Analyse isotopique spatialement résolue d’une particule contenant de l’uranium prélevée à l’intérieur du réacteur Fukushima Daiichi unité 2 à l’aide d’un SIMS à haute résolution

Pourquoi un minuscule grain de Fukushima a de l’importance

À l’intérieur des réacteurs endommagés de Fukushima Daiichi, une grande partie du combustible nucléaire a fondu, s’est mélangée à l’acier et à d’autres structures, puis a durci en « débris de combustible » complexes. L’élimination sûre de ce matériau est l’un des principaux obstacles à l’achèvement du nettoyage. Cette étude se concentre sur une seule particule microscopique de ces débris et montre comment une technique d’imagerie puissante peut révéler, avec un détail remarquable, sa composition et son mode de formation — des informations qui contribuent en fin de compte à rendre les travaux futurs autour des réacteurs plus sûrs et plus prévisibles.

Examiner de près un grain de débris

Les chercheurs ont étudié une particule d’environ 50 micromètres de large — à peu près l’épaisseur d’un fin cheveu humain — prélevée à l’intérieur du bâtiment du réacteur de l’unité 2. On pense que ce minuscule grain fait partie du mélange solidifié de combustible fondu et de composants du réacteur créé lors de l’accident de 2011. Jusqu’à présent, la plupart des études sur ce type de matériau dissolvaient les échantillons et ne mesuraient que des compositions moyennes, perdant ainsi toute structure à petite échelle. Ici, l’équipe voulait voir comment les différents éléments, en particulier l’uranium issu du combustible et le bore des barres de commande, étaient distribués à l’intérieur de la particule, et comment leurs « saveurs » atomiques, ou isotopes, variaient d’un endroit à l’autre.

Découper et cartographier la particule en trois dimensions

Pour ce faire, ils ont utilisé un instrument sur mesure qui combine un faisceau d’ions focalisé — essentiellement un outil de sculpture à l’échelle nanométrique — et un spectromètre de masse haute résolution. Le faisceau a d’abord retiré de fines couches de la particule, permettant aux scientifiques d’observer des sections transversales lisses par imagerie électronique. Ces images montraient un intérieur compact, sans bulles, suggérant que des gaz s’étaient échappés ou étaient absents lorsque la goutte de matière fondue a refroidi et s’est solidifiée. Fait crucial, le même instrument a ensuite scanné chaque surface fraîche pour établir des cartes de composition, révélant où des éléments clés tels que l’uranium, le zirconium, le fer, le chrome, le bore et le lithium étaient concentrés dans le grain.

Démêler le mélange de combustible, d’acier et de barres de commande

Les cartes chimiques ont montré que la particule n’est pas uniforme mais divisée en régions de l’ordre du micromètre avec des mélanges distincts. Une zone contient à la fois de l’uranium et du zirconium, compatible avec la solidification conjointe des pastilles de combustible fondues et de leur gaine. Une autre région est riche en fer, bore et lithium, indiquant un apport provenant des structures en acier et des barres de commande en carbure de bore. Une troisième région est dominée par le chrome, reflétant probablement des réactions à haute température différentes et une séparation lors du refroidissement du matériau fondu. L’uranium est réparti dans une grande partie de l’intérieur, tandis que le bore est davantage concentré vers les parties externes, ce qui suggère que le melt riche en uranium s’est solidifié plus tôt et que le matériau porteur de bore a migré vers l’extérieur avant de geler. Ensemble, ces motifs enregistrent une histoire par étapes de fusion et de refroidissement du combustible et des composants environnants.

Lire la mémoire atomique de la particule

Au-delà de la cartographie des éléments, l’équipe a mesuré les isotopes — variantes d’un même élément ayant des masses différentes — à l’intérieur de la particule. L’uranium montrait un niveau d’enrichissement intermédiaire entre l’uranium naturel et le combustible neuf initialement chargé dans l’unité 2, ce qui signifie qu’il provenait d’un combustible ayant été utilisé dans le réacteur mais pas complètement « consommé ». Encore plus révélateurs étaient les isotopes du bore et du lithium. Le bore-10 des barres de commande peut capter des neutrons et se transformer en lithium-7. Dans la particule, la part de bore-10 était légèrement réduite par rapport à la teneur naturelle, tandis que le lithium-7 était fortement augmenté. Cet appariement distinctif est l’empreinte de cette réaction de capture de neutrons, prouvant que le matériau des barres de commande incorporé dans la particule avait autrefois absorbé activement des neutrons pendant l’exploitation normale du réacteur.

Ce que cela signifie pour le nettoyage et la sécurité

En décodant la structure et la composition isotopique d’un seul grain microscopique, l’étude offre une nouvelle fenêtre sur ce qui s’est passé à l’intérieur du cœur du réacteur de Fukushima lorsqu’il a surchauffé, fondu puis refroidi. Ce travail fournit la première preuve directe que le combustible, l’acier de structure et les barres de commande se sont retrouvés fusionnés dans des particules de débris individuelles, et que l’histoire de l’absorption neutronique est encore inscrite dans leurs isotopes. L’approche d’imagerie à haute résolution démontrée ici peut être appliquée à de nombreux autres échantillons, aidant les ingénieurs à mieux évaluer la distribution du combustible, son degré de mélange avec des matériaux absorbant les neutrons comme le bore, et son mode de formation. Ces connaissances soutiennent des évaluations plus fiables du risque de criticité et informent les stratégies de découpe, de récupération et de stockage sûrs des débris de combustible restants.

Citation: Yoshida, T., Maeda, K., Sekio, Y. et al. Spatially resolved isotopic analysis of a uranium-bearing particle from inside the Fukushima Daiichi unit 2 reactor using high-resolution SIMS. Sci Rep 16, 9865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40875-y

Mots-clés: débris de combustible de Fukushima, imagerie SIMS, isotopes de l’uranium, barres de commande au bore, démantèlement nucléaire