Los Alamos: les effets d’une explosion nucléaire

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Effets d’une explosion nucléaire

En mars 1944 calculs de Bethe sur l’énergie libérée et la taille de la boule de feu.

calculations provided by Bethe’s theoretical group gave hope that the yield for the first weapon would be in the vicinity of 5,000 tons of TNT rather than the 1,000-ton estimate provided in fall 1944 Beginning in the spring of 1945, von Neumann oversaw computations related to the expected size of the bomb blasts, estimated death tolls, and the distance above the ground at which the bombs should be detonated for optimum shock wave propagation and thus maximum effect.

  • R.E. Marshak et l’onde de choc
  • J.O. Hirschfelder et J.L. Magee la formation de la boule de feu et son développement, et le rôle de NO2.

Une explosion nucléaire diffère d’une explosion classique de même puissance en ce que l’énergie est libérée dans un volume beaucoup plus petit. La densité d’énergie, et donc la température, sont beaucoup plus élevées : typiquement 50 MK au lieu de 5 000 K. Par conséquent 80% de l’énergie apparaît sous forme électromagnétique, des rayons X immédiatement après l’explosion, dégradés en rayons ultraviolets et visibles quelques secondes après. Dans une bombe classique, au contraire, la quasi-totalité de l’énergie apparaît sous forme d’onde de choc. Cette différence limite l’intérêt des explosions classiques pour en déduire l’effet d’une arme nucléaire, où les effets thermiques sont dominants. Le rayon létal Rchoc varie en [Puissance]1/3 au lieu de [Puissance]2/3 pour une bombe classique.

L’énergie de l’explosion est transportée à l’extérieur par du rayonnement et/ou par une onde de choc hydrodynamique

Hydrodynamique (pression, température, densité, vitesse), requiert équation d’état (de l’air surtout) et les coeff d’absorption par l’air des rayonnements à diff longueurs d’onde (opacités)

Échelle de temps allant de 10–7 s à 100 secondes, échelle des températures de 300 K à 300 MK

Le développement de la boule de feu peut être découpé en cinq phases :

  1. L’explosion produit une onde de choc traversant la bombe et se communiquant ensuite à l’air environnant (pour une explosion dans l’air, évidemment). L’air est chauffé à des millions de degrés par les rayons X (mécanisme beaucoup plus rapide que par transport hydrodynamique). L’air est opaque aux X qui ne se propagent pas très loin. La boule de feu proprement dite n’est alors pas visible de l’extérieur.
  2. Quand la température de la sphère centrale est tombée à 300 000 K à la suite de l’émission et de l’absorption des X, une onde de choc se forme. Elle se déplace plus vite que la température peut se propager par transport radiatif, et l’onde de choc se sépare donc de la sphère isotherme centrale. Celle-ci continue à se dilater sans tellement interagir avec l’extérieur. L’onde de choc suit les relations d’Hugoniot, et l’air se dilate adiabatiquement derrière. La densité y est très faible et la pression quasi constante (des différences de pression importantes induiraient des mouvements de matière qui égaliseraient la pression. Cela simplifie les calculs. L’onde de choc chauffe l’air devant elle, et celui-ci rayonne dans l’ultraviolet, puis le visible. Premier pic de luminosité
  3. Quand la température de l’air devant l’onde de choc tombe en dessous de quelques 2 000 à 3 000 K, l’onde de choc devient transparente et la sphère isotherme à l’intérieur devient visible. Sa température est plus élevée (8 000 K) et la luminosité augmente fortement, puis diminue à nouveau (2° pic de luminosité).
  4. Tout l’ensemble refroidit plus ou moins adiabatiquement et le rayonnement émis diminue rapidement
  5. La boule de feu s’élève dans l’atmosphère tout en refroidissant et se mêle à l’air ambiant de façon turbulente

Première microseconde

Allumage par une bouffée de neutrons (béryllium-polonium). Libre parcours moyen des neutrons d’une dizaine de centimètres avant une fission. Donc ces neutrons déclenchent des fissions dans tout le volume de plutonium (ou d’uranium), dont les neutrons déclenchent à leur tour des fissions à plusieurs centimètres de distance. L’énergie des neutrons est de quelques MeV, d’où une vitesse ~1/30 vitesse lumière = 107 m/s. Il s’écoule donc 10–8 s entre deux fissions, soit 0.01 µs.

Reste à calculer l’augmentation exponentielle d’énergie qui conduit à une dilatation de la matière fissile, jusqu’à ce que l’augmentation de volume (et la diminution de densité conséquente) la fasse passer en dessous du seuil critique. La réaction en chaîne s’arrête alors, après 50 à 60 étapes (calcul de ce nombre ?). L’essentiel de l’énergie d’une explosion nucléaire est libérée dans les dernières étapes (quantifier) de la réaction en chaîne, puisque l’augmentation est exponentielle donc en 0.1 µs à peu près. De l’allumage à la dissociation de la bombe il s’écoule un peu moins d’une microseconde.

