Manhattan: Hanford et le plutonium

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Wigner et les «piles» de production

Pendant que Fermi et son groupe rassemblaient des matériaux de pureté suffisante et élaboraient leur disposition optimale pour réaliser CP-1, Wigner avait rassemblé une petite équipe (essentiellement des théoriciens). Il était très inquiet des progrès possibles des Allemands vers une bombe nucléaire. Lors d’une réunion à ce sujet convoquée par Compton au cours de l’été 1942 avec entre autres Fermi et Wigner, celui- ci estima que les Allemands pourraient réaliser en 6 mois un réacteur comme celui qu’il était en train de dessiner, réacteur capable de fournir en 3 mois assez de plutonium pour une bombe, et qu’il existait donc un risque non négligeable de voir la Grande-Bretagne ou les États-Unis très vite menacés par une telle bombe. Wigner était le destinataire de l’avertissement de Houtermans, et il connaissait très bien les physiciens allemands, mais il sous-estimait le temps nécessaire à la réalisation d’un réacteur puis d’une bombe et il ne savait pas que les Allemands s’étaient focalisés sur l’eau lourde et qu’ils menaient des recherches dispersées (et souvent rivales).

Alvin Weinberg (1915-2006)
Alvin Weinberg (1915-2006)

Les principaux assistants de Wigner furent Gale Young, un mathématicien qui avait aussi une formation d’ingénieur électricien, et Alvin Weinberg qui venait d’obtenir son doctorat à Chicago. Weinberg eut ensuite plus particulièrement la charge de s’occuper du réacteur pilote X-10, qui fut le premier réacteur nucléaire à fonctionner en continu (installé à Oak Ridge, dont Weinberg fut après la guerre le directeur scientifique). Katherine Way, qui avait travaillé à l’université de Caroline du Nord avec Wheeler, fut chargée d’estimer la radioactivité et la production de chaleur. Robert Christy, Gilbert Plass et Alvin Weinberg étaient en charge des calculs du facteur de multiplication neutronique k et de la configuration optimale des barres d’uranium. Francis Friedmann s’occupa du blindage en béton. Frederick Seitz (un élève de Wigner) se préoccupa des dommages causés au graphite par les neutrons rapides (l’effet Wigner, ou la «maladie de Wigner»). Le petit groupe travaillait 7 jours sur 7 et il était très soudé : Weinberg raconte dans ses passionnantes mémoires (The first nuclear era, AIP Press 1994) qu’ils s’appelaient tous par leurs prénoms (sauf Szilard que Wigner appelait «le Général» et Compton qui communiquait presque toujours avec eux par l’intermédiaire de Fermi ou de Wigner) Weinberg dit que les discussions entre Wigner et Teller étaient souvent vives, et que Fermi passait de temps en temps.

L’objectif du groupe de Wigner était la conception des réacteurs de très grande taille capable de produire du plutonium par kilos, la quantité nécessaire à un usage militaire. Un calcul simple permettait d’estimer la taille requise d’une telle installation. Chaque fission de l’uranium 235 libère ~200 MeV, sous forme de chaleur, et 2.5 neutrons en moyenne. L’un permet d’entretenir la réaction en chaîne, la plupart des autres finissent par être absorbés par l’uranium 238 et donner, au terme des réactions de transmutation, du plutonium 239. D’où une équivalence, approximative, de 200 MeV thermiques pour 1.5 atome de plutonium.

Traduit dans des unités parlant plus aux ingénieurs, un réacteur d’une puissance de 1 MWt produit 1 g de plutonium par jour. En effet, 1 g de plutonium contient 6.02×1023/239 = 25×1020 atomes, dont la production a libéré 25×1020x200/1.5 MeV, soit 5.3×1010 joules (1 MeV = 1.6×10-13 J). Soit une puissance de ~0.6 MW pendant une journée. Compte-tenu des pertes, cela donne la règle approximative 1 MWt = 1 g Pu/jour. À raison d’un minimum de 10 kg de plutonium par bombe (quantité alors très imprécise), Wigner estimait qu’il fallait réaliser des réacteurs de 100 MWt, capables chacun de produire assez de plutonium tous les 3 mois pour réaliser une bombe. Incidemment, le taux plus élevé de capture des neutrons par l’eau rend les réacteurs modérés par le graphite plus efficaces – à puissance égale – pour produire du plutonium. On parle ici de MWt, l’indice t signifiant thermique, pour la puissance libérée. Dans un réacteur produisant de l’électricité ou de l’énergie mécanique (moteur), l’énergie produite à partir de cette chaleur est bien plus faible car limité par le rendement de Carnot (2° principe de la thermodynamique): un réacteur à eau sous pression dépasse difficilement un rendement de 30 à 35%, d’où une puissance électrique en MWe = 1/3 MWt.

Le barrage de Grand Coulee sur la rivière Columbia © DoE-Bonneville Power Administration
Le barrage de Grand Coulee sur la rivière Columbia © DoE-Bonneville Power Administration

En comparaison, le plus grand barrage du monde à l’époque, Grand Coulee sur la Columbia qui venait à peine d’être achevé, délivrait une puissance de 2 000 MW. Réaliser plusieurs unités (une dizaine ?) de 100 MW était donc une entreprise d’envergure. Ironiquement, Grand Coulee fut justement la principale source d’énergie de l’usine à plutonium de Hanford où furent finalement implantés trois réacteurs de production de 250 MWt. Le contrat avec DuPont pour la construction du site de Hanford fut signé le 28 décembre 1942, les 3 réacteurs entrèrent en fonctionnement en septembre 1944, décembre 1944 et février 1945 respectivement, et les toutes premières livraisons de plutonium après extraction arrivèrent à Los Alamos en février 1945.

Mais la conception des réacteurs de Hanford fut tortueuse. La formation d’ingénieur chimiste de Wigner le rendait à même de réaliser les plans d’une telle usine, mais elle le fit entrer en conflit avec les ingénieurs qui avaient d’autres idées sur la question. La première étape fut de déterminer la meilleure manière de récupérer l’uranium irradié pour en extraire le plutonium sans démonter le réacteur. La deuxième étape était d’extraire le plus efficacement possible les centaines de MW libérés sous forme de chaleur dans l’uranium pour éviter que tout fonde. Un réacteur de production différerait donc fondamentalement de la pile expérimentale que construisait alors Fermi. D’abord le combustible, l’uranium, serait placé dans de longs tubes relativement faciles à enfiler ou à extraire de la masse de graphite. Cette disposition entrainait plus de pertes de neutrons que les courts cylindres de 6 cm de Fermi, donc une plus grande difficulté à aboutir à la criticité, mais après tout l’absorption de neutrons pour produire du plutonium était l’objectif premier du réacteur. Pourquoi ne pas avoir imaginé des tubes métalliques alternant à l’intérieur cylindres d’uranium et cylindres de graphite ? Voir la réalisation concrète des «slugs».

Le choix du modérateur était également essentiel, et les physiciens du groupe de Wigner au Met Lab réexaminèrent encore une fois l’eau (lourde et légère), le béryllium et le graphite. L’eau lourde était optimale (k en théorie de 10% supérieur au graphite) mais elle demeurerait indisponible en quantité appréciable pendant encore 2 ou 3 années au minimum. Christy et Weinberg explorèrent cependant la possibilité d’un réacteur modéré à l’eau légère pour déterminer si une bonne disposition du combustible nucléaire ne permettrait pas d’atteindre k ~ 1. Mais ils conclurent qu’il était impossible de dépasser k ~ 0.9 avec de l’uranium naturel, mais que si l’uranium était enrichi de 0.7% à 1% (ou mieux 2 ou 3%) alors k = 1 devenait possible.

Il fallait ensuite extraire la chaleur produite, et tout l’éventail des gaz, solides et liquides fut passé en revue pour trouver ceux qui auraient les meilleures caractéristiques thermiques, mais aussi nucléaires. L’hydrogène et l’hélium apparurent comme les gaz les plus efficaces, et l’eau comme le meilleur liquide, malgré la corrosion. Le refroidissement par air était le plus simple, et il fut employé pour le réacteur pilote X- 10 à Oak Ridge, en raison de sa faible puissance. Il fut également employé après guerre par les Britanniques à Windscale et le premier réacteur y divergea en juillet 1950. La filière Magnox développée ensuite par les Britanniques (Calder Hall en 1956, et d’autres sites ensuite) utilisa du gaz carbonique, comme la filière française UNGG (uranium naturel, graphite, gaz) utilisée à Marcoule, Chinon, Saint-Laurent et Bugey 1.

L’ingénieur Thomas Moore avait été recruté dès mars 1942 par le Met Lab pour réaliser les plans des réacteurs de production. Il était venu de la société Humble Oil avec son assistant Miles C. Leverett, et comme ils n’avaient aucune notion de physique nucléaire, Wheeler lui avait été affecté. En septembre 1942, Moore proposa un réacteur uranium-graphite refroidi par hélium : un cube de 460 tonnes de graphite (à peine plus que CP-1) serait percé de 376 tubes verticaux, contenant chacun 22 cartouches d’uranium et de graphite, et au travers desquels de l’hélium circulerait à haute température et sous haute pression. L’hélium avait l’avantage de capturer extrêmement peu de neutrons et de ne pas être corrosif. Un mur de graphite additionnel entourerait la pile comme barrière contre le rayonnement, ses segments sphériques valant à la pile le sobriquet de Mae West.

