Fission: Joliot

Site en travaux

Contenu

Frédéric Joliot-Curie

Frédéric Joliot par Pablo Picasso
Frédéric Joliot par Pablo Picasso

Joliot réagit extrêmement vite avec une ampleur de vue inégalée, montrant qu’il était bien un des plus grands physiciens du XX° siècle. En à peine trois mois, après avoir appris qu’on trouvait du baryum quand on bombardait l’uranium avec des neutrons, il eut l’idée de la fission de l’uranium, imagina une expérience pour vérifier cette idée, supposa que des neutrons pourraient être émis au cours de la fission, et monta une autre expérience pour vérifier cette hypothèse. Observant des neutrons secondaires, il pensa qu’une réaction en chaîne était possible et il imagina l’architecture d’un réacteur nucléaire capable de produire de grandes quantités d’énergie et d’assurer ainsi l’indépendance énergétique de la France, ainsi que la possibilité d’une bombe nucléaire, et il en déposa les brevets dès le 1° mai 1939. Dans la foulée il prit des contacts au plus haut niveau du gouvernement français pour assurer l’exploitation de ces brevets, ainsi qu’avec l’Union minière du Haut Katanga, principal producteur mondial d’uranium, pour s’en assurer une fourniture adéquate. En moins de quatre mois, il avait lancé la France dans l’aventure de l’énergie nucléaire en prenant une avance considérable sur toutes les autres équipes. Mais la guerre allait stopper net cet élan.

Fission?

Frédéric Joliot admit sans hésiter que l’irradiation de l’uranium avait bel et bien produit du baryum, et que le noyau se brisait donc en deux fragments, au moins. Il comprit lui aussi que les noyaux engendrés, ayant des charges ~56 et ~36 se repousseraient violemment et s’éloigneraient en accélérant.

L’objectif immédiat de Joliot fut donc de détecter des noyaux instables possédant une énergie de plusieurs dizaines de MeV chacun. Il vérifia la présence de fragments éjectés avec une grande énergie lors de la brisure des noyaux. Cela confirmait, par une méthode différente, les résultats de Frisch à Copenhague, dont Joliot n’avait d’ailleurs pas encore connaissance.

Neutrons secondaires?

Joliot décida de commencer par rechercher la présence éventuelle de neutrons secondaires libres. C’était en effet la possibilité la plus riche de conséquences puisque ces neutrons pourraient à leur tour provoquer d’autres brisures et créer la réaction en chaîne qu’il évoquait en 1935. L’intérêt pratique est que chacune de ces « ruptures explosives » libère près de 200 MeV par noyau d’uranium, ce qui représente dix millions de fois l’énergie libérée par chaque atome lors de la combustion du carbone. D’où l’équation grossière 1 kg d’uranium = 10 000 tonnes de charbon… ou de dynamite ! Joliot n’avait pas d’expérience des neutrons, et il fit appel au sein de son laboratoire à Lew Kowarski et à Hans Halban, qui en avaient une longue pratique. L’idée de Kowarski, simple, était de détecter un accroissement du nombre de neutrons quand on irradiait de l’uranium avec des neutrons. Ils conclurent donc que l’uranium irradié libérait des neutrons en nombre suffisamment important pour compenser leur absorption par l’uranium. Leur article « Liberation of Neutrons in the Nuclear Explosion of Uranium », soumis le 8 mars, fut publié le 18 mars dans la revue Nature.

En analysant plus quantitativement leurs expériences, Halban, Kowarski et Joliot estimèrent à 3.5±0.7 le nombre moyen de neutrons libérés par chaque fission, et ils envoyèrent ce résultat le 7 avril dans Nature (paru le 22) sous le titre « Liberation of neutrons in the nuclear explosions of uranium ». L’article eut un énorme retentissement, des États-Unis à l’URSS, en passant par l’Allemagne et la Grande-Bretagne. Une réaction en chaîne entretenue paraissait possible

Réaction en chaîne?

