Centrale nucléaire
Les différentes bombes atomiques
Bombe !

Sur les spages consacrées à l'énergie nucléaire, une page qui explique les différents types de bombes ne pouvait pas manquer. Ne mourez pas idiots quand vous êtes contaminés: c'est du strontium-90, de l'iode-131 et du césium-137.
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Introduction

Début de XX° siècle: les chercheurs découvrent les réactions nucléaires qui se déroulent non plus entre les électrons des éléments (réactions chimiques) mais qui se déroulent dans le cœur des éléments. Certains élements comme le radium et l'uranium se désagrègent spontanément. La fission produit une grande quantité d'énergie thermique et des neutrons. La fission naturelle est généralement très lente. Certains isotopes d'un élément sont fissibles, il s'agit par exemple de l'uranium-253 qui est présent en très petite quantité dans l'uranium naturel.

L'U-235 a les même caractéristiques chimiques que l'U-238, puisqu'ils ont le même nombre d'électrons. Les isotopes ne peuvent donc pas être séparés par voie chimique, mais la séparation doit être basée sur les différences physiques des isotopes, et notament leur poids, qui est très légèrement supérieur pour l'U-238. Vous trouverez une introduction sur les isotopes ici.

Nous avons donc de l'uranium-235 qui tombe spontanément en morceaux et produit de l'énergie et des neutrons. Ces neutrons, quand ils touchent un autre atome d'U-235, vont déclencher une nouvelle fission. Cette fission produira à nouveau des neutrons, qui peuvent à leur tour engendrer de nouvelles fissions: c'est la réaction en chaine, tant aimée par le docteur Folamour. Il faut une masse minimale pour que la réaction en chaine puisse commencer.

La masse minimale dépend de la forme du marériau radioactif: une forme ronde permet d'utiliser la masse la moins élevée possible. La concentration de l'isotope actif ainsi que la densité de la matière fissible jouent également un role. La réaction en chaine peut par exemple être lancée en comprimant fortement le cœut de la bombe. La présence d'un miroir neutronique a également une importance primordiale.

Il se produit également une réaction enc haine dans les centrales nucléaires, mais le réacteur travaille en mode sous-critique et utilise les neutrons différés pour stabiliser la réaction. Les neutrons différés sont libérés par la désintégration des composants instables issus de la fission primaire. Ces neutrons secondaires sont librés au bout de plusieurs minutes et même au bout de plusieurs heures et permettent de stabiliser les réactions en chaine. Voyez la page sur le fonctionnement des réacteurs nucléaires civils.

Bombe atomique (uranium)

Les neutrons différés ne nous interessent pas quand nous voulons faire une bombe atomique. Au contraire, nous voulons une réaction la plus rapide possible, pour que la plus grande quantité de matière fissible soit transformée avant que l'énorme chaleur dégagée ne disperse la matière.

C'est une des raisons de l'utilisation d'U-235 fortement enrichi (les centrales nucléaires utilisent de l'uranium faiblement enrichi). Cela permet également de faire une bombe plus petite. La bombe doit idéalement être ronde pour que le plus d'uranium puisse participer à la réaction avant d'être dispersé. Nous avons donc une sphère de masse critique, mais elle n'explose pas. La plupart des neutrons engendrés par la radioactivité naturelle sortent de la sphère sans rencontrer d'atomes d'uranium.

Ce que nous avons besoin, c'est d'un miroir neutronique qui renvoie les neutrons vers la sphère. Quand cela se produit, la réaction en chaine se met en route. Il y a eu deux incidents avec le "demon core", deux demi-sphères de plutonium. Ces demi-sphères étaient destinées à la fabrication de la troisième bombe nucléaire à lacher sur le Japon, mais cela n'a pas été nécessaire. Le cœur a été utilisé plus tard lors d'essais nucléaires.

