée ».

     A titre de comparaison, un gramme d’uranium donnerait lieu à un dégagement énergétique de l’ordre de 20 millions de kilocalories soit l’équivalent de la combustion de 2,5 tonnes de charbon !

     De plus, Frédéric Joliot avançait, avec raison, que son équipe était la mieux placée pour entreprendre la séparation isotopique de l’235U. Il savait que cela prendrait un laps de temps relativement long et nécessiterait des dépenses d’installation et de personnel supplémentaire. Afin de convaincre Raoul Dautry, il lui expliqua :

     [qu’un] « un mélange convenablement constitué d’uranium et de deutérium, présente, dans l’état actuel de nos connaissances, toutes les conditions favorables au développement de l’énergie atomique ».

     Et d’ajouter prudemment :

     « n’ayant pas encore eu la possibilité de réaliser un tel milieu, nous ne pouvons être certain que ce dégagement aurait lieu mais, compte tenu des phénomènes qui nous sont déjà connus, nous ne voyons pas actuellement aucune cause susceptible de l’entraver ».

     Frédéric Joliot confirmera plus tard :

     « On peut dire que, jusqu’à l’effondrement militaire de 1940, les chercheurs français étaient en tête des chercheurs des autres pays en ce qui concerne la libération atomique […] Les premiers travaux commencés en France peu après janvier 1939 étaient déjà avancés en septembre de la même année et ils furent continués en secret pendant la guerre, jusqu’au début de juin 1940 ».

     La guerre éclate le 3 septembre 1939. Frédéric et son équipe sont mobilisés dans les laboratoires du Collège de France, lui, comme capitaine d’artillerie et chargé de la direction du Groupe I de Recherches scientifiques. Les travaux des atomistes français ne seront plus publiés à partir de cette date. Le 30 octobre, ils déposent un pli cacheté à l’Académie des sciences, reprenant les conclusions du dernier mois. Il ne sera publié qu’en 1949. Joliot comprend que la France n’aura pas les moyens d’entreprendre l’entreprise suggérée au ministre avant longtemps. Il faudra attendre la construction de l’usine de Pierrelatte en 1958. Aussi, préconise-t-il une solution plus simple appelée « méthode b de remplacement de l’hydrogène par le deutérium ». Il se met en quête d’obtenir les produits chimiques nécessaires pour réaliser l’expérience d’une réaction en chaîne divergente : l’uranium métallique et l’eau lourde.

     L’uranium métallique, il pourra l’obtenir auprès de la Metal Hybrides Inc., de Clifton dans le Massachusetts, qui vient de mettre au point un nouveau procédé. Il adresse sa demande au ministre :

      « Nous aurions besoin de 400 kg (d’uranium métallique), ce qui représente une dépense de 16.000 francs ».

     Nous avons vu que les neutrons susceptibles de fissionner les noyaux lourds devaient être ralentis pour obtenir des neutrons thermiques et que pour ce faire, Frédéric Joliot avait utilisé une plaque de paraffine. Avec son équipe, il entreprend une série de recherches sur l’utilisation d’autres matériaux hydrogénés et semble perplexe devant le choix d’un ralentisseur : carbone ou eau lourde. Il adopte en définitive l’eau lourde. Il leur en faudrait de 100 à 200 litres. La seule usine productrice se trouve en Norvège à Rjukan. Il s’agit de la Norsk Hydro-Elektrisk Kvaelstofaktieselskbab, dont le siège est à Oslo, et dont le capital comportait une importante participation française. A nouveau, Joliot estima le prix à payer :

      « Prix de vente pour 200 kg, 120.000 francs. Nous avons besoin de la totalité du stock ».

     V.       LA BATAILLE DE L’EAU LOURDE EST ENGAGEE !

     En mars 1940, Joliot va trouver le ministre de l’Armement, Raoul Dautry, pour tenter d’obtenir cette eau lourde « nécessaire à des expériences sur la libération brutale de l’énergie atomique, avec des effets dépassant infiniment ceux des explosifs les plus puissants ».

    Les Allemands sont déjà sur la piste et veulent s’emparer du stock norvégien. La Norvège est un pays neutre et le directeur de l’usine est réticent vis-à-vis des conquérants. La bataille de l’eau lourde est engagée !

     Un officier français du service des poudres, Jacques Allier, est chargé de ramener le précieux liquide quel qu’en soit le prix. Kowaski rencontre le militaire et lui remet un petit tube contenant du cadmium en lui disant :

      « Gardez sur vous ce tube de cadmium, et si les bidons d’eau lourde sont en danger, jetez-y un peu de cadmium : l’eau lourde deviendra instantanément inutilisable ».

     Un scénario digne d’Alfred Hitchcock est imaginé. L’officier, ayant pris le pseudonyme de M.A, reçoit deux ordres de mission, l’un de Dautry, l’autre d’Edouard Daladier, président du Conseil, et saute dans le train pour Amsterdam. Le Deuxième Bureau français capte un message radio allemand codé demandant aux agents secrets du Reich d’intercepter un certain M.A. D’Amsterdam, J. Allier prend l’avion pour Stockholm, où il se rend à l’ambassade de France. Il y engage trois officiers qui l’accompagnent à Oslo. De là, les quatre comparses rejoignent M. Aubert, le directeur de l’usine de Rjukan qui leur est d’emblé acquis.

     « L’affaire est conclue, annonce-t-il. Vous rentrerez en France avec tout notre stock d’eau lourde : 185 kilos. La totalité de la production ultérieure de l’usine sera désormais réservée à la France. Gracieusement ».

    L’eau lourde transvasée dans des bidons est acheminée vers Oslo où elle partira en avion. Le commando de M.A loue des places dans deux avions afin de duper les Allemands à leur poursuite : le premier à destination d’Amsterdam, tandis que le second volera vers l’Ecosse. La voiture transportant le précieux chargement se place sur la piste entre les deux appareils. Allier, ostensiblement, monte dans l’avion pour Amsterdam, tandis que secrètement ses comparses chargent les bidons dans l’autre aéroplane. Au dernier moment, M.A saute dans l’avion qui va en Ecosse.  Le premier appareil est contraint d’atterrir à Hambourg, pris en chasse par l’aviation allemande, tandis que l’officier britannique et l’eau lourde arrivent à Edimbourg, puis à Paris le 16 mars.

     VI.      LA RETRAITE ET LA FUITE EN ANGLETERRE

     Les événements se précipitent. Daladier démissionne pour des raisons politiques et est remplacé par Paul Reynaud (1878-1966) qui continue à soutenir les savants. Le 16 mai, l’armée française est écrasée sur la Meuse. Il est conseillé à Joliot et son équipe de se replier avec le matériel dans le Midi de la France. L’eau lourde prend le chemin de l’exode à bord d’une Peugeot conduite par Halban. Première étape, la Maison d’arrêt de Riom dans la Drôme. Raoul Dautry téléphone à Jacques Allier qui couvre l’expédition :

     « On doit tout faire pour que l’eau lourde ne tombe pas aux mains des Allemands. Il faut à tout prix qu’elle soit mise à la disposition des Alliés. Organisez son évasion ».

     Le précieux liquide est transféré du cachot où il était entreposé dans une camionnette. Halban reprend le volant tandis que Kowarski se couche sur les bidons. Prochaine étape, Clermont-Ferrand où les Joliot-Curie ont réinstallé un laboratoire de fortune. Fred et Irène les reçoivent. Malheureusement Allier apporte de mauvaises nouvelles. L’avance allemande est imminente. Le 14 juin 1940, Paris est déclarée ville ouverte et l’ennemi s’apprête à l’occuper. L’équipe décide de se replier sur Bordeaux où les rejoint Joliot. Il fait embarquer, à bord du navire charbonnier britannique, le Broompark, le stock mondial d’eau lourde, soit 185,5 Kg enfermés dans 26 bidons. Il laisse partir ses deux collaborateurs, Hans Halban et Lew Kowarski, tout deux d’origine juive, après leur avoir remis les plis cachetés de l’Académie des sciences. Ils ont un ordre de mission signé par Jean Bichelonne (1904-1944), chef du cabinet, pour le ministère de l’Armement. Joliot reste à quai : il a encore une mission à remplir. Le bateau quitte Bordeaux le 18 juin en direction de l’Angleterre qu’il atteindra sans encombre, malgré les nombreux dangers, le 22 juin 1940. Pour la petite histoire, le capitaine du navire, aux allures de pirate, est le vingtième comte de Suffolk. Il est chargé de ramener en Angleterre tout ce qui peut servir à son pays. Il incite Joliot à monter à bord. Heureusement, un bombardement précipite le départ. Si le savant était monté pour faire ses adieux à ses collaborateurs, le capitaine l’aurait empêché de redescendre.

