Bombe A
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La bombe A, communément appelée « bombe atomique » ou « bombe à fission », est basée sur le principe de la fission nucléaire et utilise des éléments fissiles comme l'uranium 235 et le plutonium 239. Les bombes à fission furent les premières armes nucléaires à être développées.
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[modifier] Principe
Le but d'une bombe atomique est de déclencher une réaction en chaîne. 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. La masse critique est d'environ 52 kilogrammes pour l'uranium 235 et de 10 kilogrammes pour le plutonium 239. 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.
Une fois la masse critique atteinte, la réaction en chaîne est déclenchée. 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. On parle alors de masse sur-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. 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.
L'important dégagement d'énergie produit lorsque la fission nucléaire a lieu s'explique par le fait que les noyaux des produits de fission étant chargés électriquement se repoussent très violemment. 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 transforment très rapidement en chaleur, par freinage de ces produits de fission dans la matière avoisinante.
[modifier] Les techniques pour déclencher une explosion
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. Car les éléments fissiles utilisés dégageant naturellement des neutrons, la réaction de fission nucléaire peut se déclencher avant que toute la matière fissile n'ait la meilleure configuration et là, la puissance de l'explosion se retrouve alors amoindrie.
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 :
[modifier] Par insertion
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 où les 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 bombe larguée sur Hiroshima, Little Boy, utilisait cette technique.
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[modifier] Par implosion
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.
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 où l'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 – où un additif commun est le carbone – par 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.
[modifier] Voir aussi
- Physique nucléaire
- Bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki
- Hibakusha
- Bombe H
- Bombe à neutrons
[modifier] Source
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article en anglais : « Nuclear weapon design. »
[modifier] Bibliographie
- Richard Rhodes ; The Making of the Atomic Bomb, Touchestone / Simon & Schuster (1988), ISBN 0-684-81378-5. Ecrite par un journaliste, c'est une histoire érudite qui a obtenue les prix Pulitzer, National Book Award et National Book Critic's Circle Award américains.
- 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. Série de cinq cours donnés en 1943 aux nouveaux arrivants à Los Alamos pour le projet Manhattan. L'auteur, physicien théoricien, était chef d'un groupe de la division de physique théorique. Cette édition d'un manuscrit resté 20 ans secret défense est annotée par l'auteur à la lumière des résultats modernes. Introduction de Richard Rhodes.
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