Principe d’un réacteur uranium-graphite vu par la bande dessinée (Adventures Inside the atom, General Electric 1946)
Principe d’un réacteur uranium-graphite vu par la bande dessinée (Adventures Inside the atom, General Electric 1946)

Wheeler raconte qu’au début de l’été 1942, Wigner préférait encore l’hélium pour le refroidissement, Weinberg dit cependant que Wigner esquissait dès avril un réacteur refroidi par eau (malgré l’absorption additionnelle de neutrons que cela entraînerait). Au fur et à mesure que l’on parvenait de plus en plus à purifier l’uranium et le graphite de leurs contaminants et que l’on approchait de k ~ 1, l’avantage de l’hélium de ne pas absorber de neutrons devint moins crucial et Wigner fut de plus en plus critique envers le refroidissement par l’hélium. Les températures de fonctionnement seraient plus élevées qu’avec d’autres fluides de refroidissement, et Wigner estimait que qu’il serait très difficile de maintenir l’étanchéité du circuit d’hélium à haute pression dans un environnement radioactif à haute température, que les matériaux alors disponibles en seraient gravement fragilisés, et que la maintenance de l’usine serait un cauchemar permanent. Les Britanniques construisirent de 1958 à 1962 à Winfrith un réacteur expérimental (Dragon) modéré par le graphite et refroidi par l’hélium.

Szilárd, de son côté, avait proposé une pile très compacte refroidie par la circulation d’un métal liquide, sans aucune pièce mobile (il aurait employé la pompe électromagnétique qu’il avait développée près de 20 ans plus tôt avec Einstein). Mais il ne put obtenir le bismuth qu’il voulait pour le refroidissement : le bismuth capture très peu de neutrons, fond à 271°C et sa densité en fait un bien meilleur refroidisseur que l’hélium. Szilárd ne renonça pas à son projet, mena des expériences sur la corrosion du bismuth liquide, et il proposa en juillet 1944 lors d’une revue de projets au Met Lab un réacteur compact de 250 MW destiné à la production d’électricité, utilisant la fission du plutonium par neutrons rapides (donc sans modérateur) et refroidi par un alliage de bismuth et de plomb. L’intérêt d’un tel alliage est qu’il fond à 123°C mais n’entre en ébullition qu’à 1670°C, et qu’il a une très faible conductivité thermique (mais une forte capacité calorifique quand même ?). La haute température améliore aussi le rendement thermodynamique (Carnot !), le réacteur est très léger et très compact, et l’alliage plomb-bismuth se solidifie rapidement en cas de fuite. Ses inconvénients sont une forte corrosion, une fragilité du réacteur et le fait que le bismuth se transforme en polonium hautement radioactif par capture neutronique. Il faut également prévoir une source extérieure de chaleur pour éviter la solidification de l’alliage lors d’un arrêt du réacteur, ou ne jamais arrêter le réacteur même pour le recharger ou pour en assurer la maintenance. Les Soviétiques l’ont utilisé dans les 7 sous- marins d’attaque de la classe Alfa (nom de code de l’OTAN, les Soviétiques l’appelant Projet 705 ou Lyra), compacts et très rapides (44 nœuds), qui connurent un bref service de 1977 à 1990 (le prototype fut mis hors d’usage dès 1974 par une fuite de l’alliage plomb-bismuth). Ils utilisèrent deux types de réacteurs de 155 MWt, OK-550 puis BM-40A. Des projets de tels réacteurs compacts reviennent d’actualité, les uns inspirés de ceux des Alfas (SVBR-100) soit différents (Hyperion, Myrrha).

Schéma de réacteur rapide refroidi par un alliage plomb-bismuth fondu (projet de Génération IV)
Schéma de réacteur rapide refroidi par un alliage plomb-bismuth fondu (projet de Génération IV)

Dès avril 1942, Wigner proposait un modèle différent: un réacteur de 100 MWt refroidi par eau et capable de produire un peu moins de 100 g de plutonium par jour (rapport CE-140). Le projet fut raffiné en juillet (rapport CE-197). Compton demanda à Wigner de revoir son projet à la hausse et d’envisager un réacteur de 500 MWt produisant 500 g de plutonium par jour. Le projet fut terminé en décembre (rapport final CE-407 du 9 janvier 1943) : un cylindre de graphite de 4 m sur 8 m (100 ou 200 m3 ?) traversé verticalement par 1500 tubes d’uranium (recouvert d’une enveloppe d’aluminium protégeant l’uranium de la corrosion) et refroidi par un passage continuel d’eau le long de ces tubes, depuis un réservoir situé au dessus vers un autre placé en dessous. L’eau est un refroidisseur très efficace : un débit de 2.5 m3/s permet d’évacuer 500 MW de chaleur au prix d’un réchauffement de 50°C. Le réacteur fonctionnerait donc à basse température sans problème de métallurgie dû aux hautes températures et sans problème d’étanchéité. Le rendement aurait été ridicule s’il avait fallu produire de l’énergie (rendement de Carnot) mais ce n’était pas l’objectif : la chaleur partait dans la nature, ou plus précisément dans l’eau de la rivière Columbia.

Une pile uranium graphite refroidie par eau présente par contre deux inconvénients graves: d’une part l’eau absorbe des neutrons, réduisant de 3% le facteur de multiplication k (et pendant l’été 1942 c’était une pénalité très lourde), d’autre part une élévation de température vaporise l’eau, réduisant son efficacité pour évacuer la chaleur et augmentant simultanément le facteur de multiplication : la réaction s’emballe (c’est ce qui est arrivé à Tchernobyl). Wigner était conscient de ces risques, mais il jugea que le refroidissement par eau était préférable aux températures de fonctionnement très élevées du refroidissement par hélium.

Le réacteur de Hanford vu par la bande dessinée (Adventures Inside the atom, General Electric 1946)
Le réacteur de Hanford vu par la bande dessinée (Adventures Inside the atom, General Electric 1946)

Le groupe de Wigner estima les différents coefficients de la « formule à quatre facteurs », ajoutant à la suggestion de Szilard le coefficient de fission rapide (les 3% additionnels se révélant désormais cruciaux). Les calculs, laborieux, firent grand usage des calculatrices Monroe, Marchant et Friden, utilisées par les membres les plus jeunes de l’équipe. Le réseau à 2 dimensions constitué par les barres d’uranium fut traité par (transformées de Fourier et) fonctions de Bessel Les principaux problèmes à résoudre étaient les dimensions et l’espacement des barres d’uranium et des barres de contrôle, la manière d’évacuer les centaines de MW de chaleur (choix du fluide de refroidissement, de son débit et de son passage à l’intérieur ou à l’extérieur des barres d’uranium), le choix d’un blindage contre les rayonnements, en particulier les neutrons, et les aspects de maintenance comme le chargement et le déchargement des barres (barres continues ou formées de tronçons séparés, les slugs mot qui signifie lingot, jeton, ou limace !). Le meilleur compromis parut des barres d’uranium de 1.7 cm de diamètre espacées de 20.5 cm (en pratique les blocs de graphite étant fournis avec une taille de 21.4 cm, c’est ce qui fut retenu). Wigner supervisa tout, jusqu’aux plans détaillés de Hanford réalisés en 1943 par DuPont.

 

Wigner et Seitz découvrirent que le bombardement des neutrons provoquait des dislocations dans la structure cristalline du graphite. Il suffit de 25 eV pour déplacer un atome de carbone dans le réseau, et un neutron de 1 MeV provoque un millier de collisions en cascades, délogeant de nombreux atomes de leurs positions. La plupart occupent une des places libérées par les autres, mais certains atomes finissent par s’immobiliser en dehors des positions d’énergie minimale du réseau. Cette accumulation d’énergie potentielle peut atteindre plusieurs centaines de joules/kg, et elle peut être libérée brutalement, sous forme d’une montée rapide en température pouvant atteindre 1200°C. Pour éviter « l’effet Wigner », il faut soit fonctionner à une température dépassant 250-300°C, soit procéder périodiquement (tous les 3 à 6 mois) à un recuit du graphite. Cet effet est le responsable de l’incendie du réacteur britannique n°1 de Windscale (aujourd’hui Sellafield) du 8 au 12 octobre 1957 lors d’un recuit mal mené : la montée en température ne put être arrêtée et provoqua la combustion d’une partie des 15 t d’uranium métallique (pas la combustion du graphite comme généralement affirmé) : U + O2 → UO2. L’accident dispersa de l’iode 131, du césum 137, du xénon 133 et du strontium 90 (1/3 des quantités de Tchernobyl).

Les deux réacteurs de Windscale
Les deux réacteurs de Windscale
Réacteur n°1 de Windscale dont le cœur est un cylindre de graphite de 15 m de diamètre et 7 m de haut, refroidi par air
Réacteur n°1 de Windscale dont le cœur est un cylindre de graphite de 15 m de diamètre et 7 m de haut, refroidi par air

Les scientifiques hésitaient entre les différentes propositions et ils auraient voulu attendre les résultats de CP-1 pour faire leur choix, mais le 5 octobre 1942 Groves ne leur laissa qu’une semaine pour figer la conception. Compton opta pour laisser Fermi poursuivre la réalisation de CP-1 jusqu’en décembre, puis de laisser fonctionner en continu une pile « intermédiaire » (refroidie) à Argonne jusqu’en juin 1943 avant d’en extraire le plutonium, tout en construisant une «Mae West» à hélium de 100 MWt à Oak Ridge de sorte qu’elle fabrique 100 g de plutonium par jour à partir de mars 1944. L’idée de Compton était que celle-ci soit à la fois un outil de test et la première unité d’un ensemble de production, tout en laissant se poursuivre en parallèle des recherches sur les piles refroidies par liquide (en incluant le projet de Szilárd).

En fait, rien ne se passa de cette façon car Groves imposa DuPont, d’abord le 3 octobre pour construire l’usine de séparation chimique du plutonium alors prévue à Oak Ridge, puis ensuite pour la réalisation des réacteurs de production, remplaçant la compagnie Stone & Webster. Hanford fut également choisi comme site au lieu d’Oak Ridge pour éviter de mettre au même endroit les réacteurs de production, leurs usines de séparation chimique et les usines de séparation isotopique. Chacune de ces installations exigeait en outre une énorme puissance électrique, et la puissance totale ne pouvait pas être disponible en seul endroit. Groves trouva aussi qu’Oak Ridge était trop proche de Knoxville (20 km) et ses 120 000 habitants en cas d’accident nucléaire, et il opta pour le site nettement plus isolé de Hanford, à 20 km de Pasco, une bourgade de 4 000 habitants à l’époque (200 000 aujourd’hui), et à 250 km de Seattle ou de Portland.