     VII.       LE RECIT DU SCENARISTE JEAN MARIN[2]

     Cet épisode donna lieu à un film français qui sorti sur les écrans le 1 septembre 1948 : « La Bataille de l’eau lourde ». Le scénariste Jean Marin avait appris par hasard, à Londres, en août 1945, les détails de l’épopée qui amena les Britanniques à faire sauter l’usine de Rjukan. Comprenant l’importance de ces faits pour l’histoire de la Seconde Guerre Mondiale, il partit, en février 1946, pour la Norvège afin de retrouver les protagonistes de l’affaire et compléter sur place ses informations. Il retrouva, un à un, les hommes qui avaient participé aux commandos. Avec eux, il refit les itinéraires qu’ils avaient suivis, il revécut leurs aventures et pût puiser, à la source même, des renseignements précieux et précis. De retour à Oslo, il apprit, à l’ambassade de France, qu’il y avait eu un prologue à l’affaire de Norvège. Rentré à Paris, il alla trouver le professeur Frédéric Joliot-Curie et retrouva Raoul Dautry qui, en 1940, avait été ministre de l’Armement, et obtint d’eux le récit de ce qui s’était passé en 1939-1940 dans la première phase de la bataille de l’eau lourde. Muni de toutes ces données, il écrivit un récit dont fut tiré le scénario du film. Celui-ci, sous la conduite de Jean Dreville et Titus Wibe Muller fut interprété par les acteurs même de cette histoire, à l’exception du professeur Tronjstadt tombé par la suite dans le maquis.

     Je pense que le mieux est de laisser la plume à Jean Marin.

    Eau lourde-2

    Fig. 86- Parachutage des hommes de « Gunnerside »

      I

     POUR ASSURER A LA FRANCE LE MONOPOLE DE L’EAU LOURDE

     Avril 1939. Un clair soleil printanier, qui faisait étinceler les lettres d’or inscrites au fronton du Collège de France, baignait de clarté les lourdes boiseries de la bibliothèque où le professeur Joliot-Curie s’entretenait avec ses amis Kowarski et Halban, qui étaient aussi ses intimes collaborateurs.

    – Nous ne connaissons pas encore, disait Joliot-Curie, les produits susceptibles de permettre la désintégration massive et contrôlée de l’atome d’uranium. J’espère que nous les connaîtrons bientôt.

    Sa voix grave se fit soudainement plus chaleureuse, presque enthousiaste :

    – Ce jour-là, nous serons maîtres d’une immense réserve d’énergie. Grâce à elle, la science, la civilisation tout entière, avanceront à pas de géant. Mais, la situation politique est tendue…

    Un silence, pendant lequel le Maître et ses collaborateurs évoquèrent les mêmes catastrophes possibles. Joliot-Curie reprit :

    – Pourtant, je me refuse à croire que cette nouvelle conquête de l’esprit humain ne pût servir qu’à une œuvre de mort.

    Il faut de l’eau lourde

     Sept mois ont passé. Dans le même décor où ne pénètre plus que la pâle clarté d’un jour pluvieux d’automne, les trois mêmes hommes sont de nouveau réunis. Les événements internationaux ont fait leur chemin : c’est la guerre ! Les recherches des savants ont, elles aussi progressé : Joliot-Curie et ses deux fidèles collaborateurs connaissent à présent les produits susceptibles de permettre « la désintégration massive et contrôlée de l’atome d’uranium ».

    Dans les deux grands yeux noirs qui illuminent le visage ascétique de Joliot-Curie, se lit une intense concentration.

    – Le moment est venu, dit Joliot, de faire notre choix : le carbone ou l’eau lourde. Car nous savons maintenant que ces deux produits permettent la désintégration de l’atome d’uranium. Le carbone ferait sûrement l’affaire ; et ce serait le procédé le plus pratique.

    – Oui, mais le plus incertain et aussi le plus lent, interrompit Kowarski dont la for­midable carrure de géant faisait craquer la chaise de bois où il se balançait.

    « Il est certain qu’avec l’eau lourde, l’opé­ration serait menée plus rapidement. Mais l’eau lourde est rare. Combien en avons­-nous ? »

    Un rapide sourire court sur les traits fins du visage d’Halban, qui de sa voix douce et posée répond :

    – Une cinquantaine de grammes, et il nous en faudrait, plusieurs milliers de litres.

    – C’est entendu, mais 100 ou 200 litres suffiraient pour une expérience décisive… L’usine productrice doit les posséder. Malheureusement, il n’en existe qu’une et vous savez comme moi que c’est l’usine de Rjukan, en Norvège, pays neutre…

    Ainsi, l’eau lourde – ou en termes plus savants l’oxyde de Deuterium – contenue en quantité infinitésimale dans la masse de l’eau ordinaire, faisait une sournoise apparition dans l’histoire du monde, dans l’histoire de l’Europe en guerre.

    Chacun, parmi les gens bien informés, en mesurait déjà les stupéfiantes ressources, les prodigieuses possibilités. Si les Français étaient encore en tête dans cette course à l’énergie atomique, les savants du Troisième Reich les serraient de près. De si près même qu’un jour du début de 1940, le 2° Bureau faisait savoir au Gouvernement de Paris que des émissaires allemands venaient de se rendre en Norvège pour tenter de s’assurer la disposition du stock d’eau lourde existant en effet à l’usine de Rjukan.

     Conseil de guerre secret

     Dans le silence feutré de l’HôteI Majestic, un civil et un militaire sont assis en face de Raoul Dautry, ministre de l’Armement. Sur les arbres de l’avenue Kléber, en ce jour de mars 1940, le printemps parisien fait une timide apparition.

    – Les dernières informations de nos agents sont formelles, dit Dautry, formelles et alarmantes. L’Allemagne a dépêché en Norvège des émissaires chargés d’acheter à tout prix tout le stock d’eau lourde existant. Heureusement, ces émissaires se sont montrés jusqu’à présent assez maladroits : ils ont demandé que l’usine de Rjukan s’engage à réserver au Reich la totalité de la production à venir pendant plusieurs années. De­ plus, ils se sont refusés à donner toute ex­plication sur l’usage que l’Allemagne entend faire de telles fournitures.

    Sur le visage du civil passe une expression d’inquiétude, presque d’angoisse.

    – Rassurez-vous, mon cher Joliot-Curie – précise Raoul Dautry – tout cela pour le moment n’a eu aucune suite : le grand patron de l’usine de Rjukan, Aubert – c’est un Norvégien de lointaine origine française – nous a fait prévenir. Il gagne du temps en maintenant sa demande d’explication. ­Mais dans quelques jours, il devra fournir une réponse… Il nous faut donc agir très vite.

    Joliot-Curie se tourne vers son voisin, un officier du Service des Poudres, à qui Dautry s’adresse maintenant.

    – C’est vous qui, allez être chargé, comme vous l’avez demandé, de partir clandestine­ment pour la Norvège et de nous en rame­ner à tout prix l’eau lourde. Vous connaissez le pays, et il se trouve que depuis longtemps déjà, par vos activités du temps de paix, vous avez la confiance amicale de M.Aubert.

    Quand aux risques matériels de l’opération, je pense qu’il est inutile que je les précise davantage…

    Derrière le cristal des lunettes, le regard clair de l’officier des Poudres (M.A.) conserve sa tranquillité un peu ironique :

    – Parfaitement inutile, en effet. Je demande seulement une complète liberté d’initiative et de manœuvre.

    – Vous aurez tous pouvoirs : c’est le Président du Conseil lui-même qui va établir pour vous un ordre de mission exceptionnel, comme on n’en a jamais vu. Sur cet ordre de mission, votre nom restera en blanc aussi longtemps que vous le jugerez utile.

