Los Alamos: premiers travaux

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Premiers travaux

Le 24 juin 1943, Segrè mesura le taux de fission spontanée du plutonium (produit par un cyclotron) à 5 fissions/kg/s. Ce taux permettait tout à fait d’envisager l’assemblage d’une masse critique de plutonium par un canon, comme cela avait été envisagé lors du Summer Study de Berkeley, et donna le feu vert aux travaux sur la bombe Thin Man. Du 10 au 15 juillet, la mesure du nombre de neutrons secondaires indiqua que chaque fission produisait en moyenne 3 neutrons. En mars 1944, Segrè revit à la hausse, à 11 fissions/kg/s, le taux de fissions spontané du plutonium (essentiellement du plutonium 239) toujours produit par les cyclotrons. Cela réduisait nettement les marges de sécurité pour Thin Man, mais cela demeurait acceptable. Ce n’est qu’en décembre 1943 que le plutonium produit par le réacteur pilote X-10 à Oak Ridge commença à être isolé. Segrè n’en disposa pas avant mars 1944.

Le Planning Board évoqua le 30 mars 1943 [avant les conférences de Serber ? cf. Critical assembly p.86] la possibilité de comprimer une sphère creuse au-delà de la masse critique, et décida le 2 avril de demander à la division T une étude de la question. Neddermeyer débuta le 4 juillet ses expériences d’implosion avec des tubes cylindriques, mais il ne parvint pas à obtenir une implosion symétrique. Son équipe était réduite à trois assistants, car Parsons ne jugeait pas ces travaux prioritaires. Lors d’une visite le 20 septembre, von Neumann souligna fortement l’intérêt de l’implosion pour atteindre des densités de cœur plus élevées, avec le double gain de réduire la masse critique nécessaire et d’augmenter le rendement de la fission. Bethe et Teller commencèrent à étudier la question d’un point de vue théorique, avec l’appui d’Oppenheimer et de Groves, et von Neumann promit d’étudier la physique de l’implosion à ses moments perdus. Pour épauler cet effort, Oppenheimer suggéra le 23 septembre de recruter George Kistiakowsky qui supervisait à l’OSRD les travaux sur les explosifs. Kistiakowsky arriva en janvier 1944 à Los Alamos.

Entretemps, le 17 septembre 1943, un premier essai de canon à grande vitesse pour Thin Man fut réalisé. En décembre, Segrè mesura le taux de fission spontanée de l’uranium 235 et le trouva inférieur aux attentes. Cela permit d’envisager une vitesse d’assemblage plus faible, et donc un canon plus court et plus léger (ce fut Little Boy).

En novembre 1943, après les accords de Québec, arrivèrent à Los Alamos les premiers membres de la délégation britannique, dirigée par Chadwick. La plupart avaient été membres du Comité MAUD, ou étaient des experts en physique nucléaire ou en explosifs. Parmi eux, George Placzek, William Penney (qui dirigea après guerre le programme britannique d’armement thermonucléaire), Philip Moon, James Tuck, Egon Bretscher, Klaus Fuchs et bien sûr Otto Frisch et Rudolf Peierls.

William Penney, Otto Frisch, Rudolf Peierls et John Cockroft © Corbis
William Penney, Otto Frisch, Rudolf Peierls et John Cockroft © Corbis

Bohr avait fui le Danemark pour la Suède en octobre 1943, puis rejoint la Grande-Bretagne en avion (manquant de périr d’asphyxie au cours du vol) avant d’arriver (en décembre ?) à Los Alamos comme consultant, participant à de nombreuses discussions mais sans avoir de tâche fixée.

Niels Bohr (?) à Los Alamos
Niels Bohr (?) à Los Alamos

Fat Man, Thin Man et Little Boy

La difficulté majeure de la réalisation d’une bombe nucléaire, une fois qu’on dispose d’assez de matériau fissile, est de parvenir à en fissionner le maximum — en maintenant la cohésion de la bombe — avant que l’énergie dégagée de plus en plus rapidement n’en disperse les éléments, et stoppe de ce fait la réaction en chaîne. Dès 1940, Frisch et Peierls avaient indiqué qu’il fallait pour cela rassembler nettement plus d’une masse critique (de l’ordre de 2 ou mieux 3 pour que le rendement de l’explosion ne soit pas négligeable). Mais pour éviter une explosion prématurée, il fallait :

  • conserver le matériau fissile dans un état sous-critique jusqu’au moment voulu ;
  • le rassembler et l’amener dans un état critique suffisamment rapidement pour que les neutrons (toujours présents) n’aient pas le temps de déclencher la réaction en chaîne ;
  • introduire des neutrons quand l’état critique est atteint.

