Développement de la bombe nucléaire

 

3. Contrôler l'énergie nucléaire: «Le Projet Manhattan»

Les savants entrèrent en guerre contre le nazisme avant les nations. En 1939, l'Allemand Albert Einstein, l'Italien Enrico Fermi ainsi que les Hongrois Leo Szilard et Edward Teller se réfugièrent aux États-Unis, fuyant ainsi l'invasion de l'Europe par Hitler. Un mois avant la guerre, ayant tous l'intime conviction que les Allemands étaient en train de mettre au point leur propre bombe atomique, Szilard demanda au prestigieux Albert Einstein de signer une lettre à Franklin Roosevelt, président des États-Unis, afin de donner plus de poids à sa démarche visant à prévenir le président des dangers de l'énergie nucléaire. En voici un extrait: "[…] Au cours des quatre derniers mois, grâce aux travaux de Joliot en France et ceux de Fermi et Szilard en Amérique, il est devenu possible d'envisager une réaction nucléaire en chaîne dans une grande quantité d'uranium, laquelle permettrait de générer beaucoup d'énergie et de très nombreux nouveaux éléments de type radium […]". Face au danger potentiel d'une arme nucléaire allemande, il ne restait qu'une solution: devancer les Allemands et mettre au point l'arme nucléaire avant ceux-ci. C'est ainsi que le président américain donna son accord le 16 décembre 1941. Le "Projet Manhattan" fut lancé sous la surveillance militaire du général Leslie Groves.

Les États-Unis commencèrent par faire un programme pour coordonner les recherches qui se situaient dans quatre centres principaux: les universités de Columbia, de Princeton, de Chicago et de Berkeley. Les étapes du programme étaient claires: juillet 1942: obtenir l'assurance théorique de la possibilité d'une réaction en chaîne, janvier 1943: réaliser la première réaction en chaîne contrôlée et janvier 1945: posséder la bombe atomique.

Étape no 1: Assurance théorique d'une réaction en chaîne

Il fallait trouver un élément qui pourrait servir à la création d'une arme utilisant l'énergie que libère la fission nucléaire. Cet élément devait répondre à deux critères: la facilité et la quantité de la production. Deux éléments furent alors retenus:

*L'uranium
Niels Bohr calcula qu'un seul isotope d'uranium, l'uranium-235, pouvait fissionner.. Mais il était rare, il fallait le séparer du reste de l'uranium, principalement composé de l'isotope-238. Ce qui paraissait une tâche difficile.

*Le plutonium
Élément récemment découvert. Il était obtenu en bombardant l'uranium-238. Il faudrait le produire en quantité abondante.

Dès mars 1941, on avait écrit: "La première vérification de la théorie nous a donné une réponse totalement positive; de ce fait, l'ensemble du projet paraît réalisable, à la condition que les problèmes techniques de séparation isotopique soient résolus d'une façon satisfaisante[...]."

Le dernier problème consistait donc à la production d'un matériau fissile en quantité suffisante.

À la mi-septembre 1942, le général Leslie Groves fut contacté par le secrétaire à la guerre: "Les recherches de base et leur développement sont choses faites; vous n'avez plus qu'à prendre les projets encore à l'état d'ébauches et les mener à bonne fin, puis établir un plan pour créer une force opérationnelle. À ce moment, votre travail sera terminé et la guerre de même". Le général Groves fut alors placé à la tête d'un groupe de techniciens et de savants. On recruta des milliers d'ingénieurs et de techniciens parmi lesquels se trouvaient de nombreux émigrés d'Europe. L'équipe de travail du "Projet Manhattan" fut finalement complète.

Étape no 2: La première réaction en chaîne

La réaction nucléaire entretenue qu'on appelle aussi réaction en chaîne implique certains principes essentiels au développement de la bombe nucléaire. Tout ça a bien dû commencer quelque part.

En janvier 1939, un certain Frédéric Joliot et deux de ses collègues, Von Halban et Kowarski, poursuivaient leurs études au Collège de France. Ils démontrèrent par leurs expériences sur la fission des noyaux d'uranium que ceux-ci formaient des noyaux qui eux, à leur tour, pouvaient casser d'autres noyaux d'uranium.

Pour que la réaction en chaîne se fasse, plusieurs conditions devaient être respectées. Les facteurs impliqués étaient: la nature et les proportions des substances, les matériaux de structure, les modérateurs (eau, eau lourde (dont l'hydrogène est l'isotope appelé deutérium), graphite). Il y avait aussi la géométrie des matières fissiles, c'est-à-dire le combustible nucléaire utilisé qui, le plus souvent, est l'uranium naturel ou enrichi en isotope U-235.

Mais comment se fait exactement la réaction en chaîne? Elle commence par la fission, rupture d'un gros noyau, suivi d'un dégagement d'énergie et de deux ou trois neutrons. Les fissions en cascades, c'est-à-dire la fission d'un noyau qui provoque la fission d'un autre et ainsi de suite, constituent ce qu'on appelle une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est stabilisée quand une grande partie des neutrons sont capturés. Ainsi, ils ne produiront pas de nouvelles fissions et la quantité d'énergie dégagée sera maîtrisée. Par contre, dans la bombe, la réaction nucléaire entretenue doit alors être la plus grosse possible dans un temps le plus restreint et ainsi cela favorisera sa croissance rapide et continue.