Wigner ayant fini par avoir gain de cause, son groupe finalisa la conception d’un réacteur refroidi par eau, en liaison avec les ingénieurs de DuPont. Ceux-ci avaient opté pour des barres horizontales pour le réacteur expérimental refroidi par air, et Wigner reprit l’idée. Crawford Greenewalt, l’ingénieur en chef de DuPont pour le projet, fut très réticent vis-à-vis du refroidissement par eau : il craignait qu’un défaut de pression dans un tube conduise à l’ébullition de l’eau, et donc à un refroidissement moins efficace et à une fusion ou un incendie du cœur. Ce type de réacteur a un « coefficient de vide positif » et risque de s’emballer comme à Tchernobyl. Greenewalt était cependant plus inquiet encore de la solution de refroidissement par hélium sous pression, qui demandait une étanchéité quasi-parfaite et des compresseurs très spéciaux qui risquaient d’être longs à réaliser. En février 1943, Greenewalt finit par recommander le refroidissement par eau comme la moins mauvaise solution. Les ingénieurs de DuPont sous la direction de George Graves modifièrent le projet de Wigner en réduisant la puissance de 500 à 250 MWt, en utilisant un blindage en isorel et béton plutôt qu’en eau, et surtout en prévoyant d’ajouter 500 barres additionnelles d’uranium aux 1500 prévues « au cas où ». Ils jugeaient que le saut de la pile de Fermi de quelques watts à un réacteur de plusieurs centaines de mégawatts était risqué et voulaient réduire ces risques. Greenewalt avait demandé la possibilité de barres additionnelles au cas où l’habillage des barreaux par l’aluminium devrait être plus épais, ou doublé, pour réduire les risques de leur corrosion qui pouvaient disperser des produits très radioactifs dans la rivière Columbia. Une épaisseur accrue d’aluminium pouvait absorber de précieux neutrons, et la possibilité d’ajouter des barres permettrait de compenser ces pertes. Ces barres additionnelles, qui remplissaient les angles du bloc de graphite, se révélèrent extrêmement utiles lors de la mise en route du réacteur B de Hanford et la découverte de l’empoisonnement au xénon. Wigner revit de très près les plans de DuPont, insistant en particulier pour porter le nombre de barres de sécurité de 9 à 29 (selon Weinberg dans ses mémoires, mais il confond peut-être les 9 barres horizontales de contrôle et les 29 barres verticales de sécurité).

Projets de nouveaux réacteurs

Néanmoins, les physiciens qui venaient de réaliser le premier réacteur nucléaire et de concevoir les plans de ceux de Hanford se virent privés début 1943 de toute responsabilité majeure dans le passage à grande échelle de leur travaux, d’où une intense frustration.

Une fois lancée la construction des réacteurs de Hanford, l’équipe rassemblée autour de Wigner se retrouva disponible et elle se lança dans la conception d’un réacteur de production modéré par l’eau lourde. Des contacts furent pris avec le groupe de Urey à Columbia, dont Karl Cohen (plus tard directeur de la division nucléaire de General Electric) et H.C. «Ace» Vernon, un ingénieur de DuPont. Il vint ensuite s’installer à Chicago, mais les relations demeurèrent un peu distantes. Le groupe de Wigner étudia des configurations homogènes (calculant pour elles un facteur de multiplication k ~ 1.08) et en réseau (k ~ 1.2). La solution hétérogène de barres d’uranium plongées dans l’eau lourde était donc plus efficace, mais la possibilité de réaliser un réacteur critique avec une « soupe » homogène d’uranium et d’eau lourde était séduisante car elle simplifiait considérablement l’ingénierie : plus besoin de milliers de cylindres d’uranium soigneusement usinés, ni de milliers de tubulures pour faire circuler l’eau. Des expériences se déroulèrent à Chicago en 1943 et 1944 pour trouver une solution aqueuse stable de l’uranium, mais cela se révéla difficile. Des solutions de sulfate UO2SO4 ou de nitrate d’uranyle UO2(NO3)2 furent mises au point plus tard(l’uranyle est l’ion UO2++). Le groupe de Wigner proposa donc en septembre 1943 un réacteur à eau lourde hétérogène (projet P-9), 10 fois plus petit que Hanford pour une puissance comparable. Un comité dirigé par Tolman en recommanda la construction comme solution de repli si les réacteurs au graphite ne donnaient pas satisfaction, mais cela n’eut pas de suite. En fait le projet de Wigner ne fut réalisé, modifié, qu’en 1953 à Savannah River où 5 réacteurs furent mis en route entre décembre 1953 et mars 1955 pour la production de plutonium à usage militaire.

Enrico Fermi et Walter Zinn (qui fut le premier directeur de l’Argonne National Laboratory) © ANL
Enrico Fermi et Walter Zinn (qui fut le premier directeur de l’Argonne National Laboratory) © ANL

En guise de consolation, une version miniature fut lancée : un réacteur expérimental hétérogène à eau lourde fut étudié en quelques mois sous la direction de Walter Zinn, et construit début 1944 à Argonne (près de Chicago). L’eau lourde avait commencé à être produite début 1943 dans une usine située à Trail, au Canada, en Colombie Britannique. Trail est d’ailleurs aussi sur la rivière Columbia, près de la frontière avec les Etats-Unis et à 400 km de Vancouver. La production était de 6 000 litres par an. Le réacteur CP-3 (CP-2 était le nom donné à la pile CP-1 démontée et reconstruite à Argonne) divergea en mai 1944. Sa puissance n’était que de 300 kW mais il laissa entrevoir un avenir commercial pour ce type de réacteur.

La pile CP-3 à Argonne, le premier réacteur à fonctionner en utilisant l’eau lourde ©ANL
La pile CP-3 à Argonne, le premier réacteur à fonctionner en utilisant l’eau lourde ©ANL

Le principe du réacteur à eau lourde fut ensuite essentiellement développé par les Canadiens, qui disposaient de grandes réserves d’uranium naturel, d’une usine d’eau lourde (et de grandes ressources hydroélectriques) : après ZEEP, le réacteur expérimental de Chalk River, la filière CANDU (Canada Deutérium Uranium) fut mise au point et continue toujours à être développée.

Principe d’un réacteur CANDU
Principe d’un réacteur CANDU

Un Comité pour de Nouvelles Piles se réunit régulièrement à Chicago du printemps 1944 au printemps 1945 et il explora un très vaste éventail de projets, au cours duquel fut envisagée la quasi-totalité des types actuellement connus de réacteurs, aussi bien pour la production de plutonium que d’électricité, ou pour la propulsion de navires (et même d’avions). Les participants réguliers en étaient Fermi, Wigner, Szilard, Allison, Franck, Weinberg. Fermi attira l’attention lors de l’une de ces réunions sur deux dangers futurs : la possibilité d’un détournement de plutonium par des groupes hostiles, et la production de quantités phénoménales de radioactivité.

Les difficultés alors rencontrées à Los Alamos, tant avec le projet de bombe à uranium 235 (faute de séparation isotopique opérationnelle) qu’avec celui de bombe au plutonium (à cause de la contamination en Pu 240) poussèrent Wigner à s’intéresser à l’uranium 233, lui aussi fissile par neutrons lents. Celui-ci n’existe pas naturellement, et Wigner eut l’idée d’un «convertisseur» pour transformer du thorium 232 (fissile uniquement par neutrons rapides et aussi impropre à une réaction en chaîne que l’uranium 238) en uranium 233. C’est l’origine de la «filière thorium» aujourd’hui proposée. Glenn Seaborg fit remarquer peut après que l’uranium 233 serait nécessairement contaminé par l’uranium 234 qui risquait de présenter le même problème de fission spontanée et d’empêcher une bombe-canon.

Lors de la réunion du 26 avril 1944, Fermi exposa un principe de réacteur produisant plus de plutonium qu’il n’était consommé d’uranium et de plutonium (ancêtre des surgénérateurs, baptisé breeder par Szilard) en utilisant des neutrons rapides (d’où plus de neutrons secondaires en ce cas, 2.5 au lieu de 2.1). Wigner et Soodak présentèrent un projet de réacteur à neutrons rapides en 1945. Mais Wigner était réticent devant l’idée d’un réacteur rapide contenant plusieurs masses critiques de plutonium. Il explora aussi la possibilité d’un réacteur homogène avec le l’uranium 233 en suspension dans de l’eau lourde.

Farrington Daniels proposa un réacteur dans lequel une pile de sphères de graphite contenant des billes d’oxyde d’uranium était refroidie par un courant de gaz (hélium). La proposition n’eut pas de suite immédiate, mais elle est l’ancêtre des projets actuels de réacteur à lit de boulets (peeble bed reactor), technologie a priori de meilleur rendement (haute température) et plus sûre (quoique le graphite puisse s’enflammer et disperser des matériaux fortement radioactifs). La «pile Daniels» fut réexaminée dès 1946 par Daniels avec Etherington (d’Allis-Chalmers) et McCullough (de Monsanto) sous la forme d’un réseau de plusieurs dizaines de kg d’uranium 235 presque pur, modéré par du béryllium et refroidi par de l’hélium à haute température. Le projet parut irréaliste du point de vue économique et stoppé par l’AEC en 1947 : le gramme d’uranium 235 coûtait alors 100 $ et il produirait 7 MWh d’électricité, autant que 3.5 tonnes de charbon ne coûtant alors que 4 $ la tonne (sans compter le coût du réacteur lui-même !). L’équipe se lança alors dans la réalisation d’un réacteur naval, pour lequel les questions de rentabilité économique ne se posaient pas. Le prix de l’uranium enrichi chuta d’ailleurs très vite avec les progrès des techniques d’enrichissement.