La masse critique dépend de manière sensible de la forme du matériau fissile: un cylindre, et a fortiori un cylindre creux, ou une sphère creuse ont une masse critique nettement plus élevée qu’une sphère pleine. Le calcul de la masse critique d’uranium était un problème très difficile à résoudre à l’automne 1943 car les théoriciens ne parvenaient pas à trouver une façon de ramener les équations de diffusion des neutrons dans des géométries plus complexes qu’une sphère homogène (un cylindre plein et un cylindre creux par exemple) à des formes analytiquement intégrables. Un calcul d’ordre de grandeur n’est pas trop difficile, mais il fallait être précis pour être juste sous-critique, et pas super-critique ! Des méthodes semi-analytiques, voire complètement numériques, furent progressivement mises au point (méthode de Serber-Wilson en particulier, qui servit jusque dans les années 1950). Ce fut une des premières applications de calcul numérique à grande échelle effectué par le groupe T-5, et la lenteur des calculs incita à l’achat de machines IBM à cartes perforées, qui ne furent pas livrées avant le printemps de 1944 (où elles servirent d’ailleurs surtout aux calculs d’implosion).

Sphère pleine de 0.9 mcritique + Sphère creuse de 0.9 mc (~2mcx(2/3)2) = sphère pleine de ~2.7mc

La masse critique varie aussi avec la densité du matériau, étant inversement proportionnelle au carré de cette densité. D’où les deux idées avancées lors du Summer Study de Berkeley : assembler plusieurs masses sous-critiques sans modifier leur densité, ou augmenter la densité d’une masse sous-critique. Dans le premier cas, le plus simple était de tirer un projectile cylindrique creux sur une cible cylindrique pleine (qui remplirait le creux), dans le second cas l’idée était de comprimer une sphère creuse pour en faire une sphère pleine.

L’implosion présentait, sur le papier, de nombreux avantages:

  1. la matière étant dirigée vers le centre, ce mouvement s’oppose à l’expansion provoquée par la libération d’énergie de la réaction en chaîne, qui progresse alors plus longtemps avant que la bombe soit dispersée. Le rendement d’une bombe à implosion est donc bien supérieur à celui d’une bombe-canon (15 à 20% au lieu de 1 à 2%).
  2. la méthode d’implosion évitait le risque d’une explosion involontaire : la quantité totale de matériau fissile était nettement sous-critique (donc sans aucun risque d’explosion prématurée), et ne devenait super-critique qu’au terme de l’implosion et encore seulement si l’implosion était parfaitement réussie. Par contre, il se révéla extraordinairement difficile de synchroniser une implosion parfaitement régulière, il était bien plus simple (et plus sûr) de mettre à feu un obus de canon.
  3. l’implosion présentait un troisième avantage, qui se révéla crucial pour la bombe au plutonium. La présence inévitable de neutrons dus au rayonnement cosmique et surtout dus à la fission spontanée, rare mais pas inexistante, de l’uranium et du plutonium pouvait déclencher prématurément la réaction en chaîne au cours de l’assemblage. Il était donc indispensable de rassembler le matériau fissile dans l’état supercritique en un temps inférieur à celui qui sépare deux fissions spontanées. La méthode de compression était là aussi préférable car l’assemblage s’effectue en quelques microsecondes, alors que l’assemblage obus-cible d’une bombe-canon s’effectue plutôt en quelques millisecondes, laissant plus de temps aux neutrons parasites pour déclencher une réaction en chaîne prématurée.

En septembre 1943, la direction de Los Alamos décida d’intensifier les travaux sur l’implosion en faisant appel à Kistiakowsky (qui arriva en janvier 1944), Neddermeyer gardant en principe la responsabilité du groupe E-5. Mais les relations entre les deux hommes devinrent de plus en plus difficiles, Neddermeyer menant les recherches avec un sérieux académique mal adapté à une situation en évolution rapide, et le 16 février il fut remplacé par Kistiakowsky. Un groupe d’étude théorique de l’implosion, dirigé par Teller, fut parallèlement créé le 11 janvier dans la Division T. Teller fut remplacé en mai, en raison de conflits avec Bethe, et de son obsession pour « Super », la bombe à fusion.

Entretemps, sur les suggestions de von Neumann, l’idée de comprimer une sphère creuse fut remplacée par celle de comprimer une sphère pleine (le « cœur de Christy »). Il paraissait plus facile d’obtenir ainsi une compression régulière, mais surtout cela conduisait à augmenter la densité du plutonium ou de l’uranium. La densité finale plus élevée impliquait une masse critique plus petite, et elle exploitait mieux une quantité limitée de matière fissile. De plus, la densité plus élevée réduisait le libre parcours moyen des neutrons, donc l’intervalle entre deux fissions, et donc diminuait le risque de prédétonation.

Les deux configurations, canon et implosion, furent étudiées en parallèle sous les noms de Thin Man et Fat Man. Quand il apparut fin 1943 qu’une version raccourcie de Thin Man suffirait pour l’uranium, elle fut baptisée Little Boy (le petit garçon). Après la guerre, les bombes reçurent les noms plus officiels de Mark 1 pour Little Boy, Mark 2 pour une bombe à implosion qui ne dépassa pas le stade théorique et Mark 3 pour Fat Man. Les modèles de bombes reçurent des désignations allant jusqu’à Mark 27, les têtes nucléaires des missiles recevant elles des désignations en W (pour warhead, «tête militaire»).

Evolution des bombes nucléaires 1945-1986
Evolution des bombes nucléaires 1945-1986

 

 


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