➜➜➜➜Bombe Atomique

Principe

Masse critique et neutrons

Criticité

Une masse de matériel fissible est qualifiée de critique quand elle devient capable d'entretenir une réaction en chaîne, compte tenu de sa taille, de sa forme, de la pureté et de la composition isotopique du matérieau. Une mesure numérique du caractère critique est le coefficient multiplicateur de neutron k=f-l, oùf est le nombre de neutrons relâchés en moyenne par chaque évènement de fission, et l est le nombre moyen de neutrons perdus, soit parce qu'ils s'échappent du système, ou parce qu'ils sont capturés par d'autres atomes sans produire de fission. Quand k=1, la masse est dite 'critique', quand k<1 la masse est subcritique, et pour k>1 la masse est dite supercritique.

La masse critique d'une sphère de matériau pur (non modéré) en l'absence de réflecteur est d'environ 50 kilogrammes pour l'uranium 235 et de 10 kilogrammes pour le plutonium 239 ^[1]. Si l'on dispose autour de la matière fissile un revêtement renvoyant une partie des neutrons vers elle (réflecteur à neutrons), on peut diminuer la masse critique.

Pour éviter que la réaction ne se déclenche n'importe quand, on donne à la matière fissile une forme facilitant l'échappement des neutrons : séparation en deux morceaux, ou sphère creuse, donc de plus grande surface. De cette manière la masse critique n'est pas atteinte et il n'y a donc aucun risque qu'une fission nucléaire s'amorce sans qu'on le désire. Le déclenchement de l'explosion a lieu lorsque toutes les parties de la matière fissile sont brusquement réunies, sous une forme convenable, et atteignent ainsi une masse sur-critique.

Passage en assemblage supercritique

Le fonctionnement d'une bombe atomique est de déclencher une réaction en chaîne dans un matérieau fissible, en le faisant passer rapidement d'une configuration subcritique (k=.9) à une configuration nettement supercritique (typiquement, k=3), de manière à ce que les neutrons puissent proliférer exponentiellement. Pour cela, il faut avoir une quantité suffisante de matière fissile, c'est la masse critique, et sous la forme la plus compacte possible, une sphère, pour éviter que trop de neutrons ne s'échappent par la surface.

Le principal problème technique pour assurer l'efficacité de l'explosion est de maintenir le matérieau fissible dans une configuration supercritique suffisamment longtemps pour qu'une fraction substantielle de sa masse ait subi la fission et produit de l'énergie.

Cependant, si la réunion d'une masse critique suffit à déclencher une réaction en chaîne, cette réaction n'est pas nécessairement explosive: elle ne l'est pas dans une centrale nucléaire, ni lors d'accident de criticité. Dans les bombes atomiques, la quantité de matière fissile doit même être supérieure à la masse critique, de l'ordre de trois fois en général^{[réf. nécessaire]}. On parle alors de masse sur-critique.

Amorçage de la réaction

Pour éviter une pré-détonnation (qui chaufferait et dissiperait le matérieau fissible avant qu'il ait atteint sa configuration optimale) et assurer une explosion efficace, le matérieau fissible doit être amené dans sa configuration supercritique très rapidement. La principale difficulté technique est donc à la fois de minimiser le temps de mise en configuration super-critique, et de minimiser le nombre de neutrons ambiants avant l'explosion.

Pour amorcer massivement la réaction en chaîne au bon moment, la conception des armes nucléaires comprend également une source de neutrons.

Explosion nucléaire

Une fois la masse critique atteinte, la réaction en chaîne est déclenchée. Alors, les noyaux de la matière fissile se divisent en deux noyaux plus légers (produits de fission) et libèrent en plus des neutrons. Ces derniers vont alors percuter d'autres atomes de matière fissile, qui à leur tour vont libérer des neutrons et ainsi de suite. La réaction en chaîne est déclenchée, et la matière dégage une énergie colossale en comparaison de la quantité de matière fissile mise en jeu. Cependant, dans une bombe atomique, seule une petite fraction (parfois très faible) du matérieau fissible est effectivement consommé avant d'être dissipé par l'explosion, ce qui diminue d'autant la puissance de l'explosion par rapport à celle disponible dans la masse fissible.

L'énergie dégagée par une seule fission peut être de l'ordre de la centaine de millions de fois plus grande que celle dégagée par une réaction chimique entre deux molécules. Cette énergie se transforme très rapidement en chaleur, par freinage de ces produits de fission dans la matière avoisinante.

Importance de la mise en configuration critique]

Pour des raisons évidentes de sécurité, les éléments fissiles d'une bombe atomique sont tenus en configuration sous-critique pour éviter toute fission nucléaire accidentelle. C'est juste avant le déclenchement de la bombe qu'on lève les différentes sécurités mises pour éviter que la forme critique soit atteinte on dit alors que la bombe est armée.

