Manhattan: Fermi et les piles

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Si, du côté américain, le programme nucléaire militaire commence par la remise à Roosevelt d’une lettre d’Einstein, écrite par Szilárd, c’est Vannevar Bush qui est le véritable moteur de l’effort américain. L’impulsion initiale vers une bombe nucléaire vint des physiciens exilés, beaucoup plus conscients du danger potentiel d’une bombe allemande que leurs collègues américains et que les dirigeants américains.

Une lettre d’Einstein

Craignant que les Allemands progressent très rapidement sur la route d’une bombe nucléaire, Szilárd voulut éviter que les Allemands puisse disposer de l’uranium de l’Union Minière du Haut Katanga (UCMK) au Congo Belge, qui était alors le principal producteur mondial. À l’époque, les seules mines d’uranium connues et jugées exploitables se trouvaient au Canada, aux États-Unis, au Congo et bien sûr en Bohême à Jachymov sous contrôle allemand. Mais comme Szilárd n’avait aucun poids politique, il eut l’idée de passer par l’intermédiaire d’Einstein, avec qui il avait longtemps collaboré, pour qu’il s’adresse en ce sens en ce sens à la reine des Belges qu’il connaissait très bien. Comme il n’avait pas de voiture, Wigner le conduisit le 16 juillet 1939 chez Einstein pour discuter de l’idée, puis Szilárd revint à la charge le 30, avec Teller cette fois (la « mafia hongroise »).

Une Plymouth 1935 comme celle de Teller
Une Plymouth 1935 comme celle de Teller

Averti de ces démarches, le financier Alexander Sachs prit alors contact avec Szilárd pour le persuader qu’il fallait plutôt viser directement le président Roosevelt. Einstein accepta le 2 août d’écrire à Roosevelt la lettre préparée par Szilárd, et elle fut remise à Sachs le 15 août.

Lettre « d’Einstein » à Roosevelt
Lettre « d’Einstein » à Roosevelt

La lettre « d’Einstein » se référait aux travaux de Joliot et à ceux de Szilárd et Fermi pour mettre en garde contre la possibilité qu’une bombe nucléaire soit réalisée en Allemagne. Elle précisait que la bombe serait sans doute trop lourde pour être transportée par avion (l’idée était encore que plusieurs tonnes d’uranium seraient nécessaires, sinon plusieurs dizaines) mais qu’elle pourrait être apportée par bateau et détruire un port et ses environs. Elle signalait également que l’Allemagne venait d’établir un embargo sur les exportations d’uranium de Bohême, et elle suggérait une action rapide de la part des États-Unis.

Einstein et Szilard
Einstein et Szilard (après la guerre)

Sachs tenait absolument à remettre la lettre d’Einstein en mains propres à Roosevelt, et surtout à lui expliquer la situation de vive voix, sachant trop bien le risque qu’une lettre se retrouve enterrée dans la pile des documents que recevait quotidiennement le Président. Mais la situation internationale évoluait extrêmement vite : après le pacte germano-soviétique le 23 août 1939, l’invasion de la Pologne le 1° septembre entraîna l’entrée en guerre de la Grande-Bretagne et le France le 3, et le 17 septembre, les Soviétiques envahirent à leur tour la Pologne. Ce n’est que le 11 octobre que Sachs put enfin rencontrer Roosevelt.

La remise par Sachs à Roosevelt de la lettre d’Einstein, vue par la bande dessinée (© General Electric 1946)
La remise par Sachs à Roosevelt de la lettre d’Einstein, vue par la bande dessinée (© General Electric 1946)

Celui-ci comprit immédiatement le risque qu’aurait une bombe aussi puissante entre les seules mains de Hitler, et il créa sur le champ un Advisory Committee on Uranium, comprenant des militaires et des scientifiques, en particulier Szilárd, Wigner, et Teller (la «mafia hongroise»), pour coordonner toutes les recherches scientifiques sur l’uranium pouvant avoir des applications militaires. Le Comité fut placé sous la responsabilité de Lyman J. Briggs, directeur du National Bureau of Standards. Ce fut un choix malheureux car Briggs ne s’intéressait nullement à la question, il fut d’une indécision remarquable et, pire encore, conserva dans son coffre — sans les diffuser — la plupart des rapports qui lui furent communiqués. Comme dans les autres pays, l’objectif immédiat était la réalisation d’un réacteur, qui parut plus rapidement réalisable qu’une bombe, mais la bombe demeurait bien l’objectif final. Sachs continua à jouer un rôle important dans les mois qui suivirent : il participa aux réunions du Comité sur l’uranium (rédigeant pour Roosevelt un rapport d’avancement en mai 1940) et il passa en juin 1940 un contrat avec l’UCMK pour la fourniture d’uranium.

Le Comité se réunit dès le 21 octobre, mais cette réunion n’eut guère de conséquences. La seule décision réelle fut d’attribuer 6 000 $ (environ 100 000 $ actuels) à l’achat de graphite pour les expériences de Fermi et Szilárd. La somme ne fut débloquée qu’en mars 1940 (après beaucoup d’insistance de la part de Szilárd) et elle leur permit de mesurer les sections efficaces d’absorption des neutrons par le carbone. Szilárd avait beaucoup insisté pour qu’il leur soit livré du graphite extrêmement pur, sans traces de bore, et ils obtinrent une valeur très faible rendant théoriquement possible la réalisation du réacteur uranium naturel – graphite (la future «pile» de Fermi). La deuxième réunion n’eut lieu que six mois plus tard, le 27 avril 1940, et elle n’eut guère de suites non plus, Briggs estimant que ni les recherches sur la fission rapide ni la construction d’un réacteur uranium graphite de taille critique ne devaient être entreprises avant les résultats des expériences à petite échelle alors en cours. En juin cependant, lors d’une réunion où Briggs, Urey, Tuve, Wigner, Breit, Fermi, Szilárd et Pegram étaient présents, un budget de 40 000 $ (il s’agit de ceux du NDRC cf. infra) fut attribué à l’étude des propriétés nucléaires de l’uranium et à l’achat de graphite et d’uranium métal en quantité suffisante pour 1/5 de la quantité jugée nécessaire à une réaction en chaîne.

Premières recherches au États-Unis

En fait, plusieurs recherches étaient menées indépendamment du Comité sur l’uranium, et bien avant même sa création. C’était bien sûr le cas des recherches menées à Columbia par Fermi et par Dunning, de celles menées à Berkeley autour de Lawrence, mais beaucoup d’autres physiciens avaient réagi à l’annonce de la découverte de la fission.