    Un huissier annonce à voix basse deux nouveaux visiteurs.

    Halban et Kowarski sont rapidement mis au courant de la conversation. Le Ministre les invite à donner à M.A. les dernières indications techniques dont il pourrait avoir besoin. La large main de Kowarski tend vers celle de M.A. un petit tube de métal.

    – Gardez toujours sur vous ce tube de cadmium : si les bidons d’eau lourde sont en danger et que vous n’ayez pas le temps de les éventrer, jetez-y un peu de cadmium : l’eau lourde deviendra instantanément inutilisable.

    Raoul Dautry enchaîna :

    – L’enlèvement de l’eau lourde n’est qu’une partie de votre mission. Vous vous efforcerez en même temps d’obtenir des accords pour la production à venir. Là où l’Allemagne vint d’échouer, vous devez réussir. Mais faites vite : tout indique qu’une prochaine attaque de l’Allemagne sur la Norvège n’est pas impossible… Par ailleurs, le 2e Bureau a déjà reçu des ordres pour votre protection au cours du voyage.

    Une légère hésitation se lit dans sa voix lorsque le Ministre de l’Armement se tourne vers Joliot-Curie, lui demande :

    – N’avez-vous pas d’autres suggestions à faire ?

    Tout à coup, sur ce bureau, jusque-là animé par une vive conversation, tombe un silence embarrassé. Raoul Dautry le rompt :

    – M. Kowarski, M. Halban, votre concours si efficace nous a été dans le passé, nous est, nous sera encore infiniment précieux. Je tiens à vous en remercier de nouveau. Cependant, nous voilà engagés dans des circonstances exceptionnelles et je… enfin, je…

    Plein de bonne humeur Halban et Kowarski s’inclinent devant Dautry en signe d’appréciation et disent en même temps :

    – Monsieur le Ministre, nous vous sommes très reconnaissants…

    L’atmosphère s’est détendue et c’est du ton le plus naturel que Joliot-Curie ajoute, s’adressant au Ministre de l’Armement avec un sourire complice :

    – Ces Messieurs vous sont très reconnaissants d’être autorisés par vous à prendre quelques semaines de repos en dehors de Paris. Kowarski, qui aime la géologie, se propose d’aller en faire un peu autour des murs de la citadelle de Belle-île-en-Mer. Quant à Halban, dont la santé est plus fragile, il ira faire une cure sur les chemins de ronde du fort de Porquerolles.

    Avec beaucoup d’élégance et de simplicité, Korwaski et Halban avaient évité que fut posée par d’autres que par eux-mêmes la question des précautions d’usage. En plein Paris, venait de se jouer l’acte jusque-là le plus secret de la nouvelle guerre secrète.

     II

     « VOUS AUREZ TOUT MON STOCK… » DIT LE DIRECTEUR DE L’USINE

     Quarante-huit heures plus tard, M.A. est prêt à partir. En définitive le Gouvernement lui a remis deux ordres de mission, l’un, signé Dautry, qui atteste que M.A. a pour mission de mener des négociations secrètes pour le compte du Gouvernement français dans un pays dont le nom ne sera spécifié qu’à l’arrivée du porteur (le document exige que toutes facilités lui soient données, sur sa simple demande sans même qu’il ait à faire connaître l’objet de sa mission) ; l’au­tre, porte la signature d’Edouard Daladier, Président du Conseil des Ministres, autori­sant M.A. à conclure au nom du Gouverne­ment de la République l’accord projeté.

    Dans sa serviette de cuir noir M.A glisse encore, deux lettres : une lettre de Daladier à M.A. qui ne sera utilisée que si l’usine de Rjukan ne consent plus à la vente d’une partie seulement du stock d’eau lourde, et une lettre de crédit d’un million 500.000 couronnes norvégiennes, soit 36 millions de francs…

    Sous les verrières de la gare du Nord, l’express d’Amsterdam se met doucement à rouler. Dans un coin de compartiment, le bras pressé sur sa serviette, M.A se remé­more les détails de son itinéraire : Paris – ­Amsterdam par le train, Amsterdam – Malmöe en Suède par l’avion qui volera au large des côtes d’Allemagne, ensuite le train jusqu’à Oslo, et, après, l’Aventure…

    Pendant que derrière la glace du wagon défi1ent les paysages du Nord, M.A. se répète le nom d’emprunt qu’il a choisi et sous lequel le verront passer les frontières. A ce moment précis, à Paris; le 2e Bureau capte et déchiffre un message radio allemand qui enjoint aux agents secrets du Reich d’inter­cepter à tout prix un suspect français du nom de… et le message donne le nom d’emprunt de M.A…

     Premières étapes : Stockholm, Oslo

     Au-dessous de l’avion de ligne suédois qui vient de survoler la Mer du Nord, le Danemark éparpille ses îles ; et soudain au-delà des eaux bleues de l’Oresund, c’est Malmöe. M.A. est en Suède

    C’est à la Légation de France à Stockholm que l’Officier du service des Poudres, engagé dans la clandestinité, va vérifier pour la première fois le surprenant pouvoir de ses ordres de mission. Plus puissant qu’un Mi­nistre en voyage, il tient à la Légation un petit conseil de guerre. Ses instructions sont précises : deux des officiers adjoints à notre attaché militaire vont partir immédiatement pour Oslo où ils se rendront à son premier appel. Ils se feront accompagner d’un troi­sième personnage : un courrier de cabinet.

    A mesure que l’échéance se rapproche, M.A., qui mûrit secrètement son plan d’ac­tion, sait qu’il lui faudra, pour le mener à bien, compter sur l’intelligence et peut-être sur la force physique de plusieurs compa­gnons. Les trois hommes qu’il a ainsi choisis ignorent tout de la personnalité et des in­tentions de leur chef tombé du ciel.

    Le même scénario se répète à Oslo où M.A. est arrivé sans encombre. Là encore, le Ministre plénipotentiaire voit se présenter à lui un petit homme frêle et courtois qui le prie fermement de se mettre avec son personnel et sa Légation à son entière dis­position. Comme le diplomate voudrait en savoir un peu plus long, M.A. s’excuse avec une exquise urbanité, mais en termes définitifs, de ne pouvoir rien lui en dire…

    Par la haute fenêtre de la pièce où ils conversent, M.A. désigne un petit pavillon au fond du jardin :

    – J’aurai sans doute besoin de ce pavillon. Ayez l’obligeance, Monsieur le Ministre, de faire de telle sorte qu’il me soit, pendant quelques jours, rigoureusement réservé.

    A l’usine de Rjukan

    Eau lourde-1 Maintenant le drame va s’engager. M. A. dans le bureau de M. Aubert, directeur de l’usine de Rjukan, entre de but en blanc dans le sujet.

    D’abord, il se contente de parler en termes vagues des recherches scientifiques françaises. Il se sait l’hôte d’un pays très sensible sur le chapitre de la neutralité. Il demande d’acheter le stock d’eau lourde. Il ne parle pas de son éventuelle utilisation à des fins de guerre. Son interlocuteur lui est peut-être reconnaissant de sa discrétion…

    Dehors, Oslo offre le charmant spectacle d’une grande ville de sports d’hiver encore enneigée, capitale d’un pays épargné par la guerre.

    M.A. dont le cœur bat un peu, croit faire un rêve lorsqu’il entend M. Aubert lui dire d’une voix unie :

    Fig. 87 – Un des quatre de « Swallow »

    « L’affaire est conclue. Vous rentrerez en France avec tout notre stock d’eau lourde, soit 185 kilos. »

     Il part aussitôt pour l’usine de Rjukan. Il y arrive à la nuit tombée : devant lui se dresse au milieu des montagnes à peine aperçue dans l’obscurité, l’usine de Rjukan.

     Sept étages de béton et d’acier, percés de vives lumières; l’énorme machinerie élec­trique ronronne doucement.

    Je suis heureux que ce soit pour la France

     M.A. est un familier des lieux et des hommes : il retrouve aussitôt un vieil ami M. Nielsen, le technicien qui dirige sur place l’exploitation. Sous le sceau du secret, il lui expose le marché qui vient d’être conclu :

    – Cela prouve au moins que les Alle­mands n’auront pas l’eau lourde et rien ne pouvait me faire un plus grand plaisir, déclare M. Nielsen, qui, tout neutre qu’il soit, ne cache pas sa sympathie pour les Alliés.

