Quarante ans après la catastrophe nucléaire de Tchernobyl (aujourd'hui Tchornobyl), des particules radioactives microscopiques sont encore dispersées dans le sol environnant, et la zone reste suffisamment radioactive pour qu'on ne puisse y pénétrer sans combinaison de protection. Les explosions qui ont détruit le réacteur ont projeté d'énormes quantités de débris dans l'environnement, et des particules mesurant seulement 8 à 50 micromètres sont encore hautement radioactives. Les scientifiques ont désormais examiné ces minuscules résidus avec un niveau de détail sans précédent, et ils ont découvert quelque chose de surprenant : certains d'entre eux ont conservé une grande partie de leur structure interne d'origine malgré quatre décennies d'altération.

« Il existe trois classes de ces particules », explique Tobias Weissenborn, physicien et doctorant à l'université Leibniz de Hanovre. « Premièrement, il y a des particules qui sont chimiquement et physiquement encore très proches du combustible nucléaire, le dioxyde d'uranium. Ensuite, il y a des particules partiellement ou totalement enrobées dans leur couche de zirconium, ou complètement fusionnées avec elle. » Cette deuxième catégorie est née de la chaleur extrême à l'intérieur du réacteur, où le combustible en fusion s'est combiné au zirconium, le métal hautement résistant utilisé dans la couche protectrice externe du combustible. Le troisième type, ajoute Weissenborn, « a été créé lorsque le modérateur en graphite a pris feu ». Dans des conditions normales, le modérateur en graphite ralentit les neutrons rapides et aide à entretenir la réaction en chaîne ; lors de la catastrophe, il s'est enflammé et a brûlé pendant dix jours. Ce faisant, le combustible s'est oxydé en divers oxydes d'uranium tels que U3O8 — une forme mécaniquement fragile, qui se brise facilement en fragments microscopiques et peut ensuite être transportée par le vent, où son inhalation présente de graves dangers pour la santé.

Malgré des décennies de recherche, les scientifiques ne comprennent toujours pas entièrement pourquoi les particules de Tchornobyl se décomposent à des vitesses différentes, et à mesure que le matériau s'altère, il peut produire plusieurs formes d'oxyde d'uranium, rendant son comportement à long terme difficile à prévoir. Pour percer ce mystère, il faut des équipements d'une précision inhabituelle, notamment la diffraction des rayons X par synchrotron, qui révèle la disposition des atomes à l'intérieur des matériaux cristallins. Le Dr Christoph Hennig, cristallographe au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), a désormais réalisé la première analyse structurale réussie de fragments radioactifs de ce type sur la ligne de faisceau Rossendorf à Grenoble.

Travaillant avec Weissenborn, Hennig a analysé six particules prélevées dans la région de Tchornobyl, en identifiant leurs différentes phases cristallines pour comprendre à quelle vitesse les substances radioactives pourraient s'échapper dans l'environnement. « Les collègues de Hanovre et moi avons utilisé diverses méthodes pour isoler les particules d'échantillons de sol ukrainiens et les fixer sur des électrodes de tungstène », explique Weissenborn. Comme les échantillons étaient hautement radioactifs, ils ont dû être scellés dans plusieurs couches de confinement avant le voyage vers Grenoble, où l'équipe de Hennig a utilisé la diffraction des rayons X pour sonder leurs structures internes en mesurant la façon dont les rayons X se dispersaient en traversant le matériau. « Nous avons d'abord dû déterminer comment examiner la structure des particules », explique Hennig. « Finalement, nous avons fait tourner complètement les particules dans un faisceau de rayons X focalisé à 100 micromètres — environ l'épaisseur d'un cheveu humain. Nous avons mesuré chaque particule sous 2 000 angles différents pour capturer sans faille toutes les réflexions. » Cela a permis aux scientifiques de distinguer différentes phases d'oxyde d'uranium au sein des fragments, révélant des détails jusqu'alors inaccessibles.

Les résultats ont été inattendus : après quatre décennies dans l'environnement, le combustible nucléaire à l'intérieur des six particules avait conservé une grande partie de sa structure cristalline d'origine. Cela suggère qu'au moins une partie des débris de Tchornobyl est chimiquement plus stable que les chercheurs ne le croyaient — suffisamment stable, potentiellement, pour garder les produits de fission enfermés plutôt que de les libérer rapidement, ce qui pourrait aider à limiter la migration des contaminants radioactifs vers le sol et l'eau environnants. Les chercheurs s'empressent toutefois de préciser qu'il ne s'agit pas d'une preuve que la zone d'exclusion de Tchornobyl est