Inception and evolution of Oklo natural nuclear reactors

The occurrence of more than 15 natural nuclear Reactor Zones (RZ) in a geological environment remains a mystery even 40 years after their discovery. The present work gives for the first time an explanation of the chemical and physical processes that caused the start-up of the fission reactions with two opposite processes, uranium enrichments and progressive impoverishment in 235U. Based on Monte-Carlo neutronics simulations, a solution space was defined taking into account realistic combinations of relevant parameters acting on geological conditions and neutron transport physics. This study explains criticality occurrence, operation, expansion and end of life conditions of Oklo natural nuclear reactors, from the smallest to the biggest ones.

RésuméLa présence d’une quinzaine de zones de réaction nucléaires (RZ) dans un milieu géologique reste un mystère 40 ans après leur découverte. Le présent travail donne pour la première fois une explication des évolutions ayant conduit au démarrage de ces cœurs au croisement de deux processus antagonistes, la concentration en uranium et l’appauvrissement progressif en son isotope 235. À partir de simulations Monte-Carlo, il a été possible de définir un espace de solutions réalistes — fonction des principaux paramètres tant physiques que géologiques — justifiant la criticité et expliquant l’expansion, le fonctionnement et les conditions d’arrêt des plus petits aux plus gros réacteurs d’Oklo.