NB : fission de 1 g d’uranium par jour ⇔ 1 MW thermique ⇔ avec un rendement thermique de 30%, énergie libérée par la fission de 1 g = 1 MW x 24 h x 0.3 ~ 7 MWh électrique.

Un réacteur expérimental de 40 MWe uranium-graphite-hélium a fonctionné à Peach Bottom en Pennsylvanie de 1966 à 1974 sans problème. L’AEC construisit ensuite en 1968 à Fort Saint-Vrain, dans le Colorado, un réacteur de 330 MWe (840 MWt) avec des microbilles de carbure d‘uranium fortement enrichi (93%) et de thorium dans une matrice de graphite refroidie par l’hélium. Il entra en service en 1976 et son rendement de 40% était meilleur que celui des centrales à eau (PWR) en raison de la température de fonctionnement de 500°C, et la génération de matériau fissile à partir du thorium lui donnait une durée de vie triple des autres réacteurs (burnup de 90 GWt.jour/tonne au lieu de 30). Mais les problèmes d’étanchéité du circuit d’hélium se révélèrent aussi insurmontables que Wigner l’avait craint 25 ans plus tôt et le réacteur fut arrêté en 1989, puis reconverti en 1996 en centrale thermique au gaz.

Calcul approximatif du burnup : 1 g d’uranium 235/jour = 1 MWt ⇔ 1000 GWt.jour/tonne U235 = 30 GWt.jour/tonne U enrichi à 3%. Autrement dit une centrale PWR typique de 1 GWe (3 GWt) «brûle» 1 tonne d’uranium enrichi en 10 jours. Elle en contient ~ 100 tonnes, de quoi fonctionner 1000 jours (3 ans sans recharge) bien qu’en pratique on change 1/3 du cœur à chaque maintenance (tous les ans).

Décharger complètement un réacteur revient à le désactiver. En pratique, un cœur n’est totalement vide que 2 fois dans sa vie: avant d’être chargé et après son démantèlement! Dans le cœur d’un réacteur nucléaire, le flux neutronique n’est pas homogène, autant radialement qu’axialement. Il est plus important au centre du réacteur et décroit en se rapprochant de la périphérie. Pour compenser, améliorer le rendement, optimiser la puissance et limiter l’irrégularité de l’usure du combustible, on utilise des barres de combustible à enrichissement variable. Les barres au centre du cœur sont plus faiblement enrichies qu’en périphérie. En pratique et pour respecter la règle des tiers, on utilise 3 enrichissements différents, dans 3 zones différentes du cœur (enrichissement en moyenne, entre 1,5 et 3%). Au plan nucléaire, un réacteur se comporte donc en fait comme 3 réacteurs différents (dit de façon simplifiée voire simpliste) même si toutes les zones “interagissent” entre elles: la réaction “globale” est optimisée mais de façon locale, le comportement neutronique est variable. Comme en moyenne, la vie d’un combustible est de 3 ans, on le change par tiers et par zone, 1/3 (une zone) chaque année, cette zone étant toujours la zone faible (on ne décharge que la zone faible). Quand don dit qu’un réacteur st déchargé, ça veut dire que la zone faible est déchargée mais jamais le cœur entièrement! On décharge la zone la plus faiblement enrichie. On dépose ces barres dans la piscine de transfert. On déplace le combustible de la zone 2 (plus fortement enrichi mais déjà “usé”) dans la zone 1. On déplace la zone 3 dans la zone 2. On remplace le combustible de la zone 3 (la plus fortement enrichie) par du neuf. Charger un réacteur veut donc dire “remplacer le combustible de la zone 3). On ne charge que cette zone.

Le Manhattan Engineer District

Le 18 juin 1942, Roosevelt avait ouvert un crédit de 80 M$ pour la recherche sur les armes nucléaires. Le Manhattan Engineer District (dont le siège fut initialement à Manhattan, 270 Broadway) fut constitué en août 1942. Le Corps des Ingénieurs de l’U.S. Army est découpé sur une base géographique en divisions et en districts, de manière très souple puisque les districts sont créés et supprimés selon les besoins. Il n’y avait donc rien de surprenant à la création d’un nouveau district basé à Manhattan. Sauf que ce district particulier possédait en réalité une compétence territoriale couvrant tous les États-Unis, et que son siège a vite quitté Manhattan pour Washington.

Le colonel Leslie R. Groves fut nommé le 17 septembre 1942 à la tête du Manhattan District, et promu général dans la foulée. Il avait supervisé la construction du Pentagone (septembre 1941-janvier 1943), le plus grand immeuble de bureaux du monde, et il avait une réputation de redoutable efficacité. Les choses allèrent effectivement très vite, puisque l’objectif était d’avoir des bombes opérationnelles dès l’été 1945.

Leslie R. Groves (1896-1970)
Leslie R. Groves (1896-1970)

Au moment où Groves prit ses fonctions, les États-Unis disposaient d’assez peu d’uranium 238, et bien sûr pas d’uranium 235 ou de plutonium. Il n’existait pas de plans d’armes nucléaires autres que les esquisses du Summer Study, ni d’idées précises sur les quantités de matériau fissile nécessaires, juste un ordre de grandeur. Il n’existait aucune usine de séparation isotopique, à peine des plans pour en construire. Aucun réacteur nucléaire ne fonctionnait encore, même à titre expérimental, et aucune usine de production et de séparation du plutonium n’était décidée. Et, malgré tous les efforts de Compton, il n’existait qu’une vague coordination entre les projets plus ou moins disparates menées dans plusieurs dizaines de laboratoires différents.

Le général Groves avait une forte personnalité et ne s’embarrassait guère de nuances et de subtilités. Sa vision du monde était en noir et blanc et il se méfiait grandement des scientifiques (à ses yeux tous quelque peu antimilitaristes, voire communistes, et trop souvent d’origine étrangère et donc peu fiables). Il était beaucoup plus à l’aise avec les ingénieurs, étant l’un d’eux, et il fit très largement appel aux sociétés d’ingénierie comme Stone & Webster ou Kellogg, et aux grandes entreprises privées comme DuPont, Kodak, Union Carbide, General Electric, Standard Oil ou Chrysler à qui il accorda les contrats de construction et d’exploitation des immenses usines nécessaires.

Liste (partielle) des groupes industriels impliqués :

  • Allis-Chalmers Company
  • Bakelite Corporation
  • Bell Telephone Laboratories
  • Canadian Radium and Uranium Company
  • Consolidated Mining and Smelting Company – devenu Cominco
  • E.I. du Pont de Nemours and Company
  • General Electric Company
  • Hooker Electrochemical Company
  • M.W. Kellogg Company (sans rapport avec les céréales !)
  • Monsanto Chemical Company
  • Standard Oil Development Company
  • Tennessee Eastman Company
  • Union Carbide and Carbon Corporation
  • Westinghouse Electric and Manufacturing Company

Donner aux ingénieurs plutôt qu’aux physiciens le contrôle du projet garantissait également Groves contre toute «rébellion» possible des scientifiques qui ne s’étaient lancés dans le projet d’arme nucléaire que par crainte de l’Allemagne nazie. En URSS au contraire, ce sont les physiciens, Kourtchatov et Khariton en tête, qui supervisèrent la construction des usines et les contrôlèrent ensuite. L’incompréhension, parfois teintée de mépris, fut longtemps réciproque entre physiciens et ingénieurs du programme Manhattan. Wigner, Fermi et les physiciens du Met Lab estimaient que seuls les physiciens pouvaient concevoir les réacteurs et les usines de séparation isotopique (ce qui était assez juste) et qu’ils étaient parfaitement capables de s’occuper de leur développement et de leur réalisation industrielle. Ils se rebellèrent devant ce qu’ils considéraient comme un «hold-up» commis par les gros industriels. Wigner écrivit directement le 20 novembre 1942 à Bush pour exiger que ce soit les physiciens qui contrôlent le programme (conception, fabrication et utilisation des usines) et non les ingénieurs, et encore moins les militaires. Il soutenait qu’il faudrait des mois avant que les ingénieurs de DuPont se familiarisent avec le domaine tout nouveau pour eux du nucléaire, alors que le temps était extraordinairement précieux. Il soupçonnait également, à tort, DuPont de se soucier plus de bien se placer pour dominer le nucléaire civil après la guerre que de réaliser au plus vite les réacteurs de Hanford.

Jenö Pal (Eugene Paul) Wigner ©Nobel Foundation
Jenö Pal (Eugene Paul) Wigner Jenö Pál (Eugene) Wigner (1902-1995) ©Nobel Foundation

Wigner était extrêmement soucieux des progrès éventuels des Allemands vers une bombe nucléaire. Pendant l’été 1942, Compton avait demandé à Wigner et Fermi leur avis sur ce risque, Wigner dit qu’il avait reçu un avertissement de Houtermans et il estima que — si les Allemands avaient les mêmes connaissances qu’eux — il leur faudrait 6 mois pour construire un réacteur de production de plutonium, 3 mois de fonctionnement avant d’en extraire le plutonium, deux mois pour en faire une bombe. Les délais étaient très courts !

 

Arthur Compton dut user de toute sa diplomatie pour parvenir à instaurer une étroite collaboration entre les physiciens (dont beaucoup avaient déjà reçu le prix Nobel comme Fermi et Franck, ou allaient le recevoir comme Seaborg, McMillan, Wigner ou Segrè) et les ingénieurs (parmi lesquels de futurs stars comme Crawford Greenewalt, futur président de DuPont, ou Eger Murphree, co-inventeur du craquage catalytique et futur président de la Standard Oil, devenue Exxon. Que DuPont, en particulier, ait construit sa fortune sur les poudres et explosifs, et que ses dirigeants soient politiquement très conservateurs, n’arrangeait pas les choses.

