Implication of xenon chemistry on planetary and nuclear contexts

Le xénon (Xe) est le plus lourd des gaz nobles stables. Cet élément est sujet à un paradoxe géochimique concernant son abondance élémentaire et son fractionnement isotopique. Plusieurs théories ont été envisagées comme solutions. Nous explorons ici l’hypothèse de l’incorporation du Xe dans les silicates à une pression modérée. Les échantillons sont préparés à partir de poudres minérales naturelles chargées au gaz enrichi en Xe, chauffés à des températures comprises entre 800 et 1 400 °C sous une pression de 3,5 GPa. Un fractionnement isotopique significatif a été observé pour 11 échantillons avec une valeur maximale d(Xe) = 2, 30 ± 0, 19 ‰ par unité de masse atomique. Sur la base de ces résultats nous proposons un scénario comme solution au paradoxe du Xe (Rzeplinski et al., 2022). Celui-ci consiste premièrement en l’incorporation du Xe dans les cristaux se solidifiant à partir des océans magmatiques successifs dans les 100 premiers millions d’années d’existence de la Terre. Cette incorporation favorise la rétention des isotopes lourds dans les minéraux. Ensuite, à l’occasion de chaque impact de planétésimal formant un nouvel océan magmatique, une partie significative de l’atmosphère est perdue dans l’espace. Enfin, le Xe contenu dans les silicates est progressivement dégazé et supplante la signature chondritique de l’atmosphère secondaire jusqu’à atteindre la valeur observée aujourd’hui. Ce scénario peut être étendu au cas martien. En outre, nos travaux ont abouti à l’obtention de phases contenant jusqu’à 0, 318 ± 0, 016 n%Xe. Elles ont de potentielles applications dans l’industrie nucléaire. En retardant l’apparition de bulles de Xe dans le combustible, le rendement pourrait augmenter.Xenon (Xe) is the heaviest element among the stable noble gases series. This element undergoes a geochemical paradox involving its elemental abundance and its isotopic fractionation. Several theories has been proposed as solutions. Here we investigate the hypothesis of Xe incorporation in silicates at moderate pressure. Samples are made from natural mineral powders loaded with Xe-enriched gas, heated up to a temperature between 800 and 1,400 °C under 3.5 GPa. A significant isotopic fractionation is observed for 11 samples showing a maximum value d(Xe) = 2.30 ± 0.19 ‰ per atomic mass unit. Based on these results, we propose a scenario as the Xe paradox solution (Rzeplinski et al., 2022). It consists firstly in the incorporation of Xe in crystals solidifying from successive magma oceans within the 100 first million years of Earth existence. This incorporation favors the heaviest isotopes retention within minerals. Then, each planetesimal impact generating a new magma ocean triggers the escape of a significant part of the atmosphere, which is lost to space. Finally, Xe contained into silicates progressively degas and overprints the chondritic signature of the secondary atmosphere until reaching nowadays observed value. This scenario can be extended to Mars. In addition, our work provides us phases containing up to 0.318 ± 0.016 n%Xe. Those materials could have a potential application in nuclear industry. By delaying the appearance of Xe bubbles in the fuel, its burnup could be increased