Peu après cette annonce, la direction des Bell Labs à New York s’intéressa à la question et demanda à deux de ses physiciens, James B. Fisk et William B. Shockley (futur inventeur du transistor) d’en examiner le potentiel comme source d’énergie. Ils calculèrent la masse critique d’uranium (naturel), se rendirent compte qu’elle rendait une bombe impossible, mais ils remarquèrent la possibilité d’un réacteur employant un arrangement hétérogène : selon Shockley, «If you put the uranium in chunks, separated lumps or something, the neutrons might be able to slow down…and not get captured and then be able to hit the U- 235.» Fisk rendit visite à Fermi à Columbia en 1940 mais chacun étant tenu de son côté au secret, cela n’eut guère de suites. Le rapport de Fisk et Shockley fut transmis à Washington, où il rejoignit d’autres rapports secrets dans le coffre de Lyman Briggs, et son existence ne fut connue qu’après la guerre. Shockley s’occupa ensuite de recherche opérationnelle contre les sous-marins (pour optimiser les convois, les escortes, les charges des grenades) puis travailla à améliorer l’emploi des radars de bombardement des B-29. Il ne revint aux Bell Labs qu’à la fin de la guerre pour animer le groupe de micro-électronique qui découvrit le transistor en 1947.

Edwin McMillan (1907-1991)
Edwin McMillan (1907-1991)

Grâce à l’uranium 235 isolé par Nier, John Dunning put en mesurer le 2 mars 1940 la section efficace de fission par neutrons lents, et confirmer qu’il était le seul fissile comme l’avaient prévu Bohr et Wheeler. Le 27 mai, Edwin McMillan et Philip Abelson décrivirent dans un article envoyé à Phys. Rev. la découverte de l’élément 93, le neptunium, parmi les produits du bombardement d’une cible très mince d’uranium par des neutrons (en fait des deutérons) accélérés par le cyclotron de 37 pouces. Les produits de fission étaient éjectés de la cible, mais deux isotopes radioactifs bêta de périodes 23 mn et 55 h demeuraient dans la cible et ils furent identifiés comme uranium 239 et neptunium 239. Le premier était plus une confirmation qu’une découverte (le « 23 mn » avait été observé tant par Hahn et Meitner que par Curie et Savitch des années plus tôt), mais la transmutation bêta annoncée du neptunium 239 conduisait à l’élément 94-239. Celui-ci devait donner par transmutation alpha le 92-235 (uranium 235). Ne détectant pas ces alphas, McMillan et Abelson suggérèrent que cela impliquait une faible radioactivité du 94-239, et donc une longue durée de vie. En ce cas, une quantité « importante » pourrait en être produite, stockée, et utilisée. Cet article souleva les protestations des Britanniques lors de sa parution en juin (Phys. Rev. 57-1185), et cela conduisit à imposer une censure sur les résultats nucléaires. En effet, ce même 27 mai, Louis Turner avait envoyé à Szilárd un article montrant que cet élément 94-239 (non encore isolé) devait être aussi fissile que l’uranium 235, et pourrait sans doute être formé par bombardement neutronique de l’uranium 238, ce que McMillan et Abelson venaient précisément de montrer.

Peu après, McMillan partit au Rad Lab du MIT travailler sur les radars, et Abelson retourna à Carnegie. Glenn Seaborg prit leur suite et, le 26 février 1941, il démontra avec Arthur Wahl la présence de cet élément 94, qu’ils baptisèrent plutonium. Le 6 mars ils parvinrent à isoler 0.25 µg de neptunium qui donna en quelques jours le premier copeau (à peine visible) de plutonium. Le 28 mars 1941, Seaborg, Kennedy et Segrè démontrèrent que ce copeau était bien fissionnable par neutrons lents. Par conséquent, il l’était sûrement aussi par neutrons rapides, et constituait donc bien un matériau potentiel pour une bombe. Ils en mesurèrent la section efficace par neutrons lents le 18 mai, puis par neutrons rapides en juillet, et trouvèrent une valeur presque deux fois plus élevée que pour l’uranium.

Pendant ce temps, les travaux sur la séparation isotopique progressaient. Dunning et Urey commencèrent à étudier les différentes techniques dès novembre 1940, mais sans guère d’appui. Philip Abelson rejoignit de son côté le Naval Research Laboratory en juillet 1941 pour mettre au point une méthode de séparation par diffusion thermique dans un liquide. L’US Navy, en particulier Ross Gunn, chef de la division Mécanique et Électricité du NRL, avait montré beaucoup d’intérêt bien avant la guerre pour de nouvelles méthodes de propulsion anaérobies pour les sous-marins (piles à combustible, peroxyde d’hydrogène, diesel à cycle fermé). Quand Fermi présenta le 17 mars 1939 la fission aux militaires, cela lui parut une possibilité intéressante et il s’efforça immédiatement de lancer un programme pour aboutir à un moteur nucléaire. L’amiral Bowen avait accordé 1500 $ dès le 20 mars 1939 pour des recherches (le premier financement public aux Etats-Unis pour des recherches nucléaires). Rapidement, Gunn jugea essentiel d’enrichir l’uranium et il prit des contacts avec plusieurs universités (Columbia, Virginie, Maryland, le DTM de Carnegie) pour fabriquer de l’hexafluorure d’uranium et l’enrichir en uranium 235. Abelson parvint à fabriquer près d’un kilo d’hexafluorure par jour à partir d’oxyde, et il construisit un prototype de séparateur isotopique par diffusion thermique. Le NRL se montra très intéressé et proposa à Abelson d’en réaliser un à plus grande échelle au Philadelphia Navy Yard, où se trouvait le Naval Turbine and Boiler Laboratory (laboratoire d’étude des chaudières et des turbines), capable de fournir les grandes quantités de vapeur requises.

Gunn et AbselsonLes efforts de la Marine furent cependant contrariés par les décisions politiques (Roosevelt et Bush) qui donnèrent à l’Armée la totale mainmise sur le nucléaire, excluant la Marine du programme Manhattan et l’empêchant même d’accéder à l’uranium comme de recruter des physiciens, même pour la réalisation d’un moteur. Le NRL parvint malgré tout à construire son usine pilote de janvier à juin 1944. Abelson apprit que le programme Manhattan était alors en pleine crise car le complexe de séparation isotopique d’Oak Ridge fonctionnait très mal, et il prit l’initiative d’informer Oppenheimer de ses résultats. Après avoir visité le NRL, Oppenheimer poussa Groves à décider la construction en catastrophe à Oak Ridge d’une version de l’usine d’Abelson: S-50 sortit de terre le 6 juillet, les premières colonnes entrant en fonctionnement le 15 septembre. De son côté, l’usine du NRL fonctionna jusqu’en 1946, livrant 2.5 tonnes d’uranium légèrement enrichi à Oak Ridge.

Entretemps, en mars 1941, Merle Tuve à Carnegie (Department of Terrestrial Magnetism) parvint à mesurer la faible section efficace de fission rapide de l’uranium, de l’ordre du barn. Communiquée aux Britanniques, cette mesure conduisit à une réévaluation à la hausse de la masse critique de l’uranium estimée par Frisch et Peierls : le Comité MAUD la situait désormais à 9 kg pour une sphère (5 kg avec un réflecteur). Cette valeur fut incorporée dans le rapport final du Comité MAUD, et transmise aux Américains (mais Lyman Briggs l’enterra dans son coffre).