Mais on ne va pas utiliser cette méthode pour engendrer une réaction en chaine. La masse de la boule se trouve en effet très près du niveau critique et la réaction enc haine ne démarre que lentement. Dans les deux incidents, il a été possible de stopper la réaction en chaine en enlevant le réflecteur. les chercheurs qui étaient autour de la boule sont tous morts, mais la réaction a pu être stoppée. Dans une vraie explosion nucléaire, pratiquement tout l'uranium ou plutonium aurait été dispersé par l'onde de choc thermique avant d'avoir participé à la réaction nucléaire.

Le système qui sera utilisé dans la première bombe nucléaire (sur Hiroshima) utilise deux parties qui sont près de leur masse critique. On utilise le terme de projectile pour la partie qui sera projetée sur la partie fixe, la cible. Quand le projectile entoure la cible, la masse critique est atteinte et le cœur se trouve entouré de miroirs neutroniques. Il faut 10ms pour que le projectile atteigne la cible, tandis que la réaction en chaine se déroule en 1µs.

On utilise de l'uranium fortement enrichi comme carburant nucléaire. Le projectile a déjà une masse supérieure à la masse critique, mais le creux au milieu du cylindre et l'absence de miroir empèche l'amplification neutronique. Le facteur de reproduction est inférieur à 1 (c'est une bonne chose, tout comme le taux de reproduction de la Covid quand il est inférieur à 1). La cible a une masse inférieure à la masse critique. Quand les deux parties sont en contact, le cœur est également entouré d'un miroir, ce qui accélère la réaction en chaine.

Voici quelques éléments importants:

  • W explosifs chimiques pour envoyer le projectile contre la cible
  • T disque de carbure de tungstène qui va servir à compléter le réflecteur à neutrons
  • S projectile: première masse nucléaire, un cylindre creux qui va entourer la cible lors de l'explosion
  • I réflecteur en carbure de tungstène
  • H cible: seconde masse nucléaire

Pour accélérer la réaction enc haine, la bombe contient également une source de neutrons qui n'est activée qu'au moment où le projectile touche la cible. La source de neutrons se compose de deux disques, l'un en polonium et l'autre en beryllium maintenus à courte distance. Le polonium est une source intense de rayons alpha, mais ce rayonnement est absorbé par une fine couche d'air de quelques centimètres. Quand les deux disques se touchent le rayonnement alpha du polonium est transformé en rayonnement neutronique par le beryllium. Cette source de neutrons n'est pas strictement nécessaire dans cette bombe, mais a malgré tout été ajoutée pour être sur que la bombe explose avec la puissance la plus élevée.

Lors de l'explosion, seul 2% de la matière fissible a été activée, le restant s'est répandu dans l'air à cause de l'énorme vague de chaleur qui a dispersé les composants. Les bombes plus modernes sont plus efficaces car elles permettent de maintenir la masse radioactive confinée plus longtemps.

Le problème de l'uranium, c'est qu'il n'y en a pas beaucoup et qu'il doit en plus être très enrichi en U-235, le seul qui soit fissible. Lors de la seconde guerre mondiale il n'était pas possible d'e produire suffisamment d'uranium enrichi pour deux bombes. Mais on peut utiliser du plutonium à la place de l'uranium. Le plutonium est créé quand de l'uranium naturel (U-238) est bombardé avec des neutrons. Ce n'est pas un élément présent normalement dans la nature.

Bombe atomique (plutonium)

Le plutonium est produit dans des réacteurs surgénérateurs (breeder reactor) par l'absorption de neutrons par l'uranium naturel. En fait tous les réacteurs nucléaires sont surgénérateurs (il produisent du plutonium comme déchet), mais certains réacteurs sont construits spécialement pour produire du plutonium et d'autres isotopes radioactifs.

Le plutonium a comme avantage qu'il peut être séparé plus facilement de l'uranium, mais il a également des inconvénients. Des inpuretés radioactives augmentent le taux de radiation naturelle, ce qui fait que le plutonium est plus instable. Il faut donc rester très loin de la masse critique et le système utilisé par la bombe à l'uranium ne peut pas être utilisé.