    M. Aubert s’est rendu à son tour à l’usine de Rjukan. Tandis que l’on prépare le départ de l’eau lourde, M.A. patiemment, passe petit à petit au second acte de ses négocia­tions. Il y réussit encore : M. Aubert, qui vient de préciser que tout le stock d’eau lourde sera prêté gratuitement à la France jusqu’à la fin de la guerre, ajoute :

    – La totalité de la production ultérieure ­de l’usine, qui d’ailleurs peut être décuplée, sera désormais réservée à la France.

    C’est le moment que choisit M.A. pour exposer à M. Aubert la portée des recher­ches de Joliot-Curie et leur incidence sur d’éventuels moyens de guerre…

    – Je souhaite quant à moi, répond M. Aubert avec une grande simplicité, que l’expérience dont vous m’avez entretenu réussisse. Si plus tard la France devait par malheur perdre la guerre, je serai fusillé pour avoir fait ce que je fais aujourd’hui. Je cours ce risque avec fierté.

    Son regard se perd parmi les petites mai­sons claires et quiètes de Rjukan dominées par la grande flamme rouge et bleue du dra­peau norvégien : ce matin, les journaux parlent avec insistance de préparatifs alle­mands au bord de la Baltique.

     L’eau lourde est enlevée

     Ouvriers et ingénieurs vaquent comme d’habitude à leurs occupations silencieuses dans les vastes salles de l’usine bétonnée, au fond de laquelle, après l’électrolyse, l’eau lourde se concentre lentement.

    – Ne craignez rien, le secret sera bien gardé, dit M. Nielsen, mis en gaîté par le rôle qu’il va jouer. En dehors de M. Aubert et de vous même, je serai le seul ici à savoir que l’eau lourde est partie. C’est moi-même­ qui vais la mettre en bidons et qui placerai les bidons dans ma voiture. Je le ferai cette nuit car, moi, j’ai le droit de pénétrer à n’importe quel moment à l’intérieur de l’usine.

    La nuit est venue. Deux phares s’allument dans la cour de l’usine de Rjukan. Des gar­diens du service de sécurité sortent de leur poste ; ils ont reconnu la voiture de leur directeur, la grille s’ouvre. Ballottés par les cahots sur la neige encore dure, les bidons d’eau lourde roulent clandestinement vers Oslo…

     III

     LE PRECIEUX PRODUIT ARRIVE EN FRANCE, MAIS C’EST L’INVASION DE 40

    Eau lourde-3Et dire que nous ne saurons sans doute jamais ce qu’il y a dans ces bidons.

    M.A. penché sur la table qu’il a fait apporter dans le petit pavillon de la Léga­tion du jardin, lève les yeux et sourit :

    – Vous saurez un jour… plus tard.

    Devant lui, les deux officiers venus de Stockholm et le courrier de cabinet exécu­tent aveuglément leurs missions. Le long du mur sont alignés les bidons métalliques. On passe à M.A. une poignée de télégram­mes qui viennent d’être déchiffrés:

    – Je renoncerai donc au contre-torpilleur. J’avais, pensé en faire venire un de Brest ou de Cherbourg jusqu’à un rendez-vous secret sur la côte norvégienne, mais l’opération serait trop délicate.

    Fig. 88 – Contact avec Londres

    Il est interrompu par l’un des officiers qui est allé faire le tour du pavillon et qui, à voix basse, rapporte que les fenêtres de la plus proche maison sont éclairées et que des ombres passent derrière les rideaux. Le malheur c’est que cette maison voisine abrite le 5e Bureau de la Légation du Reich à Oslo.

    Dehors, contre le mur, un bruit léger, un glissement. M.A. prend dans sa main le tube de cadmium. Un revolver est braqué sur le flanc lisse des bidons. De nouveau c’est le silence. Quelques passants sans doute…

    Le plan de l’enlèvement de l’eau lourde est définitivement arrêté, elle partira en avion. Chacun des trois collaborateurs de M.A. a reçu sa mission particulière. L’un d’eux est allé cet après-midi sur l’aérodrome d’Oslo répéter le scénario. Toujours dans les mêmes conditions de secret et d’ignorance, toujours grâce aux ordres de mission extraordinaires, quelques contacts indispen­sables ont été pris : pour ceux qui en ont fait l’objet, le mot d’ordre est simple : « Ne s’étonner de rien et laisser faire. »

     Le coup des deux avions

     Entouré de ses compagnons, M.A. dans la boîte de nuit la plus courue d’Oslo veille tard et joue les personnages sans soucis. L’aube le trouve avec l’un de ses officiers sur la piste de l’aérodrome. Des mécaniciens s’affairent autour de deux avions de ligne qui portent l’un les couleurs hollandaises, l’autre les couleurs britanniques : les avions qui font le service d’Amsterdam et l’Ecosse. Celui-ci doit décoller le premier ; déjà ses voyageurs s’installent dans les fauteuils. M.A. et son compagnon sont toujours sur la piste, tout près de l’avion d’Amsterdam qui partira plus tard. Les hélices de l’avion d’Ecosse se mettent à tourner.

    Soudain, à la barrière de l’aérodrome, un taxi arrive à toute vitesse ; les freins grin­cent, à la portière un homme crie qu’on le laisse passer. Le taxi pénètre sur le terrain et vient se placer exactement entre les deux avions en partance. Son passager en descend et se dirige vers l’avion hollandais portant deux énormes valises. Il fait tout d’un coup demi-tour et lance dans l’avion d’Ecosse (le pilote avait été contacté la veille) ses deux valises… qui contiennent l’eau lourde (ou plutôt la moitié du stock, il accompa­gnera lui-même le reste le lendemain).

    A leur tour, M.A., sa serviette de cuir noir serrée sous le bras, et son compagnon s’engouffrent dans le même avion qui décolle aussitôt.

    Deux heures plus tard, l’avion d’Amster­dam était pris en chasse par l’aviation alle­mande qui le contraignait à se poser à Hambourg où la Gestapo ne trouvait rien de ce qu’elle recherchait.

    Les Alliés venaient de gagner le deuxième round !

    Les bidons arrivent en France

     Dans la cave du Collège de France, Joliot­-Curie qui vient de dénombrer les bidons arrivés là après le crochet d’Ecosse, serre silencieusement la main de M.A., toujours aussi paisible et qui ne pense plus qu’à remettre à Raoul Dautry en même temps que le précieux accord qu’il vient de signer à Oslo, les 36 millions que la générosité norvégienne avait rendus inutiles.

    Une note écrite de la main de Raoul Dautry constate : Joliot-Curie et moi fûmes bouleversés de joie : alors que nous ne dis­posions précédemment que de quelques di­zaines de grammes d’eau lourde, nous avions devant nous, placés dans des bidons d’apparence bien anodine, les 185 kilos de ce pro­duit qui avait pour nous une valeur inestimable…

     L’exode

     La drôle de guerre était finie.

    Comme si un mécanisme secret et tout­ puissant l’avait déclenchée, l’invasion alle­mande s’abat sur la Scandinavie; le Da­nemark est occupé. L’invasion gagne la Norvège comme une gangrène. Sur la petite place de Rjukan la flamme aux couleurs norvégiennes est remplacée par le drapeau à croix gammée ; le bruit des bottes alle­mandes retentit dans les halls de l’usine géante de béton et d’acier, mère de l’eau lourde.

    Dans le silence du Collège de France, Joliot-Curie poursuit ses travaux; Kowarski et Halban sont toujours auprès de lui… revenus de leurs vacances à Belle-Ile et à Porquerolles. L’invasion allemande s’étale comme une marée. Les routes de France, dans le soleil implacable de juin, voient passer sur leurs chaussées brûlantes les panzers d’Hitler qui chassent devant leurs chenilles le flot lamentable des réfugiés…

    Dans la petite rue en pente qui, au flanc de la montagne Sainte-Geneviève, longe le Collège de France, une conduite intérieure Peugeot est arrêtée : des aides de labora­toire achèvent d’y entasser les bidons d’eau lourde. Halban est au volant. Pour l’eau ­lourde aussi, c’est l’exode.