Fermi et les « piles »

Hahn et Meitner avaient montré que l’uranium 238 pouvait capturer un neutron, devenant de l’uranium 239 qui se transmutait en élément 93-239 par émission bêta, avec une demi-vie de 23 mn. Ils n’avaient pu isoler cet élément, mais Edwin McMillan et Philip Abelson y parvinrent à Berkeley en mai 1940, le baptisant neptunium. Celui-ci était également instable par émission bêta avec une demi-vie de 2.3 jours, et se transformait donc en élément 94-239. Seaborg et Wahl ne démontrèrent qu’en février 1941 la présence de cet élément, qu’ils baptisèrent plutonium. Dès mai 1940, Louis Turner (à Princeton) avait écrit à Szilárd (à Columbia) pour lui indiquer qu’un tel élément serait certainement aussi fissionnable que l’uranium 235 (ce que l’on pouvait d’ailleurs conclure de l’article de Bohr et Wheeler de 1939 sur la théorie de la fission). Fermi fut donc très rapidement conscient de la possibilité de produire cet élément en (relativement) grande quantité dans un réacteur nucléaire et de l’utiliser dans une bombe, s’il était assez stable. La même idée vint d’ailleurs aussi indépendamment à Weizsäcker en 1941 et simultanément à Houtermans, et probablement à d’autres encore, mais le secret militaire en empêchait la diffusion. Fermi en parla longuement à Segrè lors d’une visite de celui-ci en décembre 1940, et il lui suggéra de fabriquer assez de 94-239 avec le cyclotron de 60 pouces de Berkeley pour en étudier les propriétés physiques. L’idée fut discutée lors d’une réunion à Columbia le 16 décembre 1940 entre Fermi, Lawrence (de passage à New York), Pegram et Segrè. De retour à Berkeley, Segrè se lança avec Glenn Seaborg, Arthur Wahl et Joseph Kennedy dans cette recherche.

Fermi avait pris un peu de distance avec les recherches nucléaires après l’été 1939, peut-être parce que travailler avec Szilárd l’exaspérait, peut-être parce qu’il était pessimiste sur la possibilité même d’une réaction en chaîne, et pendant plusieurs mois il s’intéressa beaucoup aux rayons cosmiques. Mais il revint à des expériences sur l’absorption de neutrons par le graphite de l’automne 1940 au printemps 1941, estimant qu’il était inutile de développer des modèles raffinés de diffusion des neutrons tant qu’il ne disposait pas de nombres à insérer dans les équations. Pour mesurer la section efficace des neutrons sur le carbone, Fermi construisit une série de «piles exponentielles» ainsi nommées car le flux d’une source centrale diminuait exponentiellement avec la distance à la source, le coefficient de l’exponentielle dépendant directement de la section efficace. La distribution était en réalité nettement plus complexe qu’une simple exponentielle en raison des rétro-diffusions des neutrons, et aussi parce que le libre parcours moyen des neutrons était du même ordre que les dimensions de la pile. Fermi remarqua en septembre 1940 qu’il pouvait effectuer une analyse de Fourier de la diminution du flux (pour une pile parallélépipédique), et isoler la composante exponentielle en effectuant des mesures en des points soigneusement choisis dans la pile et en combinant astucieusement ces mesures de sorte que les autres composantes se compensent.

Au printemps 1941 il revint au projet de réacteur critique, et il s’intéressa à nouveau à la diffusion des neutrons, dans un milieu hétérogène mais périodique. C’était un pré requis à la conception d’un réacteur viable car il était indispensable d’optimiser la géométrie et les dimensions des éléments, ainsi que les masses nécessaires. C’est, au sens propre, critique : il ne s’agissait pas de déclencher involontairement une réaction en chaîne, surtout non contrôlée. Fermi reprit le principe de la pile exponentielle en y insérant de l’uranium. Entre août 1941, Fermi commença l’assemblage avec son équipe à Columbia d’une «pile» expérimentale sous-critique, un empilement de 30 tonnes de graphite formant un parallélipipède de 2.6 m de côté et 3.3 m de haut (la densité du graphite est de 2.3). Elle contenait 8 tonnes d’oxyde d’uranium (il était encore très difficile de se procurer de grandes quantités d’uranium métallique), sous forme de petits blocs disposés en réseau, et une source radium-béryllium était placée à la base. Fermi forgea à cette occasion une partie du vocabulaire longtemps utilisé par la suite, appelant par exemple « pile » un réacteur (parce qu’il y voyait un entassement de matériaux, et non en hommage à la pile de Volta). L’unité de section efficace, le « barn » remonte également à cette époque (peut-être dû à Bethe), une section de 1 barn étant « aussi grande qu’une porte de grange » pour les usages qui en étaient faits.

Une des piles "exponentielles" de Fermi
Une des piles « exponentielles » de Fermi

Tous les neutrons produits par les fissions ne provoquent pas de nouvelles fissions car certains sont absorbés par l’uranium sans provoquer de fission, d’autres sont absorbés par le modérateur ou par les éléments de structure du réacteur, et d’autres enfin s’échappent du réacteur. Pour qu’une réaction en chaîne soit auto-entretenue, il faut bien sûr que chaque fission conduise en moyenne à une autre fission. Cela est exprimé par le facteur de multiplication, traditionnellement noté k, et défini comme le rapport entre le nombre de neutrons produits par fission au cours d’une génération et le nombre de neutrons disparus au cours de la génération précédente. Une réaction en chaîne stable correspond à k = 1, une réaction en chaîne divergente, et rapidement explosive, à k > 1, et une réaction convergente qui s’éteint à k < 1. La notion de génération est un peu fictive, car les «générations» de neutrons se superposent, comme les générations humaines d’ailleurs. Dans un réacteur de taille finie, des neutrons s’échappent du réacteur, ce qui diminue le facteur de multiplication k. On note k le facteur de multiplication sans fuite de neutrons (celui qu’on aurait pour un réacteur de taille infinie, d’où la notation).

Carnet de notes de Fermi en 1941
Carnet de notes de Fermi en 1941

Fermi avait heureusement découvert qu’il n’était pas nécessaire de mesurer les flux de neutrons en tous les points de la pile pour calculer le facteur k de multiplication neutronique (le rapport entre le nombre de neutrons entre une génération et la suivante) et surveiller ainsi l’approche de la criticité. Comme dans ses expériences de mesure de la section efficace du neutron sur le carbone, il suffisait d’effectuer les mesures en certains points bien choisis. Il vérifia expérimentalement la validité de sa méthode en construisant deux piles identiques, mais de tailles différentes, et calcula le facteur de multiplication neutronique (extrapolé à une taille infinie) k pour chacune : à 0.2% près, il obtint la même valeur.

