Une équipe de recherche allemande réalise la première analyse de phase des « particules chaudes » de Tchernobyl : la structure cristalline du combustible nucléaire présente encore une stabilité chimique au-delà des attentes après 40 ans

Près de 40 ans après l'accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl survenu en 1986, l'équipe de recherche de l'Université Leibniz de Hanovre (Leibniz University Hannover) et du Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR) en Allemagne a réalisé la première analyse de phase cristalline de précision au monde par rayonnement synchrotron sur 6 fragments hautement radioactifs de taille micrométrique (communément appelés dans le secteur“particules chaudes”, Hot Particles) éjectés lors de la destruction du réacteur. Les résultats de cette recherche révolutionnaire ont été officiellement publiés dans la revue de premier rang en environnement et radioécologie, le Journal of Hazardous Materials.

Lors de la violente explosion et de l'incendie de graphite qui a suivi, une grande quantité de matière du cœur du réacteur a été projetée dans l'atmosphère et l'environnement environnant, et subsiste encore aujourd'hui sous forme de fines poussières dans les sols de la zone d'exclusion. Tobias Weissenborn, physicien en radioécologie à l'Université Leibniz de Hanovre, indique que les particules éjectées lors de l'accident se présentent principalement sous trois états : la première catégorie conserve hautement les caractéristiques du combustible nucléaire initial en dioxyde d'uranium (UO₂) sur les plans physique et chimique ; la deuxième catégorie, lors de la fusion par surchauffe transitoire du réacteur, s'est étroitement co-fondue et enveloppée avec l'alliage de zirconium réfractaire environnant de la gaine ; la troisième catégorie, en raison de la combustion intense du modérateur en graphite pendant 10 jours, a été profondément oxydée en octaoxyde de triuranium (U₃O₈) et autres aérosols micrométriques à faible résistance mécanique, facilement altérables, pulvérisables et transportables par le vent.

Afin d'élucider les mécanismes d'altération à long terme de ces particules radioactives, dont la taille ne mesure que entre 8 et 50 micromètres, dans l'environnement naturel, l'équipe du cristallographe du HZDR, le Dr Christoph Hennig, a mis en place un banc d'essai de micro-diffraction de haute précision sur la ligne de faisceau Rossendorf (Rossendorf Beamline) de la Source Européenne de Rayonnement Synchrotron située à Grenoble, en France. Les chercheurs ont fixé une particule individuelle triée à partir d'échantillons de sol ukrainiens sur la pointe d'une aiguille en électrode de tungstène, l'ont placée sous un faisceau de rayons X de haute luminosité dont le spot focalisé ne mesure que 100 micromètres (équivalent à l'épaisseur d'un cheveu), et ont collecté des signaux de diffraction sous tous les angles à partir de 2000 projections différentes au moyen d'un dispositif de rotation de précision, permettant ainsi la détermination non destructive des multiples phases d'oxydes et des défauts cristallins à l'intérieur des fragments micrométriques.

L'analyse expérimentale a révélé un phénomène inattendu : après 40 ans d'altération physique et d'érosion par les eaux souterraines dans des conditions environnementales rigoureuses, le squelette cristallin du combustible nucléaire en dioxyde d'uranium dans ces particules examinées conserve encore aujourd'hui une intégrité élevée, démontrant une stabilité chimique bien supérieure aux attentes antérieures de la communauté scientifique. Cela signifie que la structure cristalline dense bloque efficacement au niveau microscopique le taux de dissolution et de libération des produits de fission (Fission Products) internes vers les sols profonds et les réseaux hydrographiques environnants.

Cependant, l'équipe de recherche souligne que les différences de phase cristalline entre particules individuelles sont extrêmement marquées, et que 6 échantillons prélevés en seulement deux points ne permettent pas de tirer une conclusion universelle pour l'ensemble de la zone de Tchernobyl. Weissenborn souligne avec prudence que même si la dégradation globale présente une régularité périodique, il existe toujours dans l'environnement des « particules anormales à longue durée de vie » libérant des radionucléides, et qu'à court terme, aucune restriction de protection ne peut être assouplie dans la zone d'exclusion de Tchernobyl (Chernobyl Exclusion Zone). Actuellement, l'équipe de recherche conjointe germano-française a lancé des expériences de suivi, axées principalement sur la dynamique d'évolution microscopique des phases des éléments transuraniens (Transuranic Elements) dans ces fragments hérités du passé.