Dans une bombe atomique, il est important que les éléments fissiles soient réunis le plus vite possible. En effet, les éléments fissiles utilisés sont par ailleurs radioactifs, et dégagent naturellement des neutrons. De ce fait, une réaction de fission nucléaire peut se déclencher avant que toute la matière fissile n'ait la meilleure configuration. La puissance de l'explosion se trouve alors amoindrie, parce que la petite explosion qui en résulterait dissiperait le reste de la matière fissible sans l'avoir consommé.

Il existe plusieurs techniques pour réunir la matière fissile et ainsi atteindre la configuration sur-critique, qui déclenche la fission nucléaire. On peut citer 2 techniques : par insertion, et par implosion.

Technique de l'insertion

Schéma de la bombe Little Boy

La technique la plus simple pour déclencher une explosion est de projeter un bloc de matière fissile contre un autre bloc, constitué de la même matière, ou mieux, un bloc cylindrique à l'intérieur d'un bloc creux. C'est la technique de l'insertion, aussi appelée la technique du pistolet – ou du canon. Ainsi, les conditions critiques sont atteintes et la réaction de fission nucléaire est amorcée.

Le bloc de matière fissile est projeté à l'aide d'un explosif très puissant, pour permettre que la forme soit atteinte rapidement. L'inconvénient de cette technique est que bien que cette forme soit atteinte rapidement (de l'ordre de une milli-seconde), elle ne l'est pas assez pour du plutonium 239, qui contient toujours des isotopes, notamment le plutonium 240, dégageant spontanément des neutrons, ce qui amorce l'explosion prématurément, juste au moment oùles conditions deviennent critiques. C'est pour cette raison que la technique de l'insertion n'est utilisée que pour les bombes à uranium 235.

La deuxième explosion atomique de l'histoire, la bombe larguée sur Hiroshima, Little Boy, utilisait cette technique. Le fait que cette technique ait été employée opérationnellement sans essais préalable (contrairement au type à implosion utilisé sur Nagazaki) montre à quel point ce mode de fonctionnement est robuste, et relativement facile à maîtriser.

Ailerons stabilisateurs Cône de queue Entrée d'air Détonateur par pression Container en plomb (protection) Bras du détonateur Tête du détonateur Charge explosive (cordite) Projectile en uranium-235 Cylindre du canon Cible en uranium-235 avec réceptacle, le réflecteur de neutrons se trouve à son sommet Sondes pour la télémétrie (altimètre) Fusibles d'armement de la bombe (insérés peu avant le largage)

Technique par implosion

Schéma de la bombe Fat Man

La technique de l'implosion est plus complexe à mettre en œuvre. Elle consiste à rassembler la matière fissile disposée en sphère creuse, puis à la comprimer de manière à augmenter sa densité et ainsi atteindre une configuration sur-critique, qui déclenchera la réaction de fission nucléaire et donc l'explosion.

Schéma de la propagation des ondes de choc et de leur changement de forme dans les explosifs

Si le principe ainsi énoncé est simple, sa mise en œuvre est très délicate : la compression de la matière fissile est réalisée à l'aide d'explosifs très puissants disposés tout autour. Mais la détonation de ces explosifs est déclenchée par un ensemble de détonateurs qui doivent être rigoureusement synchronisés. De plus, chaque explosion a tendance à créer une onde de choc sphérique, centrée sur le détonateur. Or on doit aboutir à une onde de choc aboutissant simultanément sur tous les points externes de la matière fissile, que l'on peut imaginer comme une sphère creuse. Il faut donc que les ondes de choc se déforment pour passer de sphères centrées à l'extérieur vers une sphère de centre commun. On aboutit à ce résultat en utilisant des explosifs oùl'onde de choc se déplace à des vitesses différentes, ce qui amène à sa déformation. L'usinage des formes de ces explosifs doit être fait avec toute la précision de lentilles optiques.

Un problème semblable se pose avec le métal lui-même du plutonium, qui peut revêtir plusieurs états (phases) de caractéristiques mécaniques différentes, et qui a donc tendance à devenir inhomogène, ce qui aboutirait à une déformation de l'onde de choc. On y remédie, comme dans la métallurgie du fer &ndashoùun additif commun est le carbone &ndashpar l'addition de faibles quantités d'un autre élément, souvent le gallium.

La technique de l'implosion permet d'atteindre la disposition sur-critique bien plus rapidement que par celle de l'insertion. Par implosion, le délai est de l'ordre de deux à trois micro-secondes, ce qui est environ cent fois plus rapide que par insertion. Cette technique permet donc d'utiliser le plutonium 239 comme matière fissile.