La première pile fut terminée en septembre 1941, et lui donna un facteur de multiplication neutronique k = 0.83. La seconde pile à l’automne 1941 monta à k = 0.87. Cela ne permettait évidemment pas une réaction en chaîne entretenue, quelle que soit la taille du réacteur, et il fallait progresser sur trois fronts :

  1. optimiser la répartition de l’uranium et du graphite ;
  2. remplacer l’oxyde d’uranium par de l’uranium métallique ;
  3. purifier les ingrédients pour éliminer les pièges à neutrons comme le bore.

Tel était le programme de Fermi en arrivant à Chicago, et il réalisa quelque 31 «expériences exponentielles» à Chicago entre 1942 et 1943.

Il (re)découvrit à cette occasion la « formule des quatre facteurs », qui donne le facteur k de multiplication neutronique (le rapport entre le nombre de neutrons entre une génération et la suivante pour une pile sans fuites de neutrons) sous forme d’un produit de 4 coefficients

k = ε p f η

  1. le premier terme ε est le coefficient de fission rapide (augmentation du nombre de neutrons par une fission « rapide », i.e. par un neutron rapide). Typiquement ε ~1.04
  2. le deuxième p est le facteur anti-trappe (probabilité d’échapper à la capture par U238 au cours du ralentissement en traversant les énergies de résonance). C’est donc la fraction de neutrons franchissant avec succès les trappes pour arriver à un niveau d’énergie favorisant les fissions lors des captures par l’U235. Typiquement p ~ 0.75-0.80
  3. le troisième f est le coefficient d’utilisation thermique, la probabilité qu’un neutron thermique soit absorbé par un noyau fissile, par exemple l’U235, et non pas par un noyau stérile, par exemple la structure du réacteur ou une grappe de contrôle de la réactivité. Typiquement f ~ 0.80
  4. et le quatrième η est le coefficient de reproduction, le nombre de neutrons émis par fission pour un neutron thermique absorbé par un noyau fissile. Il tient compte de la probabilité que l’absorption conduise à une fission et du nombre moyen de neutrons émis lors d’une fission.Typiquement η ~ 2

Ces valeurs « typiques » correspondent en réalité aux ordres de grandeurs usuels pour un réacteur contemporain à eau pressurisée (Précis de neutronique, Paul Reuss). Elles conduisent à un k ~1.25, réduit par les fuites de neutrons hors du réacteur (→k encore supérieur à 1 et ramené à 1 exactement par des grappes de barres de contrôle). En 1941-1942, Fermi obtenait des valeurs nettement plus faibles pour chacun de ces facteurs.

Du temps de Fermi, chacun des quatre facteurs était individuellement difficile à mesurer, et il était de plus entaché d’erreurs mais celles-ci se compensaient dans le produit. Mesurer directement k permettait d’évaluer immédiatement les effets des modifications apportées à une pile et Fermi utilisa par la suite le k calculé comme indicateur de criticité.

Neutronique élémentaire

La quantité centrale est le nombre n de neutrons qui se trouvent à un instant donné t au point donné x = {x,y,z} avec une vitesse donnée v = {vx,vy,vz}, ce qui fait 7 variables. On en déduit le flux de neutrons Φ(t,x,v) = v n. L’énergie du neutron est dans le domaine non-relativiste, même pour des neutrons rapides (E ~ 1 MeV << mneutron ~ 1 GeV), et a fortiori pour des neutrons lents et des neutrons thermiques, donc E = ½ mv2. Il s’agit en fait d’une densité (n est un nombre de neutrons par unité de volume) car densités et flux sont en pratique très élevés et on peut utiliser une approximation statistique et considérer les neutrons comme les molécules d’un fluide.

Formule « des quatre facteurs »

k = ε p f η

La première chose qui peut arriver à un neutron juste produit est de provoquer immédiatement une nouvelle fission. Le neutron est encore rapide, et il lui est à peu près aussi facile de fissionner un noyau d’uranium 238 que d’uranium 235 (mais les noyaux d’uranium 238 sont 140 fois plus nombreux dans l’uranium naturel). Le coefficient ε de fission rapide est le rapport entre le nombre de neutrons produits par les toutes les fissions et le nombre de neutrons produits par les fissions thermiques. Par définition, il est supérieur à 1 (et très supérieur dans le cas d’un réacteur à neutrons rapides et plus encore d’une bombe).

Dans un réacteur hétérogène comme celui envisagé par Szilárd et Fermi, les blocs d’uranium ont une taille de plusieurs centimètres, suffisante pour qu’un neutron possède une (petite) chance de provoquer une fission avant d’en sortir et de pénétrer dans le modérateur : le coefficient ε ~ 1.04. Ce coefficient étant proche de 1, beaucoup des premiers travaux le négligèrent d’autant plus volontiers que les incertitudes portant sur les autres coefficients étaient grandes. Il se révéla en fait crucial, les 4% qu’il apporte étant ce qui permit de franchir la valeur critique.

Les neutrons pénètrent ensuite dans le modérateur qui a pour but de les ralentir assez pour que leur énergie tombe en dessous de la région des résonances, minimisant le risque de capture. Mais certains ne sont pas assez ralentis avant de pénétrer à nouveau dans un bloc d’uranium où ils courent le risque d’être capturés sans fission. Ce risque est de l’ordre de 25%, une fraction p ~ 75% d’entre eux échappant à ce sort. C’est ici que la disposition et la taille des éléments modérateurs a toute son importance pour maximiser p. La capture sans fission par l’uranium résulte surtout des résonances de l’uranium 238, et cela conduit au choix d’un modérateur capable de ralentir efficacement les neutrons en dessous de la zone des résonances, et à une géométrie adaptée de l’uranium et du modérateur (c’était la différence essentielle en Allemagne entre les prototypes d’Heisenberg et ceux de Diebner). 40% des neutrons sont capturés avec un mélange homogène uranium eau lourde, 10 à 20% seulement avec un arrangement hétérogène optimisé (dimension du bloc ou du barreau d’uranium et espacement de ces blocs). Si l’on a «suffisamment» de neutrons, par exemple en disposant d’assez d’uranium 235, on peut se permettre d’en perdre 20% en adoptant un arrangement homogène, comme cela fut fait dans LoPo à Los Alamos en 1944.

Une fois thermalisés, les neutrons continuent à diffuser dans le réacteur, où ils risquent d’être capturés par différents matériaux avant d’avoir pu provoquer une fission (capture par le modérateur ou par les éléments de structure). Ce coefficient f d’utilisation des neutrons thermiques est généralement lui aussi proche de 80%, mais il peut être sensiblement plus grand (90 voire 95%) par un choix soigneux des matériaux, ou nettement plus faible si, par exemple, le modérateur possède trop d’impuretés (trop de bore dans le graphite). C’est à ce niveau également que vont intervenir les barres de contrôle, insérées dans le réacteur et constituées d’un matériau captant efficacement les neutrons comme le cadmium.

