Bombe Atomique

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Bombe Atomique

Bombe A

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Explosion atomique de 14 kilotonnes lors de l'essai américain XX-27 CHARLIE dans le site d'essais du Nevada en 1951

La bombe A, commun√©ment appel√©e bombe atomique, bombe √† fission ou bombe nucl√©aire, est bas√©e sur le principe de la fission nucl√©aire et utilise des √©l√©ments fissiles comme l'uranium 235 ou le plutonium 239. Les bombes √† fission furent les premi√®res armes nucl√©aires √† √™tre d√©velopp√©es et les seules √† avoir √©t√© utilis√©es contre des populations humaines : au cours de la Seconde Guerre mondiale, ce seront en effet deux bombes A, baptis√©es respectivement Little Boy et Fat Man, qui seront utilis√©es par l'arm√©e am√©ricaine pour les bombardements des villes d'Hiroshima et Nagasaki.

Sommaire

Principe

Masse critique et neutrons

Criticité

Une masse de mat√©riel fissible est qualifi√©e de critique quand elle devient capable d'entretenir une r√©action en cha√ģne, compte tenu de sa taille, de sa forme, de la puret√© et de la composition isotopique du mat√©riau. Une mesure num√©rique du caract√®re critique est le coefficient multiplicateur de neutron k = f - l, o√Ļ f est le nombre de neutrons rel√Ęch√©s en moyenne par chaque fission d'atome et l est le nombre moyen de neutrons perdus, soit parce qu'ils s'√©chappent du syst√®me ou parce qu'ils sont captur√©s par d'autres atomes sans produire de fission. Quand k = 1, la masse est dite critique, quand k < 1 la masse est sub-critique, et pour k > 1 la masse est dite super-critique.

La masse critique d'une boule de mat√©riau pur (non mod√©r√©) en l'absence de r√©flecteur 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 mati√®re fissile un rev√™tement renvoyant une partie des neutrons vers elle (r√©flecteur de neutrons), on peut r√©duire la masse critique.

Pour √©viter que la r√©action ne se d√©clenche n'importe quand, on donne √† la mati√®re fissile une forme facilitant l'√©chappement des neutrons : s√©paration en deux morceaux, ou boule creuse, donc de plus grande surface. De cette mani√®re la masse critique n'est pas atteinte et il n'y a donc aucun risque qu'une fission nucl√©aire s'amorce sans qu'on le d√©sire. Le d√©clenchement de l'explosion a lieu lorsque toutes les parties de la mati√®re fissile sont brusquement r√©unies, sous une forme convenable, et atteignent ainsi une masse super-critique.

Passage en assemblage supercritique

Pour obtenir une explosion atomique, il faut d√©clencher une r√©action en cha√ģne dans un mat√©riau fissible, le faisant passer rapidement d'une configuration subcritique (k = 0.9) √† une configuration nettement supercritique (typiquement, k = 3), de mani√®re √† ce que les neutrons libres puissent se multiplier exponentiellement. Pour cela, il faut avoir une quantit√© suffisante de mati√®re fissile, c'est la masse critique, et sous la forme la plus compacte possible, une boule, pour √©viter que trop de neutrons ne s'√©chappent par la surface.

Le principal problème technique à résoudre pour assurer l'efficacité de l'explosion est de maintenir le matériau 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 pr√©sence d'une masse critique suffit √† d√©clencher une r√©action en cha√ģne, celle-ci n'est pas n√©cessairement explosive : elle ne l'est pas dans une centrale nucl√©aire, ni lors d'accident de criticit√©. Dans les bombes atomiques, la quantit√© de mati√®re fissile doit m√™me √™tre sup√©rieure √† la masse critique, de l'ordre de trois fois en g√©n√©ral[r√©f. n√©cessaire]. On parle alors de masse sur-critique.

Amorçage de la réaction

Pour éviter une prédétonation, qui chaufferait et dissiperait le matériau fissible avant qu'il n'ait atteint sa configuration optimale, et assurer une explosion efficace, le matériau fissible doit être amené dans une configuration supercritique très rapidement. Il faut donc à la fois minimiser le temps de mise en configuration supercritique et minimiser le nombre de neutrons ambiants avant l'explosion. Pour cette raison, les armes nucléaires comportent une source de neutrons.