    Dépassant les colonnes de réfugiés ralen­ties par leurs chariots et leurs voitures d’en­fants, la Peugeot arrive à Riom. Elle s’égare, un peu dans les ruelles pour s’arrêter enfin devant une lourde porte à ferrures. Au fron­ton, on lit : Maison centrale. C’est la pre­mière étape, le premier asile précaire de l’eau lourde en fuite devant l’invasion allemande.

    Dans son bureau de l’Hôtel Majestic, Raoul Dautry vient d’obtenir M.A. au télé­phone : « Il faut tout faire pour empêcher que l’eau lourde ne tombe aux mains des Allemands… Il faut à tout prix qu’elle soit mise à la disposition des Alliés… Organisez son évasion… Etablissez tous les ordres de mission nécessaires. »

    Lointaine, la voix de M.A. répond : « Je suis déjà assuré du départ de Kowarski et d’Halban.».

    Un déclic : la communication est coupée; mais l’essentiel est fait.

    Kowarski et M.A. se retrouvent dans la cour de la prison de Riom. Les traits tirés par la fatigue et par l’angoisse, ils surveil­lent le va-et-vient d’un petit groupe de forçats vêtus de bure brune qui font passer­ les bidons d’eau lourde du cachot où ils étaient entreposés à une camionnette qui attend devant la lourde porte entr’ouverte.

    L’exode va reprendre. Kowarski s’allonge sur les bidons. Quand la voiture démarre, l’impassible géant est déjà plongé dans la lecture d’un roman policier…

    De Clermont à Bordeaux

    La prochaine étape, c’est Clermont­-Ferrand. Une villa de meulières, un peu retirée, porte une plaque émaillée où on lit : « Clair Logis. »

    Un laboratoire de fortune y a été impro­visé. Joliot-Curie, Halban, Kowarski s’y trouvent encore une fois réunis. Mais cette fois, c’est pour se séparer définitivement. Le regard de Joliot-Curie est voilé d’affec­tueuse tristesse.

    – Et maintenant, dit-il, il va falloir quitter tout cela. Et ce sera à vous de recommencer… ailleurs.

    – A nous ?

    – Oui, je sais, c’est dur.Tous les trois, nous avons travaillé ensemble. L’expérience décisive est toute prête maintenant… mais vous avez montré tous les deux que, s’il le faut, vous pourrez continuer sans moi… et il le faudra peut-être. Tout à l’heure, vous partirez pour Bordeaux, avec l’eau lourde, vers l’Angleterre ou vers l’Amérique… quant à moi, il faut que je pèse toutes mes autres responsabilités. Pour vous la tâche est claire, partez tout de suite.

    Par la porte entr’ouverte, un aide de laboratoire passe la tête et dit :

    – Tout est chargé. Il y a de l’essence pour 500 kilomètres.

    – Voilà, dit Joliot-Curie, c’est fini ? Au revoir…

    Eau lourde-4

     Fig. 89 – La poursuite mortelle

     IV

     IL FAUT SAUVER LES BIDONS

     17 juin 1940, à Bordeaux

    Dans le port, le charbonnier anglais « Broonpark » vient d’être mis à la dispo­sition du ministère de l’Armement Britanni­que représenté dans cette ville en pleine confusion, sur ses quais encombrés de ma­tériel et de réfugiés, par l’illustre Lord Suffolk. Tout de suite, il fait monter à bord l’eau lourde, avec Kowarski et Halban.

    C’est la nuit, les ténèbres sont déchirées par les éclairs d’un bombardement aérien. Le lendemain, d’autres savants, d’autres techniciens français montent en hâte à bord du « Broonpark »…

    Le soir, la radio du port capte une émis­sion de Londres : un général français, le général de Gaulle, appelle tous ses compa­triotes à s’unir à lui dans la lutte, dans la Résistance.

    Le grand voyage

    Au fond des cales du « Broonpark » sont alignés les bidons contenant l’eau lourde que la France donne à ses alliés pour qu’ils poursuivent les recherches. Le charbonnier a fait le plein de ses passagers. Des femmes et des enfants occupent les couchettes de l’équipage; les hommes sont allongés dans le poussier.

    Le matin du 19, le « Broonpark » com­mence à descendre vers la pointe de Graves et croise un convoi qui se forme. Les Alle­mands ont lancé des mines : à quelques encablures du « Broonpark », un navire qui vient d’en toucher une, donne de la bande et s’enfonce lentement…

    Au large des côtes de France, en route vers l’Angleterre, la menace aérienne se précise : de temps en temps les vigies signa­lent dans le ciel limpide les points noirs d’un vol d’avions allemands. Lord Suffolk fait construire un radeau : si le danger se précise, on y arrimera l’eau lourde, ainsi que le matériel de recherches qu’Halban et Kowarski ont amené; on tentera de les sau­ver, au moins de les détruire à coup sûr.

    Les avions ennemis paraissent de plus en plus nombreux ; on enlève les chambres à air des voitures, on les distribue aux passa­gers en guise de bouées de sauvetage.

    Enfin, dans la matinée du 21 juin, les falaises blanches de Fallmouth se dressent au bord de la mer immobile : l’eau lourde est sauvée, elle a trouvé un refuge dans la dernière citadelle du camp des alliés anglais.

    Un à un, précautionneusement, les bidons de métal sont retirés des cales du « Broon­park ». Leurs flancs lisses avaient déjà reflété bien des paysages, de la Norvège, de l’Ecosse, de Paris, des provinces françaises, des paysages marins tourmentés par la guerre. Maintenant, le cloître des labora­toires de Cambridge va les abriter, leur pré­cieux contenu va servir à des expériences, peut-être décisives. Sur la route de Cam­bridge, ils s’arrêteront encore une fois, les caves voûtées du château de Windsor seront leur premier abri en Angleterre…        .

    Ainsi le stock d’eau lourde était sauvé. Mais déjà, au milieu des montagnes de Télémark, l’usine géante de Rjukan recevait la visite de militaires et de savants allemands qui faisaient sonner bien haut leurs exi­gences… […]

     Ý

     Nous continuerons ce passionnant récit dans le chapitre suivant consacré à la destruction de l’usine.

     On peut relever que cet épisode rocambolesque a également servit de trame à un autre film, plus récent : « Bon voyage » du réalisateur Jean-Paul Rappeneau (17/9/2003) qui y prend des libertés avec la réalité. En juin 1940, à l’hôtel Splendid de Bordeaux, se pressent dans un désordre indescriptible, ministres, journalistes, grands bourgeois, espions de tous bord. Echouent également dans la ville une voiture avec un scientifique, sa collaboratrice (Virginie Ledoyen), le chauffeur et le stock d’eau lourde, qu’ils cherchent à faire passer en Angleterre. On y trouve le ministre qui passera du côté de Vichy (Gérard Depardieu), ainsi qu’une célèbre actrice capricieuse et insouciante (Isabelle Adjani) et deux jeunes gens échappés de prison (Yvan Attal et Grégori Dérangère) qui s’impliqueront pour sauver le savant et son précieux chargement des griffes de l’espion allemand (Peter Coyote) chargé de les récupérer.

     
     
    VIII.   POURQUOI JOLIOT-CURIE EST-IL RESTE EN FRANCE ?
     
    Reprenons la suite des événements.

    Dans les jours qui suivirent, Joliot réussit à cacher 7 tonnes d’oxyde d’uranium dans les cales du Massilia en partance pour le Maroc, où elles seront entreposées dans une galerie de mine désaffectée, tandis que 9 tonnes de ce même minerai étaient stockées dans un wagon que l’on retrouva au Havre à la Libération. Ainsi, la totalité du minerai confié par l’UMHK fut mise à l’abri durant les quatre années de guerre.

     Pourquoi Joliot n’a-t-il pas suivi ses compagnons ? Plusieurs facteurs ont dû l’inciter à rester : il est persuadé que l’invasion allemand ne sera pas éternelle et il veut sauver pour l’avenir ce qui peut l’être ; Irène est gravement malade et ses enfants sont en Bretagne. Pour toutes sortes de raisons mêlées, la tradition, la famille, les honneurs, la tentation pacifiste, Frédéric Joliot restera en France.