Enfin tous les neutrons thermiques capturés par l’uranium ne provoquent pas une fission: les neutrons capturés par l’uranium 238 donnent de l’uranium 239 (qui se transforme finalement en plutonium 239), ceux capturés par l’uranium 235 provoquent soit une fission, soit le transforment en uranium 236 de longue durée de vie (23 millions d’années). Le coefficient de reproduction η est le rapport entre le nombre de neutrons produits par fission et le nombre de neutrons absorbés par les différents isotopes de l’uranium. Chaque fission de l’uranium 235 par un neutron thermique produit en moyenne 2.42 neutrons, mais en raison des pertes par absorption sans fission, on a seulement η ~ 2.0. Ce coefficient est d’autant plus élevé que l’uranium est enrichi en uranium 235 (puisqu’il y a moins d’uranium 238 capable de capturer des neutrons sans fission). C’est pour cela que l’on doit utiliser de l’uranium enrichi si l’on emploie de l’eau légère comme modérateur : celle-ci diminue le coefficient f du fait de son taux supérieur de capture de neutrons comparé à l’eau lourde ou au graphite, et il faut compenser cette diminution en augmentant le coefficient η.

Avec les valeurs données pour les différents coefficients, le facteur de multiplication est k = 1.04 x 0.75 x 0.8 x 2.0 = 1.25. La réaction en chaîne divergerait exponentiellement ! Mais il faut tenir compte des neutrons qui s’échappent du réacteur. Deux coefficients additionnels en tiennent compte, la probabilité Lr (r pour rapide) de ne pas s’échapper avant d’être ralenti, et la probabilité Lt (t pour thermique) de ne pas s’échapper après avoir été ralenti. Pour les tailles habituelles des réacteurs, ces deux probabilités sont de l’ordre de 85 à 90% (10 à 15% des neutrons rapides s’échappent, ainsi que 10 à 15% des neutrons thermiques). Ce sont eux qui rendent radioactive l’enceinte du réacteur et nécessitent un blindage pour protéger les opérateurs et l’environnement.

La plupart de ces coefficients dépendent des matériaux employés et de leur arrangement géométrique.

Le premier problème que devaient résoudre les physiciens du Met Lab était de parvenir à choisir les matériaux et leur arrangement de sorte à parvenir à k > 1. Tant que ce ne serait pas le cas, même une « pile » de taille infinie ne permettrait pas de réaction en chaîne entretenue. Ensuite seulement, il conviendrait d’estimer la taille minimale permettant d’arriver à un réacteur critique k = k Lr Lt = 1.

Avec Lr = 0.89 et Lt = 0.90, pour donner un exemple, nous obtiendrions k = 1.00, soit une réaction exactement critique. Pour mettre le réacteur en route, il «suffirait» d’augmenter le coefficient f (en retirant une barre de contrôle en cadmium par exemple), et pour l’arrêter de diminuer le coefficient f en remettant la barre en place.

Supposons 1000 neutrons rapides produits par fission. 27 provoquent immédiatement une fission et disparaissent en produisant 2.48 x 27 = 67 nouveaux neutrons, soit une augmentation nette de 40 neutrons (⇔ ε = 1.04). Des 1040 neutrons désormais présents, 140 (13.5%) s’échappent du réacteur (⇔ Lr = 0.856), et les 900 restants sont ralentis. Parmi eux 180 (20%) sont absorbés de façon résonante par l’uranium 238, et sur les 720 survivants, 101 (14%) s’échappent dans l’environnement (⇔ Lt = 0.86). Il en reste donc 619 dont 124 (20%) sont absorbés par le modérateur et les barres de contrôle (⇔ f= 0.80), les 495 autres l’étant par l’uranium. Ceux-ci engendrent 495 x 2.02 = 1000 nouveaux neutrons, et le cycle se reproduit.

Cycle des neutrons dans un réacteur en régime stable
Cycle des neutrons dans un réacteur en régime stable

Modérateur

Parmi les matériaux qui constituent un réacteur nucléaire, le modérateur est le choix le plus crucial, qui détermine largement les autres. Pour produire de l’énergie, les neutrons lents sont évidemment préférables puisque la probabilité de réaction augmente à basse énergie (c’est l’effet découvert par Fermi en 1934), mais les neutrons venant d’une fission sont rapides. Il faut les ralentir, ce qui prend du temps et nécessite un choix soigneux du ralentisseur (modérateur selon le terme de Wheeler qui s’est imposé) et de sa géométrie. Un bon modérateur doit interagir fortement avec les neutrons (mais sans les absorber!) pour les ralentir efficacement en leur faisant perdre une fraction importante de leur énergie à chaque interaction. Le matériau ralentisseur le plus efficace est a priori celui dont la masse est aussi proche que possible de celle d’un neutron, donc l’hydrogène, suivi par le deutérium, le lithium, le béryllium… En fait, il faut également tenir compte de la section efficace de diffusion, car il faut d’abord que le neutron subisse une collision avant de pouvoir perdre de son énergie à cette occasion. C’est pour cela que le lithium est exclu.

Un neutron perd environ 60% de son énergie lors de collisions sur l’eau (63% sur l’hydrogène seul, mais il y a aussi l’oxygène, moins efficace), 40% sur l’eau lourde, 19% sur le béryllium, 16% sur le bore et 15% sur le carbone. La thermalisation, c’est-à-dire le passage d’un neutron rapide (énergie de l’ordre de 2 MeV) à un neutron thermique (0.025 eV à 20°C), est de ce fait beaucoup plus rapide en utilisant de l’eau normale (19 collisions suffisent en moyenne) plutôt que de l’eau lourde (35 collisions) ou du carbone (115 collisions). La fraction x d’énergie perdue dépend en effet assez peu de l’énergie des neutrons et, par conséquent, l’énergie initiale E0 devient EN = E0 (1-x)N après N collisions. À la place de la fraction x d’énergie perdue, on utilise souvent la quantité ξ = -ln(1-x) appelée décrément logarithmique.

Corollaire immédiat : il faut beaucoup plus de graphite que d’eau (légère) pour faire fonctionner un réacteur, puisque le ralentissement du neutron demande  plus d’étapes, qui se déroulent donc dans un volume plus grand.