Le nombre de neutrons secondaires est une quantité essentielle pour savoir si une réaction en chaîne est possible :

  • N < 1 ⇒ réaction convergente
  • N >> 1 ⇒ réaction divergente
  • N ~ 1 à 3 ⇒ cela… dépend
    • des pertes de neutrons [donc de la géométrie et des absorbants]
    • et des valeurs comparées des sections efficaces de capture sans fission (239U), de capture avec fission, et de diffusion avec – ou sans – perte d’énergie

Masse critique

Comme Szilárd l’avait subodoré quelques années plus tôt, la taille de la zone réactive est essentielle : si la taille est trop petite, les pertes de neutrons par « évaporation » hors du volume de réaction sont bien plus grandes que la production de neutrons par fission, et la chaîne s’interrompt rapidement. Pour une très grande taille, ces pertes deviennent négligeables puisqu’elles augmentent comme le carré des dimensions (la surface) alors que la production augmente comme le cube des dimensions (le volume). Il existe donc une taille « critique », celle où la production équilibre les pertes et permet à la réaction en chaîne de se dérouler à un rythme constant. C’est Francis Perrin qui en publia la première évaluation dans une note du 1° mai 1939 à l’Académie des Sciences où il estima à 40 tonnes d’oxyde d’uranium la quantité nécessaire à maintenir une réaction en chaîne.

Brevets!

Joliot pensa immédiatement à l’énergie nucléaire. La France est un pays pauvre en pétrole et même en charbon, et les barrages hydroélectriques étaient encore peu développés. Il envisagea d’emblée de passer à une échelle industrielle mettant en jeu le gouvernement. Il pensa aussi bien sûr que la réaction pouvait diverger exponentiellement et donc conduire à une explosion de très forte puissance, à une bombe nucléaire. L’équipe Halban, Kowarski, Joliot, complétée par le théoricien Francis Perrin, déposa trois brevets secrets les 1° mai, 2 mai et 4 mai 1939

Accords industriels

L’équipe du Collège de France se tournant vers la réalisation d’un prototype de réacteur nucléaire avait donc besoin de plusieurs dizaines de tonnes d’uranium. Une série de discussions s’engagea alors du 8 au 13 mai 1939 entre la CNRS et l’Union Minière du Haut Katanga (UMHK), conclue le 13 par la visite à Paris d’Edgar Sengier, le directeur de l’UMHK, et la signature d’un partenariat pour l’exploitation mondiale des brevets français.

Premiers essais de réaction en chaîne

L’équipe de Joliot plaça de l’oxyde d’uranium dans des sphères de cuivre de différents diamètres, en le mouillant avec de l’eau pour ralentir les neutrons et augmenter la probabilité de fission.

Mais les résultats furent très décevants, les réactions en chaîne s’éteignant immédiatement.  Joliot réalisa que le chemin vers l’énergie nucléaire serait bien plus long qu’imaginé en mai, et qu’il exigerait d’immenses ressources financières et humaines.

La bataille de l’eau lourde

Le problème de l’eau, ou plus précisément de l’hydrogène, est qu’elle n’est pas seulement un bon ralentisseur de neutrons mais aussi un bon absorbant (en capturant un neutron l’hydrogène se transforme en deutérium). Mais en remplaçant l’hydrogène de l’eau par du deutérium, on disposerait d’un ralentisseur presque aussi efficace, mais qui n’absorberait pas les neutrons. Halban et Kowarski firent une étude sommaire de la diffusion des neutrons dans l’eau lourde qui indiqua qu’elle permettrait sans doute d’entretenir une réaction en chaîne avec de l’uranium naturel.

Le seul producteur d’eau lourde était la compagnie norvégienne Norsk Hydro à Vemork. Français et Allemands engagèrent en mars 1940 une véritable course en Norvège (pays alors neutre) pour se procurer de l’eau lourde. Un émissaire français  préempta le stock complet de 167 litres. L’usine de Vemork devint un enjeu crucial au cours de la guerre (la « bataille de l’eau lourde »).

 


Contact: lettreani
Publicités

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s