     Des archives américaines classées top secret montrent que les Alliés trouvaient la position de Frédéric assez ambiguë. Pour eux, ni raisons idéologiques, ni raisons familiales ne pouvaient justifier le refus d’exil du savant. De plus ils croyaient qu’il avait envoyé ses deux collaborateurs pour ses seuls intérêts personnels :

     « Joliot donna instruction à Halban et Kowarski d’aller en Angleterre et de se mettre au service du gouvernement britannique ».

     N’oublions pas qu’ils avaient un ordre de mission manuscrit de Bichelonne :

     « MM. Halban et Kowarski accompagnés de Mmes Halban  et Kowarski et de deux enfants en bas âge monteront à bord du vapeur Broompark à Bassens (Gironde). Ils sont confiés à M. le comte de Suffolk et Berkshire, afin de poursuivre en Angleterre les recherches entreprises au Collège de France, et sur lesquelles sera observé un secret absolu. [,,,] MM. Halban et Kowarski se présenteront à Londres à la mission française (Colonel Mayer), 2 Dean Stanley Street, Westminster House ».

    Signé « Pour le ministre et par son ordre, pour le secrétaire général des fabrications. Le chef de cabinet ».

     Ironie du sort, le chef de cabinet Bichelonne deviendra ministre dans le gouvernement de Vichy ! Un futur collaborateur du Maréchal Pétain a signé un ordre de mission permettant à deux physiciens français de poursuivre des recherches atomiques qui visaient à vaincre Hitler.


    [1]  Voir la partie « Fission nucléaire et réaction en chaîne ».

    [2]    Le texte est tiré de « Lisez-moi Aventures » N° 1 – 15 mai 1948, pp. 1-8.

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    XII- Fission et réaction en chaîne

    I.           INTRODUCTION

     Dans la partie précédente, j’ai évoqué le cheminement intellectuel qui avait amené Otto Hahn et Fritz Strassmann  à soupçonner  la fission du noyau d’uranium sous l’effet d’un bombardement neutronique. Je voudrais reprendre plus en détail l’histoire de cette découverte d’une importance capitale, car elle déboucha sur la production de l’énergie nucléaire, et des conséquences qu’elle implique.

     

    II.           OTTO HAHN, INVENTEUR DE LA FISSION NUCLEAIRE

     Otto Hahn est le chimiste à qui on attribue la découverte de la fission nucléaire pour laquelle il reçut le prix Nobel de chimie en 1944. Nous avons vu, dans le chapitre précédent, que celle-ci est le fruit d’une intuition géniale et qu’elle était déjà, depuis quelque temps, dans l’air.

    Otto Hahn vit le jour le 8 mars 1879 à Francfort. Il étudie à l’Université de Marburg puis à celle de Munich, où il obtient son doctorat de chimie en 1879. Après une thèse de chimie organique, Hahn entreprend une série de recherches, d’abord avec Ramsay à Londres, où il découvre le radiothorium, puis avec Rutherford à Montréal, où il isole le thorium et le radioactinium en 1905. L’année suivante, il obtient un poste à l’Institut de l’Université de Berlin, où il est nommé professeur en 1910. En 1912, il prend la direction de la section radioactivité. Enrôlé dans l’armée durant la Première Guerre mondiale (1914-1918), notre scientifique interrompt ses recherches. Il les reprendra après le conflit avec Lise Meitner comme collaboratrice. Ils identifient le protactinium. Lors de la fuite de Lise vers la Suède, elle sera remplacée par Fritz Strassmann qui incite Otto Hahn à reprendre les expériences d’Irène Joliot-Curie et de Paul Savitch. Le 25 octobre 1938, O. Hahn écrit à Lise Meitner :

    « Nous sommes en train de les reproduire [les résultats des Français] et nous croyons maintenant à leur réalité ».

    Les deux Allemands espèrent mettre en évidence plusieurs isomères du radium qui par radioactivité β, donnent des isotopes de l’actinium. Leurs résultats sont publiés au début de novembre. Le 13 novembre, Hahn rencontre secrètement son ancienne collaboratrice à Copenhague. Celle-ci n’est pas satisfaite des conclusions : trop d’isomères et réaction de production du radium peu crédible !

    L’équipe allemande reprend ses séparations chimiques avec plus de rigueur. Malgré leur obstination à vouloir trouver dans les précipitations fractionnées du radium, c’est la radioactivité du baryum qui demeure. Le 19 décembre au soir, Hahn écrit à nouveau à Meitner :

    « Toujours davantage nous arrivons à la terrible conclusion : nos isotopes du radium se comportent non pas comme du radium, mais comme du baryum […] Peut-être peux-tu proposer quelque explication fantastique. Nous savons bien nous-même qu’en principe il ne peut pas éclater en baryum […] ».

    Le 22 décembre, ils envoient une publication à la revue Naturwissenschaften, dans laquelle ils disent qu’en tant que chimistes ils étaient conduits à conclure qu’ils avaient affaire à des radiobaryum et des readiolanthane, éléments beaucoup plus légers que l’uranium :

    « Il ne s’agit pas de radium, mais de baryum […]. Si nos isotopes du radium ne sont pas du radium, alors les isotopes de l’actinium ne sont pas non plus de l’actinium, mais devraient être du lanthane […] ».

    La masse du baryum est pratiquement la moitié de celle de l’uranium. Seule la fission de ce dernier  pouvait expliquer le phénomène. Hahn et Strassmann publient leurs résultats qui paraîtront le 6 janvier 1939, mais hésitent encore à faire le pas décisif :

    « Comme chimistes nucléaires relativement proches des physiciens, nous ne pouvons encore franchir ce grand pas qui va à l’encontre de toute l’expérience passée de la physique nucléaire ».

    Ils envoient immédiatement une copie de leur article à Lise Meitner qui la recevra le 19 décembre. Le 10 janvier, Hahn et Strassmann observent que le thorium subit également la fission ; les résultats sont envoyés à Naturwissenschaften le 28 janvier.


    III.         INTERPRETATION CORRECTE DU PHENOMENE

     Lise Meitner rencontre son neveu Otto Robert Frisch4 en décembre 1938 à Kungälv en Suède. Lors de leurs discussions, en réfléchissant à la lettre de Otto Hahn, et reprenant le modèle de la goutte de liquide (fig. 79), ils imaginent que le noyau d’uranium se comporte comme tel. Lorsqu’on lui donne un surcroît d’énergie, par capture d’un neutron lent par exemple, le noyau entre en vibration et se déforme. Les forces coulombiennes répulsives entre les 92 protons l’emportent au détriment des forces nucléaires attractives. La déformation s’accentue et le noyau présente une striction en son milieu avant de se scinder en deux fragments plus petits (fig. 79). Se rappelant le calcul de la masse des noyaux, ils se rendent compte de l’énergie dissipée lors de cette fission (de l’ordre de 200 MeV). Les deux savants font parvenir leur explication à la revue Nature qui sera publiée le 11 février.

     

    fission




















    Fig. 79 – Une goutte d’eau sphérique électriquement chargée conserve sa forme par suite d’une interaction complexe de la tension superficielle de l’eau, des forces de cohésion moléculaire de ses particules et des charges électriques qui y sont réparties. Une perturbation de ces conditions entraîne la scission de la goutte. Le comportement du noyau d’uranium est en quelque sorte semblable à celui de la goutte. A la suite de l’impact d’un neutron (A) le noyau devient instable (B), il s’étire (C) et se scinde en deux parties (D) qui s’écartent l’une de l’autre avec une immense énergie (E).