Mais un bon modérateur ne doit pas absorber trop de neutrons. Par conséquent, un indicateur empirique de l’efficacité d’un modérateur est donné par le «rapport de modération» RM = ξ σdiffabs faisant intervenir le décrément logarithmique, et le rapport des sections efficaces de diffusion σdiff et d’absorption σabs. Ces deux sections efficaces varient fortement avec l’énergie du neutron, mais leur rapport beaucoup moins et cela permet au rapport RM d’être utile pour effectuer un premier tri des matériaux possibles. Le meilleur rapport de modération est celui de l’eau lourde, RM = 4830 en raison de sa très faible probabilité d’absorber un neutron, suivi par le carbone, RM = 216, et l’eau légère, RM = 62, le meilleur diffuseur mais aussi un absorbant non négligeable. Le bore, lui, est catastrophique (RM = 0.00086) en raison de sa probabilité beaucoup plus grande d’absorber le neutron au lieu de le diffuser: la section efficace de capture de neutrons thermiques par le bore 10 est en effet de 3835 barns (en raison d’une couche incomplète de 5 neutrons, mais seulement de 5.5 mb pour le bore 11 qui a 6 neutrons formant une couche complète). C’est pour cela que même de faibles traces de bore 10 (20% du bore naturel) dans le carbone (graphite) réduisent considérablement l’efficacité de ce dernier comme modérateur.

Modérateur Fraction x d’énergie perdue
par collision
Nombre de collisions pour
thermalisation
σdiffabs Rapport de
Modération
Eau légère
H2O
60% 19 67 62
Eau lourde
D2O
40% 35 9500 4830
Hélium 35% 42 120 51
Béryllium 19% 86 600 126
Bore 16% 105 0.005 0.00086
Carbone 15% 115 1400 216

Bien sûr, Fermi ne disposait pas en 1941-1942 de tous ces nombres (ceux-ci viennent d’un manuel de conduite de réacteurs du DoE) car plusieurs n’avaient pu être mesurés précisément, faute de temps, faute de moyens, ou faute de matériaux de pureté suffisante. Ne connaissant pas toutes les sections efficaces aux énergies nécessaires, Fermi extrapola à partir des mesures faites à d’autres énergies, et il parvint à interpoler l’effet des résonances. Ne disposant pas d’eau lourde aux États-Unis, Fermi et son équipe se tournèrent vers le deuxième choix, le carbone sous forme de graphite. Le choix du modérateur n’est qu’une première étape, la seconde étant d’optimiser la géométrie de la répartition relative du combustible et du modérateur (ainsi que les proportions de l’un et de l’autre). Mais avant cela, il fallait comprendre comment évoluaient les neutrons dans un réacteur.

Calculs numériques

Calculatrice Brunsviga 13ZK
Calculatrice Brunsviga 13ZK

La difficulté en 1941-1942 était d’estimer tous ces coefficients en mesurant d’une part, pour tous les matériaux utilisés, les sections efficaces d’absorption, de diffusion et – éventuellement – de fission en fonction de l’énergie des neutrons, et en calculant d’autre part les différents facteurs de perte en fonction de la dimension et de la géométrie des blocs d’uranium et de modérateur. Bien entendu, la valeur du facteur de multiplication k varie au cours du temps puisqu’il y a une diminution progressive de la proportion d’uranium 235, une augmentation de la quantité de produits de fission (qui affectent le flux de neutrons) et une augmentation de la quantité de plutonium 239 qui est lui même fissile. Le facteur de multiplication k n’est pas non plus identique d’un point à l’autre du réacteur, puisque le flux de neutrons est plus intense à proximité des blocs de combustible et plus faible à proximité des barres de contrôle ou à la périphérie du réacteur. Le calcul de la distribution du flux de neutrons dans une géométrie complexe est… complexe et ne peut pas être traité analytiquement. Il faut recourir à des méthodes numériques et, en 1942, cela voulait dire recourir à la règle à calcul, ou à des calculateurs mécaniques ou électromécaniques. Fermi utilisait en virtuose une calculatrice mécanique Brunsviga qu’il avait apportée de Rome, mais il passa rapidement aux calculatrices électromécaniques Marchant ou Friden bien plus rapides à l’usage.

Calculatrices Marchant
Calculatrice Marchant Silent Speed 10ACT

Fermi avait employé des méthodes de calcul numérique dès 1927, pour résoudre les équations différentielles auxquelles il aboutissait dans sa description statistique de l’atome comme un gaz d’électrons (modèle de Thomas-Fermi), et à nouveau dans les années 1930 lors de ses travaux sur la bombardement de noyaux par des neutrons.

La première « pile atomique »

Le terme de «pile» vient simplement du fait qu’il s’agit d’un empilement de matériaux (ce n’était pas une allusion à la pile électrique de Volta, même si Fermi était italien) et la qualificatif «atomique» au lieu de nucléaire lui fut donné pour des raisons de relations publiques: le rapport Smyth en 1945 parla ainsi d’énergie atomique, et les journaux de bombe atomique après Hiroshima et Nagasaki, des savants «atomistes», et même des espions «atomiques». Fermi et son équipe avaient commencé à Columbia par une série d’expériences à petite échelle pour explorer différents arrangements géométriques de la pile (la forme et la taille des éléments en particulier), différentes qualités des matériaux (comparaisons entre uranium métallique et oxyde), différents absorbants de neutrons (bore, cadmium) et différents réflecteurs (béryllium, paraffine).

Proto-piles

Samuel K. Allison (1900-1965)
Samuel K. Allison (1900-1965)

En février 1942, après le déménagement de Columbia à Chicago, Fermi et Anderson entreprirent avec Samuel Allison l’édification d’une nouvelle «pile», dite intermédiaire car elle ne devait pas encore atteindre la taille critique, sous le campus de l’université. Compton savait que l’eau lourde était un meilleur modérateur que le graphite, mais elle n’était pas disponible aux États-Unis (et il ne voulait pas payer le prix politique de l’utilisation de la petite quantité emportée par les Français), et il soutint donc l’emploi du graphite. Fermi apprécia peu le déménagement à Chicago, car au lieu de travailler avec une petite équipe soudée et de faire lui-même les expériences, il se retrouvait à diriger des équipes nombreuses, rédiger des rapports, participer à des réunions et à devoir sous-traiter à ses collaborateurs les parties qui l’intéressaient personnellement. De plus, il avait, depuis la déclaration de guerre de l’Italie aux États-Unis le 11 décembre 1941, le statut de ressortissant d’une puissance ennemie: sa liberté de mouvement fut fortement limité et son courrier était ouvert par la censure.

Fermi
Célébrissime image de Fermi au tableau noir (mais la constante de structure fine devrait être  alpha= e^2/hc)

La pile intermédiaire montra au cours de l’été 1942 qu’une réaction en chaîne entretenue était réalisable, Fermi estimant à k = 1.007 le facteur de multiplication pour une taille infinie (en utilisant presque uniquement de l’oxyde d’uranium). Fermi mena en personne l’analyse des piles exponentielles, assisté par Robert Christy, puis par Philip Morrison et Alvin Weinberg (qui appartenaient au groupe de Wigner, mais s’étaient spécialisés dans l’étude du facteur de multiplication). Wheeler contribua également à l’analyse.

