Modification des abondances isotopiques : quand la physique nucléaire rencontre la chimie

Les isotopes d’un même élément ont le même comportement dans la grande majorité des réactions chimiques. Néanmoins, ils se distinguent dans certaines d’entre elles. Ce phénomène de dépendance isotopique apporte des renseignements précieux pour le contrôle de la prolifération nucléaire et la criminalistique nucléaire [1].

Àla manière d’un code-barres, les abondances relatives des isotopes du chrome et du molybdène dans les concentrés miniers d’uranium produits industriellement permettent d’identifier de manière univoque l’origine géographique du minerai. Une telle identification pourrait devenir un outil de premier plan pour le contrôle de la prolifération nucléaire et la criminalistique nucléaire.

Une collaboration entre le CEA - DAM et le CNRS a mis en évidence un effet de modification des abondances isotopiques naturelles – appelé fractionnement isotopique. Cet effet avait été prévu théoriquement à la fin des années 1990. Notre étude a porté sur le molybdène et le chrome, deux éléments présents naturellement à l’état de traces dans les minerais d’uranium et possédant chacun sept et cinq isotopes stables (figure 1).

La grande aventure de l’enrichissement de l’uranium et les études qui ont suivi ont montré que, dans la majorité des cas, le fractionnement isotopique varie linéairement avec la masse des isotopes : c’est le fractionnement dépendant de la masse. Il suffit de mesurer le rapport d’abondance entre deux isotopes pour caractériser ce fractionnement. Plus rarement, les variations observées ne suivent plus cette relation avec la masse : on parle alors de fractionnement isotopique indépendant de la masse. Sa mise en évidence exige la mesure à très haute précision de l’abondance de chacun des isotopes stables de l’élément.

Jusqu’à présent, les fractionnements indépendants de la masse n’avaient été observés dans la nature que pour quelques éléments lourds, comme le mercure ou l’uranium. Les bases théoriques des fractionnements indépendants de la masse ont été établies en 1996 par Jacob Bigeleisen grâce aux progrès de la physique nucléaire et des techniques analytiques. Ce même auteur, qui travaillait sur l’enrichissement de l’uranium dans le cadre du projet Manhattan, avait formalisé dès 1947 la théorie des fractionnements dépendants de la masse.

En géochimie, les fractionnements dépendants de la masse sont largement utilisés pour identifier les processus ayant façonné la Terre. Toutefois, différents processus peuvent produire des fractionnements similaires, et des effets superposés peuvent compliquer l’interprétation [2]. L’étude des signatures isotopiques indépendantes de la masse permet de lever ces ambiguïtés, en particulier lorsque plusieurs systèmes isotopiques, comme dans le cas du molybdène et du chrome, sont combinés.

Notre étude a permis d’identifier deux types de signatures indépendantes de la masse. Le premier est un fractionnement indépendant de la masse dû à un effet de décalage du champ nucléaire. Il est lié à la taille des noyaux des atomes et au comportement que cela induit pour les électrons dans les réactions chimiques (figure 2). Le deuxième est une anomalie fissiogénique : la fission spontanée de l’uranium produit certains isotopes du molybdène, dont l’abondance est alors augmentée. On l’observe notamment dans les gisements très anciens ou riches en uranium.

Ces deux types de signatures indépendantes de la masse ont été distingués avec succès, pour le molybdène et le chrome, dans des échantillons d’uranium provenant de plusieurs pays producteurs. Cela permet d’identifier sans ambiguïté l’origine des gisements à partir de la composition isotopique des minerais ou des concentrés miniers (figure 3). L’approche doit être étendue à d’autres éléments, comme le samarium, pour augmenter encore le pouvoir de discrimination et garantir in fine que tous les gisements d’uranium du monde pourront être assortis d’un code-barres unique.