    IV.      CONFRONTATION DE DEUX TRADITIONS SCIENTIFIQUES

     Si l’on veut comprendre comment il a été possible à Lise Meitner et à son neveu Otto Robert Frisch d’interpréter correctement la découverte par Otto Hahn et Fritz Strassman de la fission nucléaire en décembre 1938, il faut se reporter au modèle de la goutte liquide du noyau. Cela s’est fait en deux étapes : la première, entre 1928 et 1935, aboutissant au résultat des travaux de George Gamov, Werner Heisenberg et C.F. von Weizsächer ; la deuxième de 1936 à 1938, donnant lieu aux résultats du travail de Niels Bohr et de ses collaborateurs. L’école de Berlin s’était centrée sur l’application du modèle de la goutte à des calculs du défaut de masse, c’est-à-dire, les aspects statistiques du modèle. L’école de Copenhague, quant à elle, s’était polarisée sur son application aux excitations nucléaires, soit aux aspects dynamiques du modèle. Lise Meitner, obligée de fuir Berlin en juillet 1938, partageait la tradition de l’école allemande, tandis que son neveu Frisch se raccrochait à celle de Copenhague. Lors de leur rencontre, ils allieront les deux traditions et élaboreront une nouvelle application du modèle de la goutte liquide qui permettra une interprétation correcte de la fission nucléaire.

     Les enseignements que l’on peut tirer de cette histoire sont à divers niveaux :

    • —D’abord, on peut se pencher sur la nature de la créativité scientifique et renvoyer le lecteur à l’analyse de l’acte créateur d’Arthur Koestler (1905-1983), dans laquelle il indique qu’il s’appuie sur la fusion de ce qu’il nomme les différentes « matrices » de pensée[1]. Je pense que quelque chose d’analogue s’est produite dans ce cas. Meitner et Frisch, lors de leur rencontre, s’appuyaient sur des concepts très différents d’un modèle nucléaire particulier, et ils comprirent qu’ils pouvaient les combiner d’une manière totalement nouvelle.
    • —Deuxièmement, nous pouvons apprendre quelque chose sur la vie extraordinaire de ces différents scientifiques.
    • —Enfin, les événements ou la situation politique peuvent influencer fortement le développement de la science. L’exil forcé de Frisch, juste après la promulgation de la loi sur le service civil nazi en avril 1933, et celui de Meitner après l’Anschluss de l’Autriche en 1938, ont permis cette rencontre historique.

    V.       DEMONSTRATION DE LA REALITE DE LA FISSION

     Nous avons vu précédemment qu’à l’annonce des résultats de Hahn et Strassmann, Frédéric Joliot, abandonnant ses divers travaux, voulait démontrer la réalité de la fission, sans connaître les conclusions de Lize Meitner et de son neveu. Entre le 26 et le 28 janvier 1939, il entreprend une de ses plus belles expériences. Il comprend que la fission du noyau d’uranium doit libérer énormément d’énergie se retrouvant pour l’essentiel sous forme d’énergie cinétique des deux fragments plus légers. Dans un cylindre de laiton de 2 cm de diamètre sur 5 cm de longueur, et dont la paroi extérieure est recouverte d’une couche d’oxyde d’urane, il place une forte source de neutrons (radon-béryllium). L’ensemble est entouré d’un cylindre de bakélite distant de 3 mm de la couche d’oxyde d’urane. Il observe que la paroi interne du tube de bakélite reçoit un mélange d’atomes radioactifs correspondant aux fragments de fission. Remplaçant la source et le cylindre de laiton par un compteur Geiger-Muller, il peut en suivre l’évolution au cours du temps. C’est bien la preuve de la réalité de la fission (fig. 80). Ses résultats sont publiés le 30 janvier 1939 dans une note aux Comptes rendus de l’Académie des sciences.

    realitefission



    Fig. 80 – Fin janvier 1939, Frédéric Joliot obtient une preuve physique de la fission : dans un cylindre de bakélite, il bombarde de neutrons un cylindre en laiton recouvert d’une couche d’oxyde d’uranium. Les fragments issus de la fission de l’uranium se déposent sur l’intérieur du cylindre de bakélite et se désintègrent. Frédéric suit les périodes radioactives de ces radioéléments en remplaçant le cylindre de laiton et la source de neutrons par un compteur Geiger-Muller. Il obtient ainsi la preuve que ces radioéléments sont des fragments de fission.


    VI.         REACTION EN CHAINE

     Le noyau d’uranium ayant proportionnellement plus de neutrons que les éléments plus légers, il vient rapidement à l’esprit de Frédéric Joliot qu’une réaction en chaîne est possible. En effet chaque fission doit libérer, en plus des deux nouveaux noyaux, des neutrons excédentaires, susceptibles de provoquer de nouvelles fissions. Il constitue une équipe avec le jeune Autrichien Hans von Halban (1908-1964) et le Russe émigré Lew Kowarski (1907-1979) afin d’examiner expérimentalement la possibilité d’une réaction en chaîne. Dès le 7 mars 1939, l’équipe du Collège de France met en évidence l’émission de ces neutrons supplémentaires. S’adjoignant les services du chimiste Maurice Dolé, nos chercheurs déterminent leur énergie qui s’avère élevée pour la plupart. Le nombre de particules émises est fonction du type de réaction (voir plus loin). Ils évaluent le nombre de neutrons secondaires émis par chaque fission d’un noyau d’atome d’uranium aux alentours de 3,2 ± 0,7 par fission. Ce nombre est en fait trop élevé, par suite d’une erreur d’interprétation des mesures. En réalité, il se situe en moyenne à 2,5 neutrons secondaires par fission. Une note adressée à la revue londonienne « Nature » paraît le 22 avril 1939.

     Dès l’annonce, aux Etats-Unis,  par Niels Bohr de la découverte de la fission, de nombreux chercheurs se lancent dans une véritable course aux résultats. Ainsi, Fermi qui a fuit l’Italie fasciste pour l’Amérique, travaille à l’université de Columbia à New York avec une équipe américaine. Il démontre l’efficacité supérieure des neutrons thermiques par rapport aux neutrons rapides pour obtenir la fission.

    L’équipe française imagine d’utiliser un modérateur hydrogéné pour ralentir les neutrons rapides. Parallèlement, les Américains (H. Anderson, E. Fermi et H. Hanstein d’une part, et L. Szilard et W. Zinn d’autre part) arrivent aux mêmes conclusions. N’oublions pas le contexte politique dans lequel se trouve le monde à l’époque. L’idée de la possibilité de construire une arme de grande puissance fait son chemin parmi les différents groupes de savants. Le physicien hongrois, Leo Szilard, qui a fui l’Allemagne nazie pour rejoindre New York après un séjour en Autriche puis en Grande-Bretagne, écrit le 2 février 1939 à Joliot pour que celui-ci ne publie plus les résultats de ses recherches sur la fission. Dans sa lettre, il précise :

    « Si plus d’un neutron est libéré, une sorte de réaction en chaîne sera évidemment possible. Ceci, dans certaines circonstances, pourrait permettre la réalisation de bombes sûrement extrêmement dangereuses, mais plus particulièrement entre les mains de certains gouvernements ».

    L’intervention de Szilard ne fut pas comprise au Collège de France. Il n’était pas dans les habitudes des scientifiques de garder secret leurs travaux et découvertes. La publication de ceux-ci provoquait une certaine émulation dans le landerneau des chercheurs et faisait avancer les connaissances dans ce nouveau domaine qu’était la physique nucléaire. Le 12 avril 1940, Szilard perçoit davantage le danger de communiquer les découvertes récentes en matière atomique. Il met à nouveau Joliot en garde :

    « J’aimerais soulever uns fois de plus la question de savoir si les résultats concernant les réactions en chaîne doivent être publiés. On dit que de telles publications sont étudiées en Allemagne et que le travail sur l’uranium est conduit là-bas dans le secret ».

    « Votre proposition est très raisonnable, mais vient trop tard » répond le Français.

    De plus, certains physiciens américains ne respectent pas cette recommandation. Cela débouchera sur l’intervention d’Albert Einstein qui écrivit au président Roosevelt.

    Finalement, Joliot et son équipe ne tiennent pas compte des mises en garde de leurs collègues américains. Non seulement, ils publient leurs résultats dans des revues anglo-saxonnes, mais, fait peu habituel en France, les physiciens français, auxquels s’est joint le théoricien Francis Périn (1901-1992), déposent, les 1er, 2 et 4 mai 1939, trois brevets d’invention au nom de la Caisse nationale de la Recherche scientifique : « Dispositif de production d’énergie », « Procédé de stabilisation d’un dispositif producteur d’énergie » et « Perfectionnement aux charges explosives ». En effet, jusque-là, l’usage était de ne pas considérer la science comme une source de profit.