En juillet 1942, Compton annonça à Conant que l’objectif k ~ 1.04 était probablement à leur portée. Les deux difficultés restant à résoudre étaient d’optimiser l’arrangement du réseau des blocs de graphite et d’uranium, et de rassembler une quantité suffisante de matériaux de pureté équivalente à ceux de cette pile. L’obtention en août par Seaborg d’un premier échantillon de plutonium pur, ultramicroscopique certes, fut également un encouragement à persévérer. Entre septembre et novembre, Anderson et Zinn construisirent 16 petites piles pour tester les matériaux et leur arrangement: il était possible de mesurer la dépendance du facteur k selon la configuration et le modérateur en plaçant une source de neutrons et des feuilles d’indium à différentes positions. L’indium était employé car c’est un remarquable détecteur de neutrons: l’indium naturel est à 96% de l’indium 115, qui devient de l’indium 116 en capturant un neutron. La section efficace de capture est énorme (154 barns pour l’isomère In115m1), et l’isotope formé se transforme en étain 116 stable, en émettant un bêta de 1 MeV et des gammas de 1 MeV et 1.3 MeV, aisément détectables, avec une demi-vie de 54 mn. C’est ainsi que Fermi put estimer qu’avec un meilleur arrangement le graphite et l’oxyde d’uranium donneraient k ~ 1.04, tandis que l’uranium métallique permettrait d’atteindre k ~ 1.07. Ce n’était pas beaucoup plus élevé que k = 1, mais cela suffisait pour que la réaction en chaîne diverge quand la taille critique serait atteinte.

Facteur de multiplication sous-critique

Chacun des neutrons présents, quelle qu’en soit la raison (source extérieure, fission spontanée, cosmique, etc.) peut provoquer la fission d’un noyau d’uranium, puis une réaction en chaîne. Dans un assemblage sous-critique k < 1, celle-ci s’éteint exponentiellement mais elle contribue à multiplier le flux de neutrons présents. Supposons initialement N neutrons présents : il y en a N k à la première génération, puis N k2 à la seconde, et ainsi de suite. Au total, N ∑ kn = N / (1-k) = MN neutrons sont présents, soit un facteur de multiplication sous-critique M = 1/(1-k) , formule seulement valable pour k < 1 bien entendu.

Cet effet permit d’estimer assez facilement le facteur de reproduction k en mesurant le flux de neutrons, proportionnel à M. Il suffisait de porter la valeur de 1/M en fonction du nombre de couches (par exemple) ou de la position d’une barre de contrôle, et d’extrapoler la droite pour anticiper à quel moment la criticité serait atteinte. Fermi pouvait ainsi, en mesurant le flux de neutrons en certains points précis de la pile, calculer le flux total de neutrons, et de là estimer avec précision l’approche de la criticité.

Facteur de multiplication sous-critique en fonction de la position d’une barre de contrôle : l’extrapolation à zéro de 1/M correspond au point critique. ©DoE
Facteur de multiplication sous-critique en fonction de la position d’une barre de contrôle : l’extrapolation à zéro de 1/M correspond au point critique. ©DoE

Chicago Pile 1

Les matériaux, graphite et uranium, pour la construction de la première pile «critique» CP-1 (pour Chicago Pile 1) commencèrent à arriver le 15 septembre et tout était là le 15 novembre. L’équipe de Fermi les usina au fur et à mesure de leur arrivée en briques et en cylindres. CP-1 aurait dû être installée dans un nouveau bâtiment construit dans la forêt d’Argonne, à une quarantaine de kilomètres au sud-ouest de Chicago, mais une grève des ouvriers en retarda l’achèvement qui était prévue pour le 20 octobre. La pile CP-1 fut reconstruite plus tard sur le site d’Argonne, légèrement modifiée sous le nom de CP-2.

Les tribunes de Stagg Field, le stade de football (américain) abandonné en 1939 et démoli en 1957, sous lesquelles était installée la pile CP-1
Les tribunes de Stagg Field, le stade de football (américain) abandonné en 1939 et démoli en 1957, sous lesquelles était installée la pile CP-1

En raison du retard, Fermi proposa en octobre à Compton de construire CP-1 à Chicago même, dans un cours de squash, sous les tribunes d’un stade de football de l’université, Staggs Field. Le stade était désaffecté depuis 1939, l’université de Chicago ayant supprimé son équipe de football américain après des saisons de plus en plus catastrophiques, culminant par des défaites cuisantes (0-47 face à l’université de Virginie, 0-61 face à l’université d’État de l’Ohio, 0-61 face à Harvard et 0-89 face à l’université du Michigan). C’est là qu’avaient été assemblées les proto-piles, mais cette fois la réaction devait diverger! Dans l’impossibilité d’en parler aux autorités de l’université, ni à celles de la région, Compton s’angoissa devant le risque d’un accident radioactif majeur en plein milieu d’une grande ville, mais Fermi jugea ce risque négligeable et Compton finit par donner son feu vert le 14 novembre. L’assemblage commença le 16 novembre, et deux équipes se relayèrent, 24 heures sur 24, sous la direction respective d’Anderson et de Zinn, supervisées par Fermi. Il existait un plan d’ensemble, mais pas de schéma détaillé, et chaque couche de graphite et d’uranium fut installée après des discussions avec Fermi qui calculait chaque fois longuement le meilleur arrangement en fonction de la qualité des matériaux disponibles, ainsi que la position des barres de contrôle. Le graphite utilisé contenait de 0.5 à 2 ppm de bore.

L’emplacement de Stagg Field (flèche A) au nord-ouest du campus de l’université de Chicago © GoogleMaps
L’emplacement de Stagg Field (flèche A) au nord-ouest du campus de l’université de Chicago © GoogleMaps

CP-1 avait la forme d’une sphère un peu aplatie de 7.8 m de large et de 6.2 m de haut, maintenue par un échafaudage en bois. Elle alternait briques de graphite d’une dizaine de cm d’épaisseur, fabriquées sur place ce qui rendit le sol très glissant pendant la construction, et cylindres d’uranium de 6 cm de diamètre et de hauteur, espacés de 20 cm, En fait la plupart des cylindres étaient en oxyde d’uranium parce qu’il n’y avait pas encore assez d’uranium métallique disponible. La plupart des cylindres d’uranium furent placés près du centre pour une meilleure efficacité, et l’oxyde en périphérie.

Section de la pile CP-1
Section de la pile CP-1

L’ensemble représentait 385 tonnes de graphite et plus de 40 tonnes d’uranium (6 tonnes de métal et 36 tonnes d’oxyde). Des barres de contrôle amovibles en cadmium, excellent absorbeur de neutrons, étaient insérées dans la masse. En place, elles étouffaient la réaction en chaîne. Progressivement retirées, elles permettaient à la réaction de prendre de l’ampleur jusqu’à atteindre le régime critique où un neutron serait produit pour chaque neutron absorbé. Il n’y avait aucun blindage contre les rayonnements (sinon le graphite lui-même) et aucun refroidissement car la puissance libérée devait être négligeable, 200 W au maximum, et pendant peu de temps.