Edward Condon en 1950 © Life
Edward Condon en 1950 © Life

Edward Condon parlait d’une «préférence abusive pour l’action au préjudice de la pensée», en se référant aux choix effectués par Groves et par les contractants industriels, et il démissionna au bout de deux mois de ses fonctions de directeur adjoint de Los Alamos en raison de divergences d’appréciation irrémédiables. Groves essaya également à plusieurs reprises de mettre Szilárd à l’écart du programme Manhattan, et même de le faire interner comme risque pour la sécurité. Szilárd avait tenté de jouer des droits que lui conféraient ses brevets pour maintenir son influence dans le programme nucléaire, mais Groves lui adressa un ultimatum : céder ses brevets ou être placé complètement à l’écart du projet. Szilárd céda. Groves mit en place une politique de brevets telle qu’aucun physicien, ni aucun contractant industriel, ne puisse se prévaloir de ses travaux pour influencer la politique nucléaire du gouvernement américain.

Groves avait une parfaite connaissance des programmes de construction, des questions financières, du monde industriel et de la planification de la production. Il avait une grande expérience de la coordination des tâches complexes et de la gestion des grands projets. Il n’était pas impliqué émotionnellement dans les choix techniques et scientifiques, il n’était pas sensible à l’élégance d’une solution si elle risquait de retarder le programme, et il ne perdit jamais de vue l’objectif final. Groves sut déléguer ses responsabilités en structurant très fortement l’ensemble du programme nucléaire. Il le découpa en secteurs pratiquement étanches les uns vis-à-vis des autres, sauf aux plus hauts niveaux de la hiérarchie qui en assurait la coordination. Cela assurait bien sûr la sécurité militaire en limitant au maximum les risques de fuite, mais cela limita aussi gravement la transmission des connaissances et des expériences d’un secteur à l’autre, entraînant des retards et des erreurs évitables. L’expertise des Britanniques en matière d’enrichissement comme en matière d’explosifs fut longtemps délibérément rejetée. En majorité, les scientifiques n’acceptèrent que très difficilement ce cloisonnement, et un petit nombre finit par ne plus le supporter et par quitter le programme. Ils n’ont pas été très nombreux, d’abord parce que c’était la guerre et que l’adversaire risquait de les précéder dans la construction d’une bombe nucléaire, et ensuite parce que les défis scientifiques et techniques rencontrés étaient extrêmement stimulants.

Organigramme (très simplifié) de l’ensemble du programme Manhattan © Groves Now it can be told
Organigramme (très simplifié) de l’ensemble du programme Manhattan © Groves Now it can be told

Le Manhattan Engineer District (MED) était très fortement hiérarchisé, du fait de sa structure militaire, mais il rassemblait un vaste réseau de laboratoires fédéraux (à commencer par Los Alamos), de laboratoires universitaires (universités publiques comme Berkeley ou privées comme Columbia), de laboratoires industriels (DuPont, General Electric, Eastman), d’usines (construites par le privé et gérées sous contrat par le privé ou par le public selon le cas) et d’une foule de sous-traitants. Les décisions importantes, politiques, industrielles ou techniques ne furent pratiquement jamais prises par un individu seul mais par des commissions (Commission Lewis en 1942 sur le choix des méthodes de séparation isotopiques, Top Policy Group sur les décisions stratégiques, etc.).

Bush rédigea le 16 décembre 1942 un rapport à Roosevelt, qui faisait le point des travaux (dont la première divergence de la pile de Fermi) et présentait le programme prévu : construction à grande échelle d’usines de séparation isotopique (par diffusion gazeuse et par séparation électromagnétique), construction de réacteurs de production et d’une usine de production d’eau lourde, et production des premières bombes à partir du premier semestre 1945. Le rapport présentait aussi une facture de 500 M$, et Roosevelt donna son feu vert le 28 décembre pour un programme devant mener à la production de bombes (le feu vert un an plus tôt était pour un programme de recherches sur la faisabilité de ces bombes).

Cadre politique et militaire: 23 octobre 1942, seconde bataille d’El Alamein et victoire de Montgomery sur Rommel ; 8 novembre, débarquement allié en Algérie, 10 novembre, occupation allemande de la « zone libre » en France ; 15 novembre, victoire américaine à Guadalcanal ; 19 novembre, contre-offensive soviétique à Stalingrad ; 2 décembre, divergence de CP-1

Effort industriel

Le programme nucléaire fut d’abord un énorme effort d’organisation et d’ingénierie, bien plus encore qu’un programme de recherche scientifique. D’une certaine façon, l’essentiel des connaissances scientifiques nécessaires était acquis début 1943, et les scientifiques se sont ensuite surtout attachés à réaliser une arme opérationnelle. Groves impulsa sans merci un colossal effort technique, scientifique et industriel. Le programme Manhattan rassembla plus de 120 000 personnes et finit par coûter 2 milliards de dollars de l’époque (environ 30 millions en dollars actuels, et l’équivalent de près de 100 milliards en poids sur l’économie, atteignant 1% du PNB). Henry DeWolf Smyth a rédigé au cours de l’été 1945 un rapport officiel, rendu public après les bombardements d’Hiroshima et de Nagasaki, qui présentait tout l’effort industriel accompli. L’un des buts de ce rapport était bien sûr de justifier le coût immense du programme aux yeux des contribuables, mais il permettait aussi à tous les participants de voir leurs efforts reconnus : la plupart retournèrent en effet à la vie civile à la fin de la guerre, et ils devaient pouvoir justifier de leurs activités et de leurs compétences, malgré le secret militaire et industriel.

Il fallait passer très vite de microgrammes à plusieurs dizaines de kilos de produits fissiles, et le plus souvent inventer des méthodes et des procédés inexistants. Tous les moyens disponibles, toutes les solutions furent explorées en parallèle, et Groves obtint dès le 26 septembre 1942 une priorité maximale (priorité AAA) pour le programme Manhattan. Il était très clair dans son esprit qu’il s’agissait de construire une arme américaine sous contrôle américain exclusif et destinée à jouer un rôle central dans la diplomatie américaine future. Le danger d’une bombe allemande était jugé important, tandis que celui d’une bombe japonaise ou soviétique n’était guère pris au sérieux (ces pays étant – à tort – considérés comme technologiquement arriérés et juste bons à copier les réalisations américaines). La question demeure ouverte de savoir si pour les militaires et les politiques américains, le risque nucléaire allemand pesait alors plus lourd ou moins lourd que la perspective de disposer d’une domination militaire écrasante après la guerre.

Organigramme du programme Manhattan
La partie technique et scientifique de l’organigramme du programme Manhattan © Sylvain Lenfle

Nommé le 17 septembre 1942, Groves acquit dès le lendemain 1250 tonnes de minerai d’uranium d’origine belge, stockées à Staten Island. Le 19, il acquit 210 km2 de terrain au bord de la rivière Clinch dans le Tennessee près de la petite ville d’Oak Ridge pour le futur site X destiné à la séparation isotopique. Le 26, il obtint que le programme Manhattan ait une priorité absolue en ce qui concerne le recrutement de personnel et la fourniture de matériaux. Le 5 octobre, il rencontra les principaux scientifiques au Met Lab à Chicago et leur laissa moins d’une semaine pour figer les plans des futurs réacteurs de production de plutonium, et il entra immédiatement en pourparlers avec la firme DuPont de Nemours pour leur réalisation (le site finalement choisi fut le site W, Hanford dans l’état de Washington). Il reprit l’idée d’Oppenheimer d’un petit laboratoire d’étude de la fission rapide, l’amplifia considérablement en lui attribuant aussi la conception et la réalisation des armes, décida le 12 octobre de l’installer à l’écart de toutes les autres installations, et il en confia le 15 octobre la direction à Oppenheimer, choix validé le 19 par Bush. Ce fut le site Y, qu’Oppenheimer choisit le 16 novembre d’installer à Los Alamos au Nouveau Mexique.

À la différence d’Oak Ridge et de Hanford, le site Y n’avait pas de gros besoins en matière d’alimentation électrique. Mais il devait être isolé des regards, car on y concevrait des bombes, et être aussi loin que possible des côtes pour être hors de portée des Allemands et des Japonais (qui avaient peu avant bombardé des villes côtières à partir de sous-marins). Le choix initial de Jemez Springs au Nouveau- Mexique, trop confiné et sans route d’accès utilisable, fut rejeté au profit de Los Alamos, dans une région qu’Oppenheimer connaissait bien pour y passer des vacances depuis plusieurs années dans son ranch de Perro Caliente. L’Armée acquit en février 1943 le site d’un internat de garçons, la Los Alamos Ranch School, ainsi que tous les terrains environnants.

L’emplacement des principaux sites du programme Manhattan.
L’emplacement des principaux sites du programme Manhattan.

Le site W : Hanford

DuPont

Crawford H. Greenewalt, l’ingénieur de DuPont qui construisit Hanford ©Time
Crawford H. Greenewalt, l’ingénieur de DuPont qui construisit Hanford ©Time

Groves signa le 28 décembre 1942 un contrat avec la société DuPont pour la conception, la réalisation et l’exploitation d’un ensemble de plusieurs réacteurs nucléaires. Il avait choisi cette société en raison de l’expérience qu’elle venait de démontrer dans le passage rapide de recherches de laboratoire à l’édification d’usines de production géantes avec le nylon. L’ingénieur qui avait dirigé le passage à l’échelle industrielle de la production du nylon, Crawford H. Greenewalt, prit la direction technique du projet. DuPont avait créé dès le 16 décembre 1942 une division indépendante, baptisée TNX, avec un groupe technique chargé d’assurer la liaison avec les physiciens et de traduire leurs équations en plans techniques, et un deuxième groupe chargé de la conception détaillée et de la construction des réacteurs et des usines (DuPont était une des rares grosses sociétés à construire elle-même ses usines). Greenewalt se heurta immédiatement à l’opposition des physiciens du Met Lab (Fermi, Szilárd, Wigner) qui tenaient à conserver la maîtrise des opérations. Avec beaucoup de diplomatie, et l’appui d’Arthur Compton, Greenewalt réussit à les convaincre des mérites de son approche : planification, prototype puis gel des configurations, marges de sécurité pour tenir compte des « imprévus prévus » mais aussi des « imprévus imprévus ». Les physiciens resteront marqués par cette approche, qui se retrouve dans les grands projets de la Big Science d’après guerre, du nucléaire à l’espace. Le contrat avec DuPont prévoyait que cette société ne toucherait qu’un seul dollar (plus les frais), car DuPont avait fait l’objet de violentes critiques après la Première guerre mondiale au sujet des bénéfices qu’elle avait alors réalisés dans la production d’explosifs (qui avait été sa spécialité depuis sa fondation, et jusqu’à sa reconversion des années 1920 dans les matériaux synthétiques).