On peut encore améliorer le rendement et/ou diminuer la masse critique en plaçant entre l'explosif et la matière fissile diverses couches qui peuvent soit avoir un effet mécanique par leur inertie ou en étalant dans le temps l'onde de choc (prolongeant ainsi l'explosion), soit ralentir la perte de neutrons (réflecteur à neutrons diminuant la masse critique)

La première bombe atomique de l'Histoire, l'essai « Trinity »et la troisième, celle de Nagasaki (Fat Man) utilisaient le plutonium et la technique de l'implosion.

Le fonctionnement de la bombe atomique a été élaboré lors du projet ' Manhattan '. L’explosion est due à une fission nucléaire. La fission nucléaire est produite quand un neutron entre en collision avec le noyau d’un atome d’Uranium 235 ou de Plutonium 239 dans le cas des bombes de 1945. La collision libère à son tour deux neutrons qui vont à leur tour frapper d’autres noyaux c’est ainsi qu’une réaction en chaîne se produit en libérant cent millions de fois plus d’énergie qu’une molécule de carburant en moins d’un centième de seconde. Pour causer le plus de dommages possible, la bombe n’explose pas au contact du sol, mais environ à 500 mètres d’altitude pour que le diamètre de l’explosion soit plus large, pas seulement en hauteur. La bombe ' Littleboy ' était constituée d’un noyau d’Uranium 235 et équivalait à la puissance de 12 500 à 13 000 tonnes de TNT, explosif très puissant utilisé dans la fabrication de dynamite. Comparativement à la bombe d’Hiroshima, celle de Nagasaki avait un diamètre plus grand et était ronde. Cet engin mesurait trois mètres et vingt centimètres et avait un diamètre d’un mètre, cinquante centimètres. Elle pesait plus de quatre tonnes et demie. Contrairement à 'LittleBoy' qui explose par la fission d’atomes d’uranium 235, 'Fat Man' se désintègre par compression de plutonium 239, placé au centre. Elle dégage une puissance destructive équivalente à vingt mille tonnes de TNT comparativement à 'Little Boy' qui n’équivalait qu’à une puissance de douze mille cinq cents tonnes de Trinitrotoluène (TNT).

La bombe atomique dégage trois effets dévastateurs. Au premier millionième de seconde, l’énergie thermique est libérée dans l’air et la transforme en une boule de feu d’environ un kilomètre de diamètre et de plusieurs millions de degrés. Au sol, la température atteint plusieurs milliers de degrés au point d’impact. Dans un rayon de 1 km, tout est instantanément calciné et réduit en cendres. Jusqu’à 4 km à la ronde, les bâtiments et les humains prennent en feu spontanémentles personnes situées dans un rayon de 8 km souffrent de brûlures au troisième degré. Après la chaleur, c’est au tour de l’onde de choc de montrer son effet dévastateur. Il est créé par la phénoménale pression due à l’expansion des gaz chauds, elle progresse à une vitesse de près de 1000 kilomètres à l’heure, cela ressemble à un mur d’air solide. L’onde de choc réduit tout en poussières dans un rayon de 2 kilomètres. Sur les 90 000 bâtiments de la ville, 62 000 sont entièrement détruits. Le troisième effet, encore très méconnu en 1945, est celui de l’explosion nucléairec’est l’effet le plus spécifique à la bombe, mais c’est aussi le plus meurtrier. Il entraîne toutes sortes de maladies mortelles. C’est d’autant plus terrifiant que ces effets n’apparaissent que des jours, des mois, des années après l’explosion.

Àla suite de cet exposé, nous savons que c’est Albert Einstein qui, en 1905, a développé la théorie de la relativité et qui a fait naître l’idée de la bombe atomique. En 1945, la puissance de cette arme a été démontrée en tuant plus d’une centaine de milliers de Japonais et en mettant fin à la Seconde Guerre mondiale. Aujourd’hui, nous pouvons dire que la bombe atomique est l’arme la plus connue et la plus puissante de la planète, alors est-ce possible qu’elle déclenche un prochain conflit mondial?

• Le théorie de la relativité, développée par Albert Einstein, est à l’origine du fonctionnement de la bombe atomique.
• La bombe atomique a été développée par les Américains dans le cadre du projet ' Manhattan ' à la suite de l’accord du président Roosevelt en 1942.
• La bombe atomique n’explose pas au contact du sol, mais à environ 500 mètres d’altitude.
• ' Fatman ', la bombe qui a rasé Nagazaki le 9 septembre 1945, avait une puissance qui équivaut à 20 000 tonnes de TNT.
• L’effet le plus destructeur de la bombe atomique est l’explosion nucléaire qui provoque toutes sortes de maladies mortelles et entraîne des malformations chez les fœtus. Ces effets se font voir des mois et des années après l’explosion.