On va travailler avec deux demi-sphères de plutonium qui seront fortement comprimées par une explosion chimique. A l'extérieur on a différentes couches d'explosifs classiques qui vont causer une implosion qui va fortement comprimer le plutonium (certaines formes de plutonium sont assez élastiques). La compression fait que la masse critique est rapidement atteinte. Il y a un générateur de neutrons au milieu des deux demi-sphères (beryllium + polonium).

Il y a une couche épaisse d'uranium appauvri (U-238) entre les demi-sphères et les explosifs. L'uranium appauvri a une masse très élevée, il est par exemple utilisé dans les projectiles militaires pour percer les armures (et également dans certains tanks pour se protéger des projectiles).

L'implosion propulse l'uranium vers le cœur et sa masse élevée maintient le confinement suffisamment longtemps pour avoir une belle explosion nucléaire.

Une partie de l'uranium appauvri est transformé en plutonium par le bombardement neutronique, et ce plutonium participe ensuite en partie à la fission nucléaire. On a calculé qu'environ 30% de l'énergie produite provient de l'uranium appauvri.

Les principaux composants de la bombe:

  • A détonateurs (il y en a 1773)
  • B C D Différents explosifs pour avoir une implosion parfaite
  • F Masse d'luminium pour diriger la force de l'implosion vers le cœur de la bombe
  • G demi sphères d'uranium appauvri dont la masse permet de confiner le cœur suffisamment longtemps
  • H Demi-sphères de plutonium (en rouge)
  • L source neutronique (au milieur du plutonium)

Il est important que l'explosion se produise simultanément, autrement il n'y a pas d'implosion et le cœur est simplement expulsé" d'un coté de la bombe. On utilise des détonateurs spécifiques qui se composent d'un fil qui est porté très rapidement à une température si élevée que le fil s'évapore instantanément. Le courant nécessaire est de plus de 1000A avec une tension de plusieurs kV. Il se forme un plasma à l'endroit du fil et les explosifs classiques sont activés. Les détonateurs classiques où le fil est simplement chauffé au rouge ne peuvent pas être utilisés car il y a une variation trop importante dans les temps d'activation.

Pour obtenir un courant extrèmement fort, on décharge de gros condensateurs. L'élément qui assure la commutation est un krytron, un tube spécialisé. Comme la bombe à implosion est bien plus complexe que la bombe atomique classique, on a fait un essai (Trinity) avant de bombarder Nagasaki. Le carburant nucléaire était dans les deux cas du plutonium. A droite une publicité pour des krytrons, ces tubes pouvaient être fournis en différentes puissances. Ils étaient utilisés pour commander l'explosion synchronisée de charges (destruction de grandes tours,...).



Fusion nucléaire (bombe à hydrogène)

Une bombe atomique (bombe-A) a une puissance limitée par la quantité de carburant nucléaire qui peut être utilisée. Il n'est pas possible d'augmenter la charge, passé une certaine limite la bombe devient instable. Le rendement des bombes classiques a entretemps été amélioré et il est possible d'effacer une ville comme Bruxelles de la carte, mais c'est trop peu pour les généraux.

Au lieu d'utiliser la fission nucléaire, on peut également utiliser la fusion. La fission se produit avec des éléments lourds comme l'uranium et le plutonium, la fusion se fait avec des éléments légers comme l'hydrogène et ses isotopes comme le deuterium et le tritium.

Pour obtenir une réaction de fusion, il faut une pression et une température très élevée, or c'est justement ce qu'on a avec une bombe atomique. Il est donc relativement aisé de faire une bombe à hydrogène une fois qu'on a maitrisé le principe de la bombe atomique. La bombe thermonucléaire (un nom plus générique de la bombe à hydrogène) se compose d'une bombe atomique classique dans un conteneur rempli de deutérium et/ou de tritium.