Le choix de Hanford

DuPont avait examiné de près les projets de réacteur du Met Lab avant d’accepter la responsabilité de la construction – initialement envisagée sur le site d’Oak Ridge. La société estima pouvoir affecter le personnel nécessaire, malgré la charge de travail que représentait alors la fabrication à grande échelle d’explosifs pour l’Armée et la Marine. L’idée d’installer les réacteurs de production à côté du réacteur pilote X-10 parut cependant vite risquée : d’abord la place manquait sur le site pour installer 3 gros réacteurs et les usines de séparation associées, ensuite la consommation d’eau et d’électricité risquait de vite saturer les ressources du site, enfin la proximité de la ville de Knoxville inquiétait Groves. Greenewalt et Groves se mirent alors en quête d’un autre site, de préférence dans l’Ouest.

Les critères étaient stricts : une zone vierge de 15 km sur 20 km au minimum, pas de grande route ni de voie ferrée importante à moins de 15 km, pas de ville de plus de 1000 habitants dans un rayon de 30 km, des ressources en eau supérieures à 2 m3/s et une alimentation électrique de plus de 100 MW. Parmi les 6 sites possibles, du sud de la Californie au nord de l’État de Washington, celui de Hanford présentait le meilleur compromis.

La région de Hanford (marqué par A) : la région de Seattle est à 300 km au nord-ouest, le barrage de Grand Coulee à 150 km au nord.
La région de Hanford (marqué par A) : la région de Seattle est à 300 km au nord-ouest, le barrage de Grand Coulee à 150 km au nord

Groves fit donc acheter en janvier 1943 une zone de 1 500 km2 dans l’État de Washington, le long de la rivière Columbia. La région était peu peuplée (les quelques villages furent vidés de leurs habitants) mais accessible cependant par le rail et la route, le terrain était plat et rocheux et à même de soutenir les immenses constructions de béton, l’eau était abondante pour le refroidissement des réacteurs, et le site serait bien alimenté en électricité par les barrages de Grand Coulee et de Bonneville. Il fallut cependant construire plusieurs centaines de km de routes, de voies ferrées et de lignes à haute tension, des milliers de logements (à bonne distance des usines), des centaines de bâtiments administratifs et d’ateliers de maintenance, des magasins et des restaurants, des réservoirs et des châteaux d’eau, et même tout un réseau d’égouts. Une ville champignon s’éleva rapidement, à quelque distance des réacteurs par sécurité, Les conditions de vie étaient très pénibles, surtout dans les premiers mois, et beaucoup de travailleurs démissionnèrent rapidement. La construction de meilleurs logements, de lieux de loisirs et des salaires plus élevés améliorèrent la situation et la ville comptait près de 51 000 habitants pendant l’été 1944 (dont 9% de femmes). Presque tous ignorèrent jusqu’à la fin du conflit la nature réelle et l’objectif de leur travail.

La zone résidentielle provisoire (Hanford Camp) pendant la construction de Hanford
La zone résidentielle provisoire (Hanford Camp) pendant la construction de Hanford

Le noyau initial du personnel d’exploitation fut formé à Oak Ridge sur le réacteur pilote X-10 et l’usine de séparation du plutonium associée. La construction des réacteurs proprement dits commença dès juin 1943, avant que les plans n’aient été complètement finalisés. Les difficultés principales vinrent des tolérances extrêmement sévères, aussi bien pour les éléments des réacteurs, comme les briques de graphite, que pour l’étanchéité absolue exigée des bâtiments de séparation du plutonium (pour éviter de disperser des produits radioactifs dans l’atmosphère). Après la mise en route, la radioactivité serait trop intense pour que des modifications majeures soient apportées aux bâtiments.

Vannevar Bush, James Conant et Leslie Groves à Hanford
Vannevar Bush, James Conant et Leslie Groves à Hanford

Le site de Hanford rassembla à l’époque 3 réacteurs uranium-graphite (B, D et F) destinés à la production à grande échelle de plutonium et 3 usines de séparation chimique (T, B et U) pour extraire le plutonium du combustible irradié. Une usine de déminéralisation pour l’eau de refroidissement fut construite à côté du réacteur B, mais elle ne servit finalement pas car une technique plus rapide de purification fut trouvée entre temps.

La région de Hanford, avec le réacteur B (flèche A). Le réacteur D se trouve plus à l’est, juste avant le coude de la rivière et le F juste après. Les autres zones grises le long de la rivière sont les réacteurs construits après la guerre, comme les 2 réacteurs K (flèche B). Plus au sud, les complexes d’extraction du plutonium (les « Queen Mary » et bâtiments annexes).
La région de Hanford, avec le réacteur B (flèche A). Le réacteur D se trouve plus à l’est, juste avant le coude de la rivière et le F juste après. Les autres zones grises le long de la rivière sont les réacteurs construits après la guerre, comme les 2 réacteurs K (flèche B). Plus au sud, les complexes d’extraction du plutonium (les « Queen Mary » et bâtiments annexes).

Le réacteur de test HTR

Un petit réacteur fut également construit (Hanford Test Pile, puis Test Reactor, HTR) dans le bâtiment 305 pour vérifier la qualité des matériaux utilisés dans les réacteurs de production (graphite, uranium, tubes d’aluminium) et tester leur tenue aux rayonnements. Le cœur était un cube de graphite de 5.3 m de côté, entouré d’une couche réflectrice de 30 cm de graphite et de près de 2 m de béton, et percé de 519 trous pour le refroidissement par air. 20 trous rectangulaires horizontaux permettaient d’insérer les matériaux à tester. Les 27 tonnes d’uranium étaient réparties dans 292 barres espacées de 22 cm. Des barres de cadmium verticales et horizontales permettaient le pilotage de ce réacteur. Sa puissance était très faible, moins de 50 W. Il entra en fonctionnement en mars 1944 et deux mois plus tard il fonctionnait 24h/24 pour les tests de matériaux. Il ne fut arrêté qu’en mai 1972.

La face avant du réacteur de test de Hanford (HTR) : sur la gauche de l’opérateur, les emplacements de test pouvant être glissés à l’intérieur du cœur.
La face avant du réacteur de test de Hanford (HTR) : sur la gauche de l’opérateur, les emplacements de test pouvant être glissés à l’intérieur du cœur.

Le réacteur B

Réacteur B de HanfordLe réacteur B fut conçu par Wigner et sa construction commença le 7 juin 1943. La puissance accrue ne permettait pas de le refroidir par air, et Wigner avait opté pour un refroidissement par eau. Il était certainement conscient du danger inhérent de ce type de réacteur : si le débit d’eau de refroidissement baissait, la chaleur dégagée par la fission (et les produits de fission) conduirait à l’ébullition de l’eau et à sa vaporisation. Sa densité diminuant, l’eau absorberait moins de neutrons, le facteur de réactivité k augmenterait de 3%, suffisant à accélérer la réaction en chaîne hors de contrôle. Cela ne se produit pas dans les réacteurs à uranium enrichi et eau sous pression, car celle-ci joue aussi le rôle de modérateur dévolu au graphite à Hanford : une perte de liquide de refroidissement diminue aussi la modération et ralentit la réaction en chaîne.

Schéma d’un réacteur à uranium naturel modéré par le graphite et refroidi par l’eau (ici, il s’agit d’un réacteur russe RMBK, mais le principe est le même à Hanford) © Wikipedia
Schéma d’un réacteur à uranium naturel modéré par le graphite et refroidi par l’eau (ici, il s’agit d’un réacteur soviétique RMBK, mais le principe est le même à Hanford) © Wikipedia

Le réacteur était formé d’un cylindre (couché sur le côté) de graphite de 12 m de diamètre sur 9 m de long (2 200 tonnes = 1 000 m3) percé de 2 004 tubes d’aluminium de 1.7 cm de diamètre, espacés de 22 cm, et formant 46 rangées horizontales. Chaque tube était rempli de 32 « crayons » (slugs) d’uranium de 20 cm de long, enveloppés d’aluminium. Des crayons vides perforés étaient intercalés entre les crayons d’uranium, et des crayons de 15 cm remplis d’un alliage de bore et de plomb étaient placés aux extrémités des tubes. En tout, il y avait 180 tonnes d’uranium (Weinberg dit 250, la différence vient peut-être du remplissage des angles après le xénon). Neuf barres horizontales en acier au bore, de 12 m de long et 11 cm de diamètre et refroidies par une circulation d’eau, permettaient de piloter le réacteur. Deux étaient déplacées électriquement, et les 7 autres hydrauliquement. 29 barres de sécurité verticales de 13 m de long et 7 cm de diamètre, également en acier au bore, étaient suspendues au-dessus du graphite. Elles étaient retenues par un électro-aimant et pouvaient tomber instantanément par gravité en cas d’urgence. Un liquide au bore pouvait, en dernier recours, être pompé depuis un réservoir situé au dessus du réacteur le long des barres de sécurité. Le cœur formait une enceinte étanche remplie d’hélium qui permettait d’extraire l’humidité, les gaz formés par la fission, ainsi qu’une partie de la chaleur. La quantité de vapeur d’eau présente permettait aussi de s’assurer de l’absence de fuite d’eau dans les circuits de refroidissement.

