Le 26 avril 1986, à 1 h 23, le réacteur n° 4 de la centrale nucléaire de Tchernobyl s’est emballé pendant un essai de sûreté, provoquant une explosion qui a projeté dans les airs une partie du cœur du réacteur. De type RBMK (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy, que l’on peut traduire par « réacteur de grande puissance à tubes de force »), il avait une particularité : ses barres d’uranium étaient logées dans un gigantesque bloc de graphite, qui ralentissait les neutrons pour augmenter leur probabilité de provoquer de nouvelles fissions et ainsi entretenir la réaction nucléaire.
Une fois éventré, ce bloc a pris feu et brûlé pendant une dizaine de jours, libérant dans l’atmosphère des quantités considérables de substances radioactives. Le panache a charrié, en plus des gaz et des aérosols de césium et d’iode, des fragments solides du combustible, baptisés « particules chaudes ». Depuis l’accident, les chercheurs ont constaté que ces dernières se dégradaient à des vitesses très différentes, sans parvenir à l’expliquer. Il aurait fallu savoir sous quelle forme chimique l’uranium s’y trouvait et comment leurs atomes étaient organisés, une analyse que leur taille minuscule et leur radioactivité rendaient très délicate.
Tobias Weissenborn, physicien et doctorant à l’université Leibniz de Hanovre, et Christoph Hennig, cristallographe au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ont réussi à caractériser six d’entre elles. D’après leurs conclusions, publiées le 1er mars dans la revue Journal of Hazardous Materials, ces particules ont conservé l’essentiel de leur structure d’origine, et avec elle les éléments radioactifs qu’elles renferment, au point que les auteurs les qualifient de « réservoirs remarquablement persistants ».
Avant toute analyse, l’équipe a dû extraire six particules de 8 à 50 micromètres (un cheveu en mesure entre 50 et 100) d’échantillons de terre prélevés dans la zone d’exclusion. Chacune a ensuite été fixée à la pointe d’une fine électrode de tungstène, pour pouvoir la manipuler sans la perdre. Les six échantillons ont pris la route de Grenoble, direction l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), le synchrotron européen où le HZDR, centre de recherche allemand spécialisé entre autres dans la physique des matériaux et la radiochimie, exploite sa propre station d’expérimentation, la Rossendorf Beamline.
Les particules chaudes de Tchernobyl sous haute surveillance
Dans son anneau de 844 mètres de circonférence, des électrons lancés presque à la vitesse de la lumière sont déviés par de puissants aimants. À chaque virage, ils émettent un rayonnement X extrêmement concentré, que l’on canalise vers des stations d’expérimentation. Dirigés sur une particule, ces rayons rebondissent sur ses atomes, et comme ceux-ci sont rangés selon un motif répété à l’identique, les rayons dessinent sur le détecteur une constellation de taches qui révèle l’organisation des atomes, et donc la nature des composés.
La difficulté, c’est qu’une rangée d’atomes ne renvoie les rayons X vers le détecteur que si elle est orientée sous un angle bien précis. Une particule fixe ne livrerait donc qu’une partie des informations nécessaires pour reconstituer sa structure interne. « Nous avons mesuré chaque particule sous 2 000 angles différents, afin de capter toutes les réflexions », explique Hennig, qui a fait tourner chacune d’elles dans un faisceau de 100 micromètres de large.
La mémoire intacte de la terrible nuit d’avril 1986
Une fois passées au synchrotron, les particules ont pu être classées en trois grandes familles. La première rassemble des fragments restés chimiquement très proches du dioxyde d’uranium (UO₂), la céramique qui constituait le combustible des barres : ils ont été arrachés au cœur sans subir de transformation notable. La deuxième regroupe des particules qui se sont soudées, en partie ou en totalité, au zirconium, le métal des gaines qui enveloppaient l’uranium, sous l’effet des températures extrêmes atteintes lors de l’accident. La troisième s’est formée pendant que le bloc de graphite brûlait : exposé à l’air brûlant, l’uranium s’y est chargé d’oxygène et a formé divers oxydes, dont l’octoxyde de triuranium (U₃O₈), un composé friable et mécaniquement instable.
Quelle que soit leur famille, les six particules ont conservé l’essentiel de leur structure cristalline. Les radionucléides qu’elles renferment, produits de fission comme le césium 137 et le strontium 90, ou actinides comme le plutonium, restent pour l’essentiel piégés à l’intérieur.
Une longévité à double tranchant, puisque les éléments radioactifs ne migrent que très lentement dans l’environnement ; toutefois, ils y resteront beaucoup plus longtemps sous leur forme la plus problématique. Si les particules s’étaient désagrégées, leur contenu radioactif aurait fini dilué dans la terre, emporté en profondeur par les pluies, contaminant plus largement la végétation et la chaîne alimentaire, mais sous une forme diffuse. Comme elles ont résisté, leur radioactivité est restée concentrée dans des fragments microscopiques, toujours dangereux quarante ans après l’explosion du réacteur.
Le danger le plus sérieux survient lorsque ces particules chaudes sont remises en circulation dans l’air : elles peuvent être inhalées et se loger dans les poumons des êtres vivants. Le plutonium qu’elles renferment émet un rayonnement alpha qui frappe de plein fouet les cellules environnantes sur un rayon de quelques dizaines de micromètres. Celles-ci encaissent alors une dose intense et continue, capable d’endommager leur ADN et, à terme, de favoriser l’apparition de cancers.
Les auteurs, dans leur étude, ne se sont toutefois pas prononcés sur les conséquences sanitaires réelles des particules chaudes pour les populations vivant en bordure de la zone, ni pour les travailleurs qui s’y relaient. Leur échantillon est bien trop réduit pour cela, et Weissenborn le reconnaît : « Notre expérience n’a étudié que six particules, provenant de deux endroits différents », avant de souligner que « chaque particule a une structure différente ». Rien ne garantit que leurs relevés soient réellement représentatifs de la totalité des retombées tapissant le sol de la zone d’exclusion, qui mesure environ 2 600 km2. Certaines particules chaudes pourraient même se révéler plus coriaces encore que celles que l’équipe a analysées. « Il y aura toujours des particules plus persistantes, qui libéreront des radionucléides plus tard », prévient le physicien. Weissenborn et Hennig ont désormais entamé l’étude des phases transuraniennes présentes dans les débris, c’est-à-dire des composés formés d’éléments plus lourds que l’uranium, comme le plutonium, qui constituent la part la plus durable de la contamination radioactive de la zone. Ils espèrent ainsi établir un classement des particules chaudes, des moins résistantes au plus résistantes : un chantier de longue haleine qui demandera un échantillonnage plus vaste et des années de travail, mais qui pourrait aider les autorités ukrainiennes à cartographier les portions de territoire les plus sensibles et à adapter les règles d’accès en conséquence.