Le gadget, l'obèse et le ti-cul

Lorsque la toute première arme nucléaire jamais mise... (wikimedia commons)

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Lorsque la toute première arme nucléaire jamais mise au point, surnommée «The Gadget», a été testée dans un désert du Nouveau-Mexique le 16 juillet 1945, l'explosion a atteint 200 mètres de hauteur après seulement 16 millisecondes.

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(Québec) CHRONIQUE / «Les deux bombes atomiques qui sont tombées sur le Japon en 1945 étaient-elles identiques ou avaient-elles leurs différences?» demande Jacques Émond.

Les deux bombes avaient bel et bien des designs distincts, mais pour bien comprendre en quoi elles différaient, il faut d'abord s'attarder à leurs ressemblances. Si l'on accepte un certain degré d'abstraction, en effet, on peut dire que toutes les bombes atomiques fonctionnent avec les mêmes ingrédients de base.

Il faut d'abord une source de neutrons - ces particules qui, avec les protons, constituent le noyau des atomes -, qui servira en quelque sorte de «détonateur». Il faut ensuite une matière qui soit «fissible», c'est-à-dire que ses noyaux doivent se briser en noyaux plus petits lorsqu'ils sont frappés par un neutron. Et il faut aussi que chaque fission, chaque «atome brisé» si l'on préfère, produise au moins deux neutrons qui iront à leur tour, en principe, heurter d'autres noyaux afin que ce petit manège se poursuive et s'amplifie - ce que les physiciens appellent une réaction en chaîne.

C'est en se brisant que les atomes lourds libèrent de l'énergie. Comme ils en produisent beaucoup et que la réaction en chaîne survient en une infime fraction de seconde, alors il arrive ce qui doit arriver quand on libère une orgie d'énergie en si peu de temps : une explosion cataclysmique. Pour donner un ordre de grandeur, lorsque la toute première arme nucléaire jamais mise au point, surnommée «The Gadget», a été testée dans un désert du Nouveau-Mexique le 16 juillet 1945, l'explosion a atteint 200 mètres de hauteur après seulement 16 millisecondes (voir photo)...

Du point de vue des principes de base, la bombe baptisée Little Boy qui a explosé à Hiroshima le 6 août 1945, tuant environ 200 000 personnes, n'était pas vraiment différente de la dénommée Fat Man, qui en a fauché 140 000 autres à Nagasaki trois jours plus tard. Les deux reposaient sur le même genre de réaction en chaîne.

Mais voilà, en pratique, les atomes sont composés principalement de vide. Entre le nuage d'électrons qui forment l'extérieur de l'atome et son noyau, il n'y a absolument rien, et le noyau représente dans ce volume total à peu près l'équivalent d'une balle de tennis dans... un stade de football! Alors, autant dire que pour qu'un neutron heurte un noyau, il faut un sacré coup de chance.

Heureusement pour les physiciens et les ingénieurs du Projet Manhattan - et malheureusement pour le reste de l'humanité -, il y a une façon de contourner cette difficulté. Si l'on accumule de la matière fissible jusqu'à un certain seuil nommé masse critique, les neutrons n'auront presque plus de chance d'en sortir.

C'est un peu comme d'acheter suffisamment de billets de loterie pour s'assurer de gagner le gros lot plusieurs fois de suite. En bas de cette masse critique, les neutrons ne traversent pas assez de matière pour avoir de bonnes chances de frapper un noyau, et le combustible en perd trop pour que la réaction en chaîne survienne. Mais au-delà de ce seuil, les fuites deviennent suffisamment rares pour que la bombe fonctionne. 

Pour l'uranium-235 (92 protons + 143 neutrons = 235 particules dans le noyau), le combustible utilisé dans Little Boy, cette masse critique est théoriquement de 56 kilogrammes - dans les faits, l'engin en contenait 64 kg.

Or afin d'éviter une détonation involontaire - si le bombardier s'écrasait peu après son décollage, par exemple -, l'uranium était transportée en trois parties séparées, soit une demi-sphère pleine, une demi-sphère avec un trou en forme de cylindre, et un le cylindre manquant. On s'assurait ainsi que la masse critique ne serait assemblée et effective qu'au tout dernier instant.

Une fois les deux demi-sphères réunies, un dispositif semblable à un canon introduisait le cylindre d'uranium manquant. L'assemblage devait être extraordinairement rapide, puisque la réaction en chaîne est presque finie après un millionième de seconde. La fenêtre était donc extrêmement mince, mais cela a marché : à 8h15, heure d'Hiroshima, le 6 août 1945, le canon a complété la masse critique, ce qui a permis de fractionner 1,3 % des atomes d'uranium-235 dans Little Boy - l'équivalent de 15 000 tonnes de dynamite.

Le design de Fat Man était quant à lui un peu plus... comment dire... exotique. C'est d'ailleurs pour cette raison que, contrairement à Little Boy, dont le bon fonctionnement faisait peu de doute, il a d'abord été testé une première fois avant d'être utilisé «pour vrai» : The Gadget a servi précisément à ça.

Dans Fat Man, le combustible n'était pas de l'uranium-235, mais du plutonium-239. Or cette matière se prête tellement bien à la fission, sa réaction en chaîne s'emballe de façon si subite, qu'un dispositif en canon n'aurait pas pu finir d'assembler la masse critique assez vite, et la réaction se serait interrompue.

En lieu et place, cette bombe-là contenait seulement 6,2 kg de 239 Pu, ce qui était en deçà de la masse critique d'environ 11 kg. Pour compenser, les savants du Projet Manhattan ont fait deux choses. D'abord, ils ont enfermé le plutonium dans une capsule d'uranium-238 - lequel, contrairement à l'uranium-235 de Little Boy, n'est pas fissible, les neutrons ayant tendance à rebondir sur son noyau plutôt qu'à le briser. De cette manière, une partie des neutrons qui se seraient échappés du plutonium lui étaient renvoyés et pouvaient de nouveau entretenir la réaction en chaîne.

Ensuite, ce combustible devait être comprimé par 2000 kg d'explosifs conventionnels disposés de manière très précise. Pendant un très bref instant, donc, les noyaux de plutonium furent plus rapprochés les uns des autres et avaient plus de chance d'être frappés par des neutrons. C'est ce qui a permis aux 6,2 kg de plutonium de constituer une masse critique.

Sources :

- MARL STOCKBAUER. «The Designs of Fat Man and Little Boy», War & Peace: The Atomic Age: War, Peace, Power?, Stanford, 1999. goo.gl/5h01J0

- FEDERATION OF AMERICAN SCIENTISTS. «Nuclear Weapon Design», Special Weapons Primer, FAS, 1998. goo.gl/EmqBHm

- LOUIS BLOOMFIELD. How Everything Works. Making Physics Out of the Ordinary. Wiley, 2007.

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