Hanford : schéma du réacteur B © DoE
Hanford : schéma du réacteur B © DoE
Hanford : la face avant à l’intérieur du réacteur B ©DoE
Hanford : la face avant à l’intérieur du réacteur B ©DoE

La puissance atteignait 250 MW thermiques pour fournir 6 kg de plutonium par mois. L’eau de refroidissement, pompée à 3 m de profondeur (avec des filets anti-poissons) dans la rivière Columbia était filtrée, traitée chimiquement avec du bichromate de soude (pour réduire la corrosion) et stockée dans 4 réservoirs de 7 000 m3 avant d’être envoyée vers le réacteur. Deux châteaux d’eau de 1 200 m3 chacun servaient en cas d’urgence. L’idée de refroidir cette eau fut abandonnée, de même que l’usine de déminéralisation. Le débit de 2 m3 d’eau par seconde (à la mise en route du réacteur, près de 5 quand la puissance fut augmentée) passait à 60 m/s entre les tubes et le graphite, et cela produisait un vacarme assourdissant. Après son passage dans le réacteur, l’eau décantait 3 à 4 h dans un réservoir avant de retourner à la rivière.

Les vannes de régulation de la circulation d’eau
Les vannes de régulation de la circulation d’eau

Le pilotage du réacteur était très simple, au début du moins. Les opérateurs réglaient le degré d’enfoncement des barres de contrôle. Un système automatique de sécurité activait les barres de contrôle et de sécurité dès que le flux de neutrons dépassait un certain seuil, mesuré par 4 chambres d’ionisation placées autour du réacteur, ou en cas de panne de courant. Très vite des jauges de pression furent ajoutées à chacun des 2004 tubes (d’où 2004 cadrans à surveiller), avec un arrêt automatique dès que la pression dans l’un des tubes devenait trop forte ou trop faible. Des thermocouples surveillaient également la température de sortie de l’eau de chaque tube (normalement limitée à 65°C), ainsi que la température en plusieurs points du graphite et du blindage autour. La radioactivité de l’eau en sortie était aussi mesurée par 39 chambres d’ionisation (une pour chaque tuyau principal d’évacuation): une augmentation anormale signalait que l’un des crayons s’était fissuré laissant pénétrer l’eau dans l’uranium qui gonflait, bloquait la circulation d’eau, chauffait et fondait. Des produits de fission pouvaient également passer dans l’eau à cette occasion.

Le poste de commande du réacteur B de Hanford. Les 9 gros cadrans indiquent la position des 9 barres de contrôle, les curseurs noirs en dessous la puissance du réacteur
Le poste de commande du réacteur B de Hanford. Les 9 gros cadrans indiquent la position des 9 barres de contrôle, les curseurs noirs en dessous la puissance du réacteur

Xénon !

Le chargement en uranium commença le 18 septembre 1944 et le réacteur divergea le soir du 26 septembre, en présence de Fermi et Greenewalt. À ce moment là, seuls 901 tubes sur 2004 étaient remplis avec de l’uranium. La puissance fut progressivement augmentée jusqu’à 9 MW et elle se stabilisa à ce niveau. Mais la puissance commença à diminuer régulièrement après quelques heures de fonctionnement. Les physiciens se demandèrent si l’eau de refroidissement avait eu un effet imprévu, ou si l’azote de l’air absorbait trop de neutrons, et demandèrent une réduction de la puissance à 0.2 MW le matin du 27, mais la réactivité continuait à décliner. Via les barres de contrôle, les opérateurs arrêtèrent complètement le réacteur à la recherche de fuites, sans succès.

Le chargement d’un barreau d’uranium vu par Hergé (Objectif Lune)
Le chargement d’un barreau d’uranium vu par Hergé (Objectif Lune)

Mais le réacteur repartit spontanément dans la nuit, remontant de lui-même à 0.2 MW au matin du 28 septembre. Les physiciens décidèrent alors de remonter la puissance à 9 MW comme précédemment. La même séquence se répéta, la réactivité se stabilisa puis baissa à nouveau rapidement. En analysant la séquence de départs et d’arrêts, les physiciens se demandèrent si le rayonnement du réacteur induisait le dépôt sur les tubes d’une substance quelconque qui absorbait les neutrons, substance que l’eau de refroidissement parviendrait à dissoudre pendant les réductions de puissance. L’alternative était la génération d’un produit de fission à vie courte (~ 7 h) dont le descendant, également à vie courte (~ 9 h), serait un gros absorbeur de neutrons. Wheeler, alors à Hanford, résolu le problème dès le matin du 29 septembre en identifiant les coupables — via leurs durées de vie — comme étant l’iode 135 et le xénon 135. Cela impliquait que ce xénon devait avoir une section efficace de capture des neutrons au moins 30 fois supérieure à celle de tout autre isotope alors connu ! Le xénon 135 avait été étudié par Emilio Segrè et Mme Wu Chien-Shiung mais sans que cette particularité ait été remarquée. Selon d’autres sources, la personne ayant identifié la responsabilité du xénon 135 serait Wigner [selon Rhodes Dark Sun], Fermi et Wheeler [selon Alvin Weinberg], ou Leona Woods, mais Wheeler assure que c’est lui!

Parmi les nombreux produits de fission de l’uranium, le xénon 135 est en effet un véritable piège à neutrons (sa section efficace de 2.6 millions de barns le rend 150 fois plus efficace dans ce rôle que le cadmium des barres de régulation). Au fur et à mesure de sa production, il étouffait donc les réactions en chaîne. Mais comme sa durée de vie n’est que de 9 heures (il se transmute en césium 135) et que d’autre part il se transforme par capture neutronique en xénon136 stable ne capturant pas de neutrons, au bout de quelques jours la quantité de xénon devenait assez faible pour que la réaction en chaîne reparte, et le cycle recommençait. L’empoisonnement au xénon est une complication très importante du pilotage des réacteurs (il a contribué à l’accident de Tchernobyl).

L’empoisonnement au xénon n’avait pas été repéré sur le réacteur pilote car, en raison de sa faible puissance, le xénon n’avait pu s’accumuler en quantité suffisante pour étouffer la réaction en chaîne. Wheeler calcula qu’il fallait augmenter la réactivité de 1.3% pour compenser les pertes de neutrons dues au xénon. Les marges de sécurité imposées par les ingénieurs de DuPont permirent de compenser ces pertes : en remplissant d’uranium les 500 barres d’angle, le facteur de multiplication k augmenta de 0.27%. Les ingénieurs n’avaient pas anticipé le risque particulier du xénon, mais ils avaient jugé que multiplier la puissance d’un facteur 100 les exposait à des phénomènes inconnus, et ils avaient préféré surdimensionner le réacteur pour parer aux imprévus. Sinon, le réacteur aurait dû fonctionner à puissance plus réduite, 90 MW probablement, jusqu’à ce que le bore résiduel du graphite soit suffisamment détruit par les captures neutroniques pour récupérer 0.2 ou 0.3% sur le facteur de multiplication k. L’alternative de démonter le réacteur (il avait fonctionné trop peu de temps pour que la radioactivité soit trop intense) pour l’agrandir aurait fait perdre plusieurs mois. Le fonctionnement reprit, les tubes furent chargés les uns après les autres en uranium au cours des 3 mois suivants et la puissance put monter à 100 MW.

Le 20 décembre 1944, 2002 des 2004 tubes étaient chargés en uranium et le réacteur fonctionna désormais en continu jusqu’au 16 mars 1946, la puissance prévue de 250 MW étant atteinte en février 1945. Entre temps, les premiers éléments (slugs) avaient été extraits de la région centrale (la première chargée) le 24 novembre 1944, laissés reposer dans l’eau jusqu’au 26 décembre, puis le plutonium en fut séparé chimiquement en janvier 1945 avant de partir à Los Alamos où les 720 g arrivèrent le 2 février.

Hanford : le réacteur B et les bâtiments annexes © DoE
Hanford : le réacteur B et les bâtiments annexes © DoE

Le fonctionnement du réacteur ne fut pas optimal pendant la guerre, faute d’expérience et faute de temps pour effectuer des essais. En particulier, la disposition des barres de contrôle ne conduisait pas à un flux de neutrons uniforme dans le réacteur. Il était plus intense au centre qu’à la périphérie, ce qui conduisait à une irradiation plus faible (et donc moins efficace pour la production de plutonium) dans cette zone. Cela entraînait des gradients de température, qui dilataient le graphite au centre et courbaient dangereusement les tubes. L’effet Wigner s’ajoutait à cela, augmentant les tensions et l’énergie accumulée dans le graphite. C’est pour cela que fut prise la décision d’arrêter le réacteur à partir du 16 mars 1946. L’arrêt fut complet le 26 avril. Des réparations et des améliorations furent exécutées pendant les deux années suivantes, ainsi qu’un recuit du graphite pour éliminer l’effet Wigner. Le réacteur B fut redémarré le 1° juillet 1948 et la puissance monta jusqu’à 275 MW le 16 juillet.

Les autres réacteurs de production de plutonium

Hanford : le réacteur F  ©DoE
Hanford : le réacteur F entre ses deux châteaux d’eau © DoE

Construits à 10 km les uns des autres le long de la rivière Columbia, les réacteurs D et F étaient pratiquement identiques au B, et ils entrèrent en service le 17 décembre 1944 et le 25 février 1945. La puissance installée atteignit 3×250 MWt portant la production totale de plutonium à Hanford à 18 kg par mois à l’été 1945. En mars, le colonel Franklin T. « Fritz » Matthias, le représentant de Groves à Hanford, pouvait annoncer à son supérieur que 10 kg de plutonium pourraient être envoyés à Los Alamos avant la mi-juillet. En fait, 7 kg furent livrés avant le 1° juin et le colonel Kenneth Nichols put alors promettre à Oppenheimer la livraison de 6 kg par mois en juin, juillet et août, passant à 14 kg/mois à partir de septembre. Il fallait 6.2 kg de plutonium pour une bombe de type Fat Man : cela permit de réaliser « Gadget » pour l’essai Trinity et de disposer de deux bombes au plutonium début août (en plus d’une bombe à l’uranium).