Pour qu'il y ait une réaction, il faut que la matière fissile soit présente en grande quantité. C'est ici qu'entre en considération la masse critique. Si la surface de la matière fissile pure est trop petite, les neutrons s'en échapperont. Pour qu'une réaction ait lieu, la masse contenue, par exemple dans une sphère assez grosse d'uranium, laissera s'échapper des neutrons qui ne pourront provoquer de fission et cela sera compensé par les fissions suivantes. La quantité de matière dont nous avons besoin pour la réaction en chaîne est ce qu'on appelle la masse critique. Dans la bombe, la matière fissile doit être supérieure à la masse critique et immédiatement assemblée et gardée en cohésion environ pendant un millionième de seconde. Ce qui propagera la réaction en chaîne avant que la bombe explose.

En résumé, pour que la réaction nucléaire entretenue se fasse, il faut mettre en commun un même volume ainsi qu'une masse suffisante de matière fissile pour que le nombre de neutrons en fission puisse atteindre le niveau suivant. La masse critique est très utilisée dans le domaine militaire. Pour avoir une explosion nucléaire, la réaction doit être spontanée et sans limite.

Suite à ses travaux de recherche, Fermi et ses collaborateurs décidèrent de démontrer que c'était possible d'entretenir une réaction en chaîne. Le réacteur qu'ils décidèrent de construire fut installé sous les gradins du stade de Stagg Field à l'Université de Chicago. L'expérience fut faite le 2 décembre 1942. À Chicago, Fermi construisit la première pile atomique du monde. On pouvait donc dire que l'énergie nucléaire était maîtrisée…

La matière première de la bombe
La production de matériau fissile était toujours un problème. Des usines furent construites pour la séparation de l'uranium-235 de l'uranium naturel et la création de plutonium à partir de l'uranium-238. Il fallait produire une quantité abondante d'uranium et de plutonium. Alors, deux énormes complexes industriels furent construits: à Oak Ridges, dans le Tennessee, pour la production de l'uranium-235 et à Hanford, dans l'état de Washington, pour la production du plutonium. L'ensemble se présentait comme un bloc de béton de 250 m de long et de 30 m de haut. À Hanford, les travailleurs étaient complètement fermés sur l'extérieur. Les deux centres d'extraction fonctionnèrent pendant tout le "Projet Manhattan" pour récolter une quantité suffisante de matière fissile.

Étape no 3: La bombe atomique

Des centaines de génies scientifiques travaillèrent avec acharnement à l'élaboration de la bombe dans le laboratoire ultra secret de Los Alamos, lieu étrange situé à près de 2000 mètres d'altitude sur un plateau du Nouveau-Mexique. Il s'agissait d'un immense village construit par l'armée américaine au milieu du désert. Des centaines de physiciens, dont 20 Prix Nobel ou futurs Prix Nobel, y travaillaient ainsi que quelque 2000 techniciens et chercheurs dont 600 militaires. Ils travaillaient dans le plus grand secret. Les enfants nés sur place n'avaient d'ailleurs pas de lieu de naissance sur leur carte d'identité. L'équipe de savants, dirigée par Robert Oppenheimer, étudiait l'architecture de la bombe. Elle avait le mandat de construire la bombe nucléaire. Ce qu'elle réalisera à l'été 1945.

     Los Alamos, ville-laboratoire

Trinity: la première bombe nucléaire
La capitulation allemande fut signée le 8 mai 1945. Malgré la fin de la guerre, les scientifiques continuèrent leurs recherches afin de parvenir à la fabrication de la bombe nucléaire, sous les recommandations militaires. Le "Projet Manhattan" prit fin en juillet 1945. Contrairement à l'idée de départ, ils se retrouvèrent en possession de deux bombes: l'une fonctionnait à l'uranium et l'autre au plutonium. Les quantités de plutonium étant plus abondantes que celles de l'uranium, il fut possible de faire un essai.

Afin de procéder à l'essai, il fallait choisir un secteur inhabité. Situé dans le désert du Nouveau-Mexique, à 350 km de Los Alamos et à 35 km de l'agglomération la plus proche, Alamogordo fut la cible choisie.

Le 16 juillet, en fin de nuit, les conditions météorologiques furent considérées comme satisfaisantes. Peu après 5 heures du matin intervint la première explosion nucléaire de l'histoire. La toute première bombe au plutonium, baptisée "Trinity" explosa: un éclair aveuglant, encore insoutenable à 35 km, suivi d'une énorme détonation. "La région entière s'illumina sous une lumière éblouissante bien des fois supérieures en intensité à celle du soleil en plein midi. Trente secondes plus tard, on entendit une explosion. Le déplacement d'air frappa violemment les gens et puis, presque immédiatement, un coup de tonnerre assourdissant et interminable. Un nuage compact, massif, se forma puis monta en fluctuation avec une puissance effrayante. À la première explosion se succédèrent deux autres explosions de moindre luminosité. Le nuage monta puis prit la forme d'un champignon, s'allongea et s'éparpilla dans plusieurs directions. Le chef des essais, Kenneth Bainbridge, murmura à Oppenheimer: "À partir de maintenant, nous sommes tous des fils de pute…"."

L'explosion de la bombe, qui fut filmée par les plus grands scientifiques, fut évaluée à 20 000 tonnes de TNT.