Explosion nucléaire

Une fois la masse critique atteinte, la r√©action en cha√ģne est d√©clench√©e. Dans une r√©action compl√®te, chaque noyau de la mati√®re fissile se divise en deux noyaux plus l√©gers (produits de fission) et lib√®re en plus des neutrons. Ces derniers vont alors percuter d'autres atomes de mati√®re fissile, qui √† leur tour vont lib√©rer des neutrons et ainsi de suite. La r√©action en cha√ģne est d√©clench√©e, et la mati√®re d√©gage une √©nergie colossale en comparaison de la quantit√© de mati√®re fissile mise en jeu. Cependant, dans une bombe atomique, seule une petite fraction (parfois tr√®s faible) du mat√©riau fissible est effectivement consomm√©e avant d'√™tre dissip√©e par l'explosion, ce qui diminue d'autant la puissance de l'explosion par rapport √† celle disponible dans la masse fissible.

À quantité égale de réactifs, l'énergie dégagée lors d'une réaction de fission peut être de l'ordre de la centaine de millions de fois plus grande que celle dégagée par une réaction chimique. 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 √©videntes de s√©curit√©, les √©l√©ments fissiles d'une bombe atomique sont tenus en configuration sous-critique pour √©viter toute fission nucl√©aire accidentelle. C'est juste avant le d√©clenchement de la bombe qu'on l√®ve les diff√©rentes s√©curit√©s mises pour √©viter que la forme critique soit atteinte‚ÄČ; on dit alors que la bombe est arm√©e.

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 r√©unir la mati√®re fissile et ainsi atteindre la configuration sur-critique, qui d√©clenche la fission nucl√©aire. 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 d√©clencher une explosion est de projeter un bloc de mati√®re fissile contre un autre bloc, constitu√© de la m√™me mati√®re, ou mieux, un bloc cylindrique √† l'int√©rieur d'un bloc creux. C'est la technique de l'insertion, aussi appel√©e la technique du pistolet ‚ÄĒ ‚ÄČou du canon. Ainsi, les conditions critiques sont atteintes et la r√©action de fission nucl√©aire est amorc√©e.

Le bloc de mati√®re fissile est projet√© √† l'aide d'un explosif tr√®s puissant, pour permettre que la forme soit atteinte rapidement. L'inconv√©nient de cette technique est que bien que cette forme soit atteinte rapidement (de l'ordre d'une milliseconde), elle ne l'est pas assez pour du plutonium 239, qui contient toujours des isotopes, notamment le plutonium 240, d√©gageant spontan√©ment des neutrons, ce qui amorce l'explosion pr√©matur√©ment, juste au moment o√Ļ les conditions deviennent critiques. C'est pour cette raison que la technique de l'insertion n'est utilis√©e que pour les bombes √† uranium 235.

La bombe largu√©e sur Hiroshima, Little Boy, utilisait cette technique. Le fait que cette technique ait √©t√© employ√©e sans essai pr√©alable (contrairement au type √† implosion utilis√© sur Nagasaki) montre √† quel point ce mode de fonctionnement est robuste, et relativement facile √† ma√ģtriser.

Architecture d'une bombe par insertion (Little Boy)
Architecture d'une bombe par insertion (Little Boy)
  1. Ailerons stabilisateurs
  2. C√īne de queue
  3. Entrée d'air
  4. Détonateur par pression
  5. Conteneur en plomb (protection)
  6. Bras du détonateur
  7. Tête du détonateur
  8. Charge explosive (cordite)
  9. Projectile en uranium 235
  10. Cylindre du canon
  11. Cible en uranium 235 avec réceptacle, le réflecteur de neutrons se trouve à son sommet
  12. Sondes pour la télémétrie (altimètre)
  13. Fusibles d'armement de la bombe (insérés peu avant le largage)

Technique par implosion

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

La technique de l'implosion est plus complexe √† mettre en Ňďuvre. Elle consiste √† rassembler la mati√®re fissile dispos√©e en boule creuse, puis √† la comprimer de mani√®re √† augmenter sa densit√© et ainsi atteindre une configuration super-critique, qui d√©clenchera la r√©action de fission nucl√©aire et donc l'explosion.