Plan des installations (actuelles) de Hanford
Plan des installations (actuelles) de Hanford

Les 3 réacteurs furent modernisés après la guerre (leur puissance passant de 250 MWt à 2 000 MWt) avant d’être arrêtés dans les années 1960, et six autres réacteurs furent construits. Le complexe de Hanford a fourni la plus grande partie des 60 tonnes de plutonium employées au fil des années dans l’arsenal américain.

Les usines de séparation chimique du plutonium

Seaborg et Cooper avaient mis au point au Met Lab une méthode d’extraction chimique du plutonium formé dans l’uranium, basée sur le fluorure de lanthane, puis une seconde utilisant le phosphate de bismuth. Greenewalt choisit la seconde pour l’usine construite à Oak Ridge à côté du réacteur pilote X-10, puis pour celles de Hanford qui en étaient des versions agrandies. La construction des 3 (groupes d’) usines de séparation chimique T, B et U avait commencé presque en même temps que celle des réacteurs mais, faute de main d’œuvre elle fut suspendue plusieurs mois (les fondations restant à ciel ouvert) et ne reprit qu’en janvier 1944. L’ensemble se trouvait à 15 km au sud des réacteurs. T et U furent terminés en octobre, et B en février 1945 (et commença à traiter l’uranium en avril).

Les plus spectaculaires des bâtiments étaient les énormes édifices de 260 m de long (sur 30 m et large et 30 de haut) sans aucune fenêtre qui furent surnommés les Queen Mary par les ouvriers qui les construisirent (par analogie avec le paquebot). On les appelait aussi les canyons. Ils étaient entourés de bâtiments plus petits destinés à isoler le plutonium dans les dernières étapes.

Hanford : le Queen Mary T © DoE
Hanford : le Queen Mary T © DoE

À l’intérieur de chacun des Queen Marys se trouvait une succession de 40 cuves de 5 m de côté et 7 m de profondeur, avec des parois et un couvercle amovible de béton de 2 m d’épaisseur.

Hanford : l’intérieur (le « canyon ») du Queen Mary B ©DoE
Hanford : l’intérieur (le « canyon ») du Queen Mary B ©DoE
Étapes de séparation du plutonium
Étapes de séparation du plutonium

The slugs were dissolved at the start of the process and bismuth phosphate carried the plutonium through the long succession of process pools. The entire area above the cells was enclosed by a single gallery sixty feet high and running the length of the building. Radiation levels in the gallery, or canyon, were too high to permit access by unprotected personnel. Along one side of the cell row and separated from it by seven feet of concrete were the operating galleries on three levels, the lowest for electrical controls, the intermediate for piping and remote lubrication equipment, and the upper for operating control boards that included specially designed periscopes and closed-circuit television sets. Due to the high radiation levels, the canyons were virtually inaccessible and had to be repaired by remote control or, when radiation levels were low enough, by personnel wearing full radiation protection gear. T Plant ceased chemical separation in 1956 but continues to be used for other activities. In the Queen Marys, bismuth phosphate carried the plutonium through the long succession of process pools. The concentration stage was designed to separate the two chemicals. The normal relationship between pilot plant and production plant was realized when the Oak Ridge pilot plant reported that bismuth phosphate was not suitable for the concentration process but that Seaborg’s original choice, lanthanum fluoride, worked quite well. Hanford, accordingly, incorporated this suggestion into the concentration facilities. The final step in plutonium extraction was isolation, performed in a more typical laboratory setting with little radiation present. Here Perlman’s earlier research on the peroxide method paid off and was applied to produce pure plutonium nitrate. The nitrate would be converted to metal in Los Alamos, New Mexico.

Hanford : le Queen Mary T
Hanford : le Queen Mary T
Hanford : le Queen Mary T
Hanford : le Queen Mary T

Malgré les précautions prises, des rejets importants de contaminants radioactifs eurent lieu dans l’air (surtout de l’iode 131) et dans l’eau de la rivière Columbia, avant que l’installation de filtres les réduisent après 1946. Entre 10 et 20 000 personnes auraient alors reçu des doses de rayonnement supérieures aux normes (alors) admissibles. Pendant la guerre, les mots radioactivité ou rayonnement étant censurés, les panneaux se contentaient de mentionner Danger ou Entrée interdite ce qui n’était pas très dissuasif. Hanford est aujourd’hui le site radioactif le plus contaminé des États-Unis (plus de 5 millions de curies), et un énorme programme est en cours pour améliorer la situation.

Santé et radioprotection

Dès les débuts du projet, se posa la question de la protection radiologique des milliers de personnes qui auraient à manier de grandes quantités de produits très radioactifs. Au Met Lab de Chicago, des physiciens et des médecins durent concevoir les blindages nécessaires pour les premiers réacteurs. Le responsable de la protection radiologique, le Dr. Robert S. Stone, demanda une synthèse de toutes les connaissances sur les risques radiologiques. Les connaissances accumulées depuis le début du siècle concernant les effets des rayons X et des corps radioactifs permettaient de définir des seuils à partir desquels les tissus étaient altérés, mais rien n’était connu sur les effets à long terme de doses plus faibles. Stone défendit une attitude de grande prudence (ne serait-ce que pour éviter que tous les brillants physiciens et ingénieurs concentrés autour des sources radioactives tombent malades). Il définit la règle selon laquelle l’exposition devait demeurer aussi basse que possible, et ne pas se contenter d’une dose qui ne provoque pas de symptôme visible. Il y avait là un changement notable d’optique, avec le passage d’une dose «tolérable» à une dose «admissible» (ce qu’on appelle aujourd’hui le principe ALARA, As Low As Reasonably Achievable). Les discussions au cours du demi-siècle qui suivit portèrent en grande partie sur le sens à donner au mot « raisonnablement ».

Robert Stone et John Lawrence (frère d’Ernest) traitant en 1939 la tumeur d’un patient à Berkeley avec des neutrons émis par le cyclotron de 60 pouces ©LBL
Robert Stone et John Lawrence (frère d’Ernest) traitant en 1939 la tumeur d’un patient à Berkeley avec des neutrons émis par le cyclotron de 60 pouces ©LBL

« I must confess that one reason we have undertaken this biological work is that we thereby have been able to get financial support for all of the work in the laboratory. As you know, it is much easier to get funds for medical research. » Lawrence to Bohr, 1935

Médecins, biologistes et physiciens collaborèrent pour mesurer aussi précisément que possible les effets biologiques, toxicologiques et radiologiques des nouveaux corps synthétisés (en particulier le plutonium, dont on ne connaissait encore rien des effets biologiques) et des divers produits de fission de l’uranium. Ils définirent ainsi les quantités de produits et les intensités de rayonnement conduisant à des doses « admissibles », car entraînant un risque jugé faible comparé aux risques courants de la vie. Ces études entraînèrent une forte réduction des doses de rayonnement jusque là jugées tolérables (pour les radiologues par exemple). Les pionniers de l’emploi des radio-éléments aussi bien comme traceurs biologiques que comme outils thérapeutiques, comme le Dr. Joseph Hamilton (1907-1957), fixèrent des valeurs de contamination admissible pour des radioéléments comme le sodium 24, le cobalt 60, les strontiums 89 et 90, l’iode 131, le polonium 210 et bien sûr le plutonium 239. L’enregistrement des doses reçues par les travailleurs exposés devint systématique, des examens réguliers du sang (tous les 3 mois) furent imposés, ainsi que des bilans médicaux annuels.

Le Dr. Joseph Hamilton (à gauche) buvant en 1939 du sodium radioactif pour en étudier les effets biologiques, le bras dans un compteur de rayonnements surveillé par le physicien Robert Marshak ©LBL
Le Dr. Joseph Hamilton (à gauche) buvant en 1939 du sodium radioactif pour en étudier les effets biologiques, le bras dans un compteur de rayonnements surveillé par le physicien Robert Marshak ©LBL

Cependant, les mineurs des mines d’uranium furent soumis en toute connaissance de cause à des niveaux de radon excessifs, sans que le gouvernement ne prenne les mesures nécessaires de ventilation des mines pour réduire les risques. Il fallut près d’un demi-siècle avant que l’administration fédérale reconnaisse ses torts. En outre, certaines expériences médicales se déroulèrent sans que les patients soient informés des risques potentiels. À Berkeley, Hamilton injecta du plutonium à des rats mais aussi à des patients humains (jugés mourants) pour en étudier les effets biologiques : il découvrit que le plutonium se fixait de préférence dans les os et y demeurait, provoquant des cancers de la moelle et des leucémies.

Des expériences similaires se déroulèrent à Rochester, Oak Ridge, Chicago et Los Alamos. Elles conduisirent certains médecins (comme Hamilton) et physiciens (comme Oppenheimer ou Fermi) à suggérer l’étude d’une guerre radiologique, en principe pour que les États-Unis puissent mettre au point des méthodes de prévention au cas où elle serait employée par les Allemands ou par les Japonais (et plus tard par les Soviétiques). Le colonel Kenneth Nichols, le bras droit du général Groves, leur opposa un refus catégorique. Et bien sûr l’étude des survivants des explosions d’Hiroshima et de Nagasaki apporta énormément à la connaissance des effets à long terme d’une exposition à une très forte dose de rayonnements.

Évolution des seuils admissibles de radioactivité (1 rem = 10 mSv)
Évolution des seuils admissibles de radioactivité (1 rem = 10 mSv)

Chronologie du programme Manhattan

Chronologie du programme


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