     

    VII.       LA FISSION DES NOYAUX LOURDS

     A.  Définition

    La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd se scinde généralement en deux noyaux moyens, sous l’impact d’un neutron. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d’énergie (fig. 81).

    B.  La réaction de fission

     La probabilité qu’un noyau se scinde par fission dépend essentiellement de deux parameters :

    1.   Sa section efficace

    J’ai décrite celle-ci dans le chapitre V. « La loi de capture neutronique » de la partie « Découverte de la fission nucléaire ». Je n’y reviens donc pas.

    bombe-fission

    Fig. 81 – Réaction de fission d’un noyau lourd. Un neutron entre en collision avec un noyau lourd. Ce noyau capture le neutron. Il est alors sous un état excité, ce qui le conduit à se scinder en deux noyaux plus légers avec émission d’un ou de plusieurs neutrons, de chaleur et de rayonnements.

    2.   Son énergie potentielle

    Reprenons le diagramme donnant l’énergie de liaison moyenne par nucléon des noyaux[2]. Son observation permet d’envisager deux types de réactions nucléaires permettant de récupérer de l’énergie. (fig. 82).

    L’une d’elle concerne les noyaux lourds, de numéro atomique supérieur à celui du fer (Z = 26, A = 56). C’est la réaction de fission, qui nous occupe ici et qui est représentée comme suit (fig. 82).

    enregieliaison

    Fig. 82 – Energie de liaison moyenne par nucléon des noyaux

    Utilisant l’analogie de la goutte liquide, les interactions mises en jeu entre les différents nucléons sont :

    –      les interactions attractives liées à la force nucléaire forte ;

    –      les interactions répulsives dues à la charge des protons ;

    –      les tensions superficielles qui assurent la cohésion du noyau.

    L’énergie potentielle du noyau est la somme de l’énergie potentielle électrique et de l’énergie potentielle nucléaire[3]. Lors d’une réaction de fission décrite plus haut (chapitre II), la cohésion assurée par la tension superficielle diminue, ce qui peut entraîner la rupture du noyau : la valeur limite de fission s’appelle « barrière de fission » (fig. 83).

     barrierefission

    Fig. 83 – Barrière de fission. Energie potentielle d’un noyau fissile en fonction de la distance r entre les deux parties du noyau. La forme correspondante du noyau est montrée au-dessus du graphe.

     C.  Une réaction exoénergétique

     Cette réaction est exoénergétique. On constate, pour les noyaux lourds, que la somme des masses des deux atomes obtenus est inférieure à celle du noyau initial. Selon le principe d’équivalence masse – énergie d’Einstein, E = mc², la masse perdue est émise sous forme d’énergie récupérable.

    D.  Fission du noyau d’uranium

     Prenons comme exemple le noyau d’235U, car il peut subir la fission et, de plus, il fut utilisé lors des premières expériences (fig. 84).

    fissionuranium

    Fig. 84 – La fission du noyau d’uranium donne naissance à deux noyaux d’atomes d’éléments tout différents, le krypton et le baryum, par exemple.

    Un calcul simplifié permet d’obtenir un ordre de grandeur de l’énergie libérée par la fission d’un noyau d’235U. L’énergie de liaison d’un nucléon dans un noyau d’235U est de 7,6MeV alors qu’elle est de 8,4MeV dans ses fragments. Cette différence équivaut à une libération d’énergie de 0,8MeV par nucléon qui est multipliée, dans le cas de l’235U, par 235 le nombre de nucléons présents au départ. On libère ainsi environ 200MeV, 50 fois plus que la désintégration α du même noyau.

    A titre de comparaison, la combustion d’1 Kg de charbon libère une énergie de 33,24.107 J, alors que celle d’1 Kg d’uranium libère une énergie de 8 ,64.1013 J.

    Dans le cas de l’235U, la barrière de fission est de 6,8 MeV. Elle correspond également à peu près à la différence d’énergie potentielle entre son état fundamental et l’énergie à l’état excité lors de la collision d’un neutron thermique ayant une énergie de l’ordre de 1/40 eV. La fission a donc lieu.

    Pour l’isotope 238, la valeur de la barrière de fission est supérieure de 7,1 MeV à celle de son énergie à l’état fondamental. Lors de l’absorption d’un neutron thermique, la différence d’énergie entre les deux états n’est que de 4,9 MeV. La fission ne peut se réaliser. Pour ce faire, il faut bombarder le noyau 238U au moyen de neutrons rapides d’énergie proche de 1,8 MeV.

    Une des réactions possibles de fission de 235U s’écrit :

    23592U + 10n Ò 9136Kr + 14256Ba +…10n

    En écrivant la loi de conservation du nombre de nucléons, on peut aisément déterminer le nombre de neutrons rapides formés.

    235 + 1 = 91 + 142 + y

    y = 3, donc l’équation devient :

    23592U + 10n Ò 9136Kr + 14256Ba + 310n

    D’autres réactions peuvent se produire :

    23592U + 10n Ò 9438Sr + 14054Xe + 210n

     

    23592U + 10n Ò 9437Rb + 14155Cs + 10n

     

    E.  Les noyaux fissiles

     Les noyaux qui peuvent subir la fission sont dits fissiles. Ils possèdent un nombre impair de neutrons et ont, pour la plupart, une masse atomique supérieure à 220. Au-delà de A = 220, les éléments seraient, sans doute, tous instantanément fissibles, ce qui explique leur absence dans la nature.

    Lorsqu’un neutron supplémentaire est capturé par le noyau d’un élément lourd, il s’apparie avec le neutron célibataire et lui confère un niveau d’excitation très élevé. La probabilité de fission du noyau augmente, bien qu’il puisse rester en l’état ou même capturer un autre neutron.

     Dans le tableau périodique, seuls les éléments suivants, fissiles en particulier sous l’effet de neutrons lents, nous intéressent car nous les retrouverons dans les applications industrielles et militaires :

    – l’uranium-233               23392U

    – l’uranium-235               23592U

    – le plutonium-239           23994Pu

    – le plutonium-241           24194Pu

    Seul l’235U est encore présent dans les roches terrestres, à raison de 7‰ dans l’uranium naturel. Sa très grande période ou demi-vie qui est de 8,8.108 ans, lui a permis de subsister en quantité encore relativement grande pour être exploité. L’233U a une demi-vie de 1,6.105 ans, le 239Pu, de 24.000 ans et le 241Pu, de 12,9 ans seulement ce qui explique qu’ils n’existent plus à l’état naturel.

     F.  Réaction en chaîne

     Dans les différentes réactions qui mènent à la fission du noyau d’235U, nous constatons qu’il y a des neutrons excédentaires (de 1 à 3). Ces neutrons, s’ils ont une énergie adéquate peuvent à leur tour provoquer la fission d’autres noyaux. Si le nombre de neutrons émis lors de chaque fission est supérieur à 1, il peut se produire une réaction en chaîne qui devient rapidement incontrôlable (principe de la bombe à fission) (fig. 85). Dans les centrales nucléaires, la réaction en chaîne est contrôlée au moyen de barres qui absorbent une partie du flux neutronique. reactionchaine

    Fig. 85 – Réaction en chaîne



    [1] Koestler Arthur (1965) – Le cri d’Archimède. Calmann-Levy.

    [2]  Voir la partie « Au cœur du noyau atomique ».

    [3]  Ces notions ont été décrites dans la partie « Au cœur du noyau atomique ».

    [4]Otto Robert Frisch (* 1.10.1904, Vienne – … 22.09.1979). Obtient son doctorat en Sciences physiques à l’Université de Vienne, en 1926. Se consacre à la recherche scientifique à Berlin et à Hambourg, où de 1930 à 1933, il collabore aux travaux d’Otto Stern. De 1933 à 1934, il travaille à Londres chez P. Blackett. Ensuite, il va à l’Institut Niels Bohr de Copenhague où il élabore avec Lise Meitner, sa tante, la théorie de la fission nucléaire. En 1939, il émigre en Angleterre. On le retrouve en 1943 dans le groupe des savants anglais au Los Alamos Laboratory, où il participe à la mise au point de la bombe atomique..

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