Sa mise en Ňďuvre est tr√®s d√©licate‚ÄČ: la compression de la mati√®re fissile est r√©alis√©e √† l'aide d'explosifs tr√®s puissants dispos√©s tout autour. Mais la d√©tonation de ces explosifs est d√©clench√©e par un ensemble de d√©tonateurs qui doivent √™tre rigoureusement synchronis√©s. De plus, chaque explosion a tendance √† cr√©er une onde de choc sph√©rique, centr√©e sur le d√©tonateur. Or on doit obtenir une onde de choc aboutissant simultan√©ment √† tous les points externes de la mati√®re fissile, que l'on peut imaginer comme une boule creuse. Ces ondes de choc doivent se d√©former pour passer de sph√®res centr√©es √† l'ext√©rieur √† une sph√®re de centre commun. On aboutit √† ce r√©sultat en utilisant des explosifs o√Ļ l'onde de choc se d√©place √† des vitesses diff√©rentes, ce qui am√®ne √† sa d√©formation. L'usinage des formes de ces explosifs doit √™tre fait avec toute la pr√©cision de lentilles optiques.

Un probl√®me semblable se pose avec le plutonium, qui peut rev√™tir plusieurs √©tats (phases) de caract√©ristiques m√©caniques diff√©rentes, et qui a donc tendance √† devenir inhomog√®ne, ce qui aboutirait √† une d√©formation de l'onde de choc. On y rem√©die, comme dans la m√©tallurgie du fer ‚Äď o√Ļ un additif commun est le carbone ‚Äď par l'addition de faibles quantit√©s d'un autre √©l√©ment, souvent le gallium.

La technique de l'implosion permet d'atteindre la disposition super-critique bien plus rapidement que par celle de l'insertion. Par implosion, le délai est de l'ordre de deux à trois microsecondes, ce qui est environ cent fois plus rapide que par insertion. Cette technique permet 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, Trinity, et la troisième, Fat Man, contenaient du plutonium et utilisaient la technique de l'implosion.

Brevet

La bombe A fait l'objet d'un brevet d'invention portant sur le Perfectionnements aux charges explosives. Ayant le num√©ro 971-324 et d√©pos√© le 4 mai 1939 par la Caisse nationale de la recherche scientifique d'apr√®s les travaux de Fr√©d√©ric Joliot-Curie, Hans Halban et Lew Kowarski, le brevet entre dans le domaine public en 1959. A celui-ci s'ajoutent quatre autres brevets d√©pos√©s de 1939 √† 1940 et portant sur la production d'√©nergie[2].

Ces brevets ont peu rapporté de redevance en comparaison de leur importance. Une part de l'argent obtenu est affecté à la recherche scientifique via l'attribution de bourses[2].

Voir aussi

Références

Source

  • (en) Cet article est partiellement ou en totalit√© issu d‚Äôune traduction de l‚Äôarticle de Wikip√©dia en anglais intitul√© ¬ę Nuclear weapon design ¬Ľ.

Bibliographie

  • Richard Rhodes ; The Making of the Atomic Bomb, Touchestone / Simon & Schuster (1988), ISBN 0-684-81378-5. √Čcrite par un journaliste, c'est une histoire √©rudite qui a obtenue les prix Pulitzer, National Book Award et National Book Critic's Circle Award am√©ricains.
  • Robert Serber ; The Los Alamos Primer - The First Lectures on How to Build an Atomic Bomb, University of California Press (1992), ISBN 0-520-07576-5. S√©rie de cinq cours donn√©s en 1943 aux nouveaux arrivants √† Los Alamos pour le projet Manhattan. L'auteur, physicien th√©oricien, √©tait chef d'un groupe de la division de physique th√©orique. Cette √©dition d'un manuscrit rest√© 20 ans secret d√©fense est annot√©e par l'auteur √† la lumi√®re des r√©sultats modernes. Introduction de Richard Rhodes.
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