CP-1 en construction : on distingue les briques de graphite et les cylindres d’uranium qui y sont insérés. Le marteau, en bas à gauche, donne l’échelle. ©Université de Chicago
CP-1 en construction : on distingue les briques de graphite et les cylindres d’uranium qui y sont insérés. Le marteau, en bas à gauche, donne l’échelle. ©Université de Chicago
CP-1 Le premier réacteur nucléaire ©DOE
CP-1 Le premier réacteur nucléaire ©DOE

La construction fut achevée le 1° décembre. En fait, Fermi avait surestimé la taille critique de la pile, mais l’assemblage avait été progressif, et l’équipe avait soigneusement mesuré l’évolution du flux de neutrons au fur et à mesure que les briques étaient ajoutées, ce qui avait permis de constater que l’on approchait de la taille critique plus vite que prévu (d’où la forme en ellipse légèrement aplatie). À chaque couche, en effet, les barres de contrôles étaient retirées et la réactivité de la pile était mesurée en observant la multiplication des neutrons des rayons cosmiques et des fissions spontanées toujours présentes. Cela permit de calculer que la taille critique serait atteinte à la 57° couche qui, selon le planning, devait être posée par l’équipe d’Anderson dans la nuit du 1° au 2 décembre. Anderson promit à Fermi de ne pas démarrer la réaction en chaîne pendant la nuit en retirant les barres de contrôle.

Maquette de la pile de Chicago ©University of Chicago
Maquette de la pile de Chicago ©University of Chicago

Avec ses 6 m sur 8 m, CP-1 n’était pas très grand. En comparaison, le cœur d’une centrale nucléaire (type EDF de 1500 MWe) mesure 14 m de haut et 5 m de diamètre, et utilise de l’uranium enrichi à 3%. Le compartiment réacteur d’un sous-marin (mais avec tout son environnement, turbines, etc.) occupe 12 à 15 m de long pour une dizaine de m de diamètre, une masse d’un millier de tonnes, et une puissance de 50 à 500 MWe. Il utilise de l’uranium très enrichi (de 20 à 80%) ce qui le rend plus compact, et plus silencieux.

Divergence

Le 2 décembre 1942, la barre de contrôle principale fut lentement retirée par étapes, tandis que Fermi surveillait de près l’augmentation du flux. À chaque retrait de la barre, le flux de neutrons augmentait un peu plus à chaque fois, avant de se stabiliser indiquant que le régime critique n’était pas atteint (le facteur de multiplication sous-critique 1/[1-k] augmente quand k approche de 1 et diverge quand k → 1).

Fermi calculait rapidement sur sa règle de combien il fallait lever la barre pour l’étape suivante. Juste avant que la pile arrive en régime critique, Fermi imposa une pause déjeuner (il avait fait la même chose à Rome lors de la découverte de l’effet des neutrons lents).

L'équipe de CP-1
L’équipe de la première pile (réunie ici devant Eckhart Hall en 1946). De gauche à droite, au premier rang : Enrico Fermi, Walter Zinn, Albert Wattenberg et Herbert Anderson. Au rang du milieu : Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger, Leona Woods (la seule femme de l’équipe) et Leo Szilárd. Au dernier rang : Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill, Robert Nobles, Warren Nyer, et Marvin Wilkening © Life & University of Chicago

Puis l’opération reprit et CP-1 passa le seuil critique à 15h20. Le flux de neutrons se mit à augmenter exponentiellement. Au bout de 28 mn, Fermi donna l’ordre de redescendre la barre de contrôle, le cliquetis du compteur de neutrons diminua puis s’arrêta. La réaction était stoppée. La démonstration était faite qu’une réaction en chaîne continue et contrôlée était possible. La valeur de k avait été limitée à 1.0006. La réaction en chaîne était amorcée par les inévitables neutrons provenant du rayonnement cosmique et de la fission spontanée de l’uranium.

L’enregistrement du flux de neutrons de CP-1 le 2 décembre 1942 ©DoE
L’enregistrement du flux de neutrons de CP-1 le 2 décembre 1942 ©DoE

 

La bouteille de Chianti offerte à Fermi par Wigner pour célébrer la première réaction en chaine contrôlée
La bouteille de Chianti offerte à Fermi par Wigner pour célébrer la première réaction en chaine contrôlée

Wigner offrit à Fermi une bouteille de Chianti qu’il avait apportée de Princeton pour le jour où Fermi réussirait la première réaction en chaîne. Le message de succès envoyé par Arthur Compton à James Conant est resté célèbre:

Le navigateur italien a abordé le rivage du nouveau monde, et il a trouvé les indigènes amicaux. Le monde est plus petit qu’il le pensait.

Le premier réacteur nucléaire opérationnel; CP-1
Peinture représentant la mise en route de la première réaction en chaîne ©DoE

Szilárd, lui, confia à Fermi que ce jour resterait dans les mémoires comme l’un des plus sombres de l’histoire de l’humanité.

Leona Woods, à droite en 1952 avec son mari John Marshall ©AIP
Leona Woods, à droite en 1952 avec son mari John Marshall ©AIP

Leona Woods (1919-1986) était la seule physicienne de l’équipe de Fermi qui réalisa CP-1. Elle avait en charge la réalisation et l’utilisation des compteurs Geiger. Avec son mari John Marshall, elle contribua à la solution de l’empoisonnement par le xénon (elle était alors consultante pour DuPont), et elle supervisa le fonctionnement des réacteurs de Hanford. Elle travailla ensuite à Brookhaven, à l’université du Colorado puis à UCLA. Elle se remaria avec Willard Frank Libby (1908-1980) qui avait travaillé à Columbia avec Urey sur la diffusion gazeuse, et reçut en 1960 le prix Nobel de chimie pour sa découverte de la datation par le carbone 14.

La pile CP-2 (CP-1 reconstruite) à Argonne © ANL
La pile CP-2 (CP-1 reconstruite) à Argonne © ANL

Mais CP-1 n’était qu’une étape, aussi cruciale fut-elle, sur la route du plutonium. CP-1 délivrait une puissance maximale de 200 watts à peine, mais elle ouvrait la voie aux usines à plutonium de Hanford. CP-1 fut démontée puis reconstruite — un peu différemment — sous le nom de CP-2 à Argonne, à l’écart de Chicago, et elle atteignit une puissance de 100 kW (la puissance d’un réacteur dépend directement du flux de neutrons tolérable, et de la capacité à extraire la chaleur produite). CP-2 servit à des études d’irradiation, de mesure de la capture des neutrons et à des essais d’instruments.

 


Contact: lettreani
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