  • A Premier étage (fission)
  • B Second étage (fusion)
  • 1 Explosifis chimiques
  • 2 Ecran d'uranium-238 avec réflecteur de neutrons
  • 3 Air (la bombe atomique est suspendue)
  • - Plutonium (en gris)
  • 4 Booster (source de neutrons et deuterium et tritium)
  • 5 Matière inerte
  • 6 Uranium appauvri
  • 7 Deutérure de lithium (deutérium lié chimiquement au lithium pour avoir un concentré)
  • 8 Détonateur au plutonium
  • 9 Conteneur
La fusion de l'hydrogène produit beaucoup de netrons qui peuvent être utilisés pour augmenter la vitesse de la réaction de fission en cours. Même si la masse critique est perdue à cause de l'expansion, le bombardement intense de neutrons permet à la fission de continuer. Même dans une bombe thermonucléaire, c'est la fission qui libère le plus d'énergie.

Petites améliorations

On a évidemment amélioré la bombe nucléaire au fil des années. Une première amélioration concerne le booster. Au milieu de la masse de plutonium, on met une dose de deutérium ou de tritium (avec le générateur de neutrons). la source de neutrons est activée lors de la compression suite à l'explosion chimique. La fission commence et produit une onde de choc qui van engendrer la fusion du deutérium. Cette fusion produit l'émission de nombreux neutrons qui vont accélerer la réaction de fission. On peut ainsi augmenter le rendement d'une bombe atomique classique.

Cette amélioration était déjà présente dans la première bombe thermonucléaire, mais on a entre temps remplacé le gaz par du deutérure de lithium où le lithium lie chimiquement le dutérium et le rend plus concentré (c'est un solide au lieu d'un gaz). Comme carburant fusible on peut tout aussi bien utiliser de l'hydrogène, du deutérium ou du tritium, mais le tritium qui contient plus de neutrons dans son cœur a un rendement neutronique plus élevé. Mais le tritium est radioactif (demi-vie de 12 ans), ce qui fait que la charge de tritium doit réglièrement être remplacée. Le deutérure de lithium est la meilleure solution.

Comme une bombe thermonucléaire produit énormément de neutrons, on a envisage de produire des bombes à trois étages: une bombe atomique classique qui sert de détonateur à une bombe thermonucléaire, qui a son tour produit la fission de l'enveloppe en uranium appauvri. La bombe russe Tsar Bomba est une bome à trois étages, c'était la bombe la plus puissante au monde avec une puissance qui pouvait aller jusqu'à plus de 100Mt. Elle n'est plus, elel a été détonnée en 1961, la puissance était 3000× supérieure à la bombe larguée sur Hiroshima et dix fois plus élevée que tous les explosifs qui ont été utilisés lors de la seconde guerre mondiale.

Lors du test on a opté pour remplacer l'enveloppe en uranium par uen enveloppe en plomb (inactif) pour limiter les retombées rdioactives. Il s'agissait donc d'une bombe thermonucléaire normale, mais l'éclair pouvait malgré tout causer des brulures au troisième degré à une distance de 100km. Comme il n'ya avait aps de troisième étage, les retombées étaient identiques à celles d'une bombe nucléaire classique. Les bombes à trois étages sont peu pratiques, elles produisent tellement de retombées qu'elles rendent tous un continent inhabitable. Une bombe usse lancée sur Bruxelles tuerait toute la population russe au bout de quelques semaines à cause des retombées radioactives qui sont poussées par les vents.

La bombe thermonucléaire peut être transformée en bombe neutronique qui tue les habitants sur une grande distance par le rayonnement, mais ne détruit que peu les infrastructures et ne produit pas trop de retombées radioactives. C'est la bombe idéale des militaires qui peuvent envahir le terrain au bout de quelques jours (quand toute la population est décédée). Bon sur cà je vous laisse, j'ai mon concentré de deutérure de lithium à retirer du four.

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