Un réacteur nucléaire mis à l’arrêt ne se tait pas. Le combustible resté dans son cœur et dans les piscines de refroidissement attenantes continue de se désintégrer pendant des mois et des années, et chaque désintégration libère un antineutrino, une particule si peu disposée à interagir avec la matière qu’elle traverse l’acier, le béton et l’eau sans s’arrêter. Pour la première fois, une expérience a compté ce flux résiduel. La collaboration Double Chooz, qui travaille à la centrale nucléaire de Chooz B, dans les Ardennes françaises, a enregistré 106 ± 18 événements d’antineutrinos au cours de 17,2 jours d’observations, les deux réacteurs étant complètement arrêtés, contre une prédiction de 88 ± 7 événements. L’excès de 5,9 sigma valide un concept proposé pour la première fois en 1978 : un réacteur peut être déchiffré à travers la radioactivité qu’il laisse derrière lui, même après avoir cessé de fonctionner.
Le signal existe parce que la fission ne s’arrête pas net. Lorsqu’un réacteur fonctionne, les noyaux d’uranium et de plutonium se divisent en fragments, et ces fragments sont riches en neutrons. Ils se stabilisent par désintégration bêta, et chaque désintégration bêta convertit un neutron en proton tout en émettant un antineutrino électronique. Environ six antineutrinos sont produits par fission, ce qui fait d’un cœur de réacteur en fonctionnement la source artificielle la plus brillante de ces particules sur Terre. Mais de nombreux produits de fission se désintègrent lentement. Des isotopes comme le cérium-144 et le ruthénium-106 survivent pendant des mois, voire des années, après l’arrêt du réacteur, et leur désintégration maintient le flux d’antineutrinos à un niveau inférieur à un pour cent du flux en fonctionnement. Dans la fenêtre d’énergie où ce signal résiduel est le plus fort, entre 1 et 3 MeV, le rendement en antineutrinos du détecteur proche est dominé par deux isotopes seulement : le praséodyme-144, qui représente environ 54 % des événements, et le rhodium-106, environ 38 %.
Détecter ces événements a exigé une soustraction du bruit de fond. Le détecteur Double Chooz est installé sous terre à environ 400 mètres (1 312 pieds) des deux cœurs et contient plus de 30 mètres cubes (1 060 pieds cubes) de scintillateur liquide, un matériau qui émet un éclair de lumière lorsqu’un antineutrino interagit. L’interaction elle-même est la signature que l’expérience a été conçue pour observer : un antineutrino frappe un proton, produisant un positon et un neutron, et les deux particules créent une paire caractéristique d’éclairs décalés. Au cours des 17,2 jours de données collectées réacteurs à l’arrêt, le détecteur proche a enregistré 517 événements candidats dans la gamme de 1 à 9 MeV, soit 30,0 ± 1,4 par jour. Mais l’écrasante majorité était du bruit de fond : des muons qui pleuvent depuis les rayons cosmiques, des neutrons arrachés par ces muons et l’isotope à vie courte lithium-9, créé lorsque les muons brisent des noyaux de carbone. Après soustraction de l’ensemble, il restait un résidu de 6,2 ± 1,1 événements par jour dans la fenêtre de 1 à 3 MeV, contre 5,1 ± 0,4 attendus. Au-dessus de 3 MeV, l’excès disparaît, conformément à la prédiction selon laquelle la queue à haute énergie du spectre résiduel se situe sous la sensibilité de l’expérience.
La géométrie de l’expérience lui a donné un avantage dont aucune expérience sur réacteur n’avait bénéficié auparavant. Daya Bay et RENO, les deux autres grands observatoires d’antineutrinos, sont installés à côté de complexes de réacteurs où les tranches ne s’arrêtent jamais simultanément, ce qui rendait une mesure à l’état arrêté impossible. Chooz B possède deux cœurs, et en 2017 les deux ont été arrêtés en même temps pendant quatre périodes totalisant 24,4 jours. Cette coïncidence a permis à la collaboration de mesurer le signal résiduel in situ plutôt que de l’estimer à partir des données des périodes de fonctionnement. Le détecteur lointain, à 1,05 kilomètre (0,65 mile), a observé un excès plus faible de 27 ± 13 événements contre 14 ± 1 prédits, cohérent avec le flux plus faible à plus grande distance. L’accord des deux détecteurs avec les simulations construites à partir de l’inventaire exact du combustible, de l’historique de combustion et de la chaîne de désintégration des produits de fission est ce qui transforme la mesure d’une curiosité en validation.
Les implications pratiques touchent aux garanties nucléaires, le système international qui vérifie que les matières fissiles ne sont pas détournées. La surveillance par neutrinos est évoquée depuis les années 1980, lorsque des chercheurs soviétiques ont testé l’idée à la centrale de ROVNO, mais elle est toujours restée limitée aux réacteurs en fonctionnement. Ce résultat étend la technique aux périodes d’arrêt, ces fenêtres de maintenance pendant lesquelles le combustible est déplacé entre les cœurs et les piscines et où des matières pourraient, en principe, être manipulées. Un détecteur placé à l’extérieur de l’enceinte de la centrale pourrait confirmer qu’un réacteur est réellement à l’arrêt, suivre les déplacements éventuels du combustible usé et estimer depuis combien de temps un assemblage donné refroidit, car le rapport des produits de désintégration du cérium-144 et du ruthénium-106 évolue avec le temps. L’expérience chinoise JUNO-TAO a déjà commencé à explorer cette même fenêtre de réacteur à l’arrêt, en utilisant ses données pour isoler le signal du combustible usé.
L’incertitude est dominée par la statistique : les 106 événements mesurés contre les 88 prédits sont cohérents dans les marges d’erreur, si bien que l’expérience confirme les modèles sans encore les affiner. Le modèle de bruit de fond, construit à partir du marquage des muons et de mesures in situ des coïncidences fortuites, comporte ses propres hypothèses. Le détecteur de Chooz était un instrument de physique, pas un outil de garanties : un système de surveillance pratique devrait être plus petit, moins coûteux et téléopéré. Ce que la collaboration a établi est plus restreint et solide : la lueur d’antineutrinos résiduelle d’un réacteur à l’arrêt est réelle, elle correspond à l’inventaire de désintégration du combustible laissé derrière, et elle peut être comptée depuis des centaines de mètres (des centaines de yards). Un réacteur qui s’éteint continue de dire, particule par particule, ce qu’il était et ce qu’il a laissé.
Traduit par Lydie
Sources :
- Double Chooz Collaboration (Abrahão, T. et al.). “First Measurement of Neutrino Emissions from Spent Nuclear Fuel by the Double Chooz Experiment.” Physical Review Letters 137, 061803 (2026). DOI: 10.1103/dr26-j19g. Preprint: arXiv:2510.04869.
- Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) press release, “First measurement of antineutrinos from spent nuclear fuel,” August 4, 2026.
- ScienceDaily, “Scientists Detect a Nuclear Reactor’s Ghostly Afterglow for the First Time,” August 14, 2026.
- Chen, S. “Detecting the Illicit Removal of Nuclear Fuel.” Physics 19, s94 (2026).