La fission d’un noyau d’uranium 235 libère, en moyenne, une énergie de 210 MeV, qui se répartit de la façon suivante :

  • 167 MeV énergie cinétique des noyaux produits par la fission
  • 5 MeV énergie cinétique des 2.5 neutrons produits en moyenne
  • 5 MeV énergie des rayons gammas produits immédiatement
  • 10 MeV énergie des rayons gamma produits par capture radiative
  • 7 MeV énergie des rayons bêta (électrons) des transmutations ultérieures
  • 6 MeV énergie des rayons gamma des transmutations ultérieures
  • 10 MeV énergie des neutrinos (produits par les transmutations bêta)

L’effet sur l’environnement de l’explosion des neutrons, des bêta et des neutrinos est négligeable en comparaison de l’effet des gamma et de l’énergie cinétique des noyaux produits par la fission qui apparaît sous forme de chaleur. 85% de l’énergie d’une fission se retrouve dans l’énergie cinétique des fragments. À cette température, le rayonnement électromagnétique est essentiellement formé de rayons X (100 MK = 10 keV). Ceux-ci sont absorbés en quelques dizaines de centimètres par l’atmosphère très chaude (d’où ionisation et forte absorption). Une partie (45% de l’énergie) chauffe l’air et forme une onde de choc (qui rayonne aussi de la lumière), le reste (35%) est réémis en rayons X mous, puis en ultraviolets puis dans le visible.

L’explosion d’une bombe-canon du genre de Little Boy est moins efficace que celle d’une bombe à implosion comme Fat Man, ce que compense la masse critique plus importante de 60 kg d’uranium 235 comparée aux 6 kg de plutonium 239. L’une et l’autre ont libéré l’équivalent de près de 20 kt de TNT, soit ~1014 joules. Equivalences : 1 kt = 4.184×1012 J (c’est devenu une définition de « une kilotonne ») = 2.6×1025 MeV = 1.16×106 kWh = fission de 57 g d’U235 ou de Pu239. (rendement de 1.4% de 60 kg d’uranium 235 → 800 g pour 20 kt donc 40 g par kt, pas des milligrammes, idem pour 14% de 6 kg de plutonium)

Cette énergie est libérée (en 0.1 µs) dans un volume de 10 cm de rayon. Ce qui est le point de départ du calcul de la boule de feu. Très grossièrement :

Densité d’énergie ~ 1014 J / (Volume initial V~ 4×10–3 m3) ~ 2.5×1016 J/m3

E(rayonnement) = 7.56×10–16 T4 J/m3 , ce que l’on dérive à partir de la loi de Planck pour une émission isotrope d’un corps noir à toutes les fréquences

⇒ Température T ~ (2.5×1016/7.56×10–16)1/4 = 7.6×107 K = 76 MK ~ 7.6 keV → rayons X (définis comme l’intervalle entre 0.01 et 10 nm, soit 0.12 keV à 120 keV)

Plus généralement T = 76 MK (E/20 kt)1/4 (R/10 cm)-3/4

À cette température, la densité d’énergie de rayonnement est de ~1016 J/m3, très supérieure à l’énergie de la matière (cinétique et excitation interne) qui est de l’ordre de 1013 à 1014 J/m3. C’est ainsi que 80% de l’énergie se retrouve sous forme de rayonnement thermique. Le raisonnement n’est-il pas circulaire ? C’est une différence importante avec une explosion chimique (une bombe « conventionnelle » par exemple) où la température atteint quelques milliers de degrés seulement, et où l’essentiel de l’énergie se retrouve dans la matière (~107 J/m3), celle du rayonnement (~ 0.1 J/m3) étant totalement négligeable. Une bombe nucléaire n’est donc pas seulement une bombe très puissante : à l’effet de souffle d’une bombe classique s’ajoutent un effet thermique très important et le rayonnement gamma.

Bien sûr il y a ici de nombreuses approximations : en pratique les étapes sont enchevêtrées, la température augmente progressivement au fur et à mesure que l’énergie est libérée, le transfert d’énergie de la fission au rayonnement se fait au travers des cascades complexes de collisions inélastiques qui conduisent en une microseconde à un équilibre entre matière et rayonnement électromagnétique à une température de plusieurs dizaines de millions de degrés.

1 milliseconde : boule de feu, onde de choc et premier pic de luminosité

Calculs de von Neumann et Taylor, pour une source ponctuelle de l’onde de choc Au début, la température est très élevée et la boule de feu encore petite, le libre parcours des photons est alors plus grand que la taille de la boule de feu, et la température de celle-ci est donc à peu près uniforme (sphère isotherme). Les photons « chauffent loin » et la boule se dilate rapidement. Quand la température diminue, le libre parcours moyen des photons diminue. L’expansion de la boule ralentit donc, puisqu’il faut plus de collisions pour franchir une distance donnée, donc plus de temps. La vitesse d’expansion de la boule de feu finit par devenir inférieure à la vitesse du son dans le plasma (~30 km/s), ce qui arrive 100 µs après l’explosion quand la température diminue jusqu’à 300 000 K. Une onde de choc se forme devant la boule de feu (on parle de « séparation hydrodynamique »). Cette onde de choc est due au fait que la vitesse du son (variant comme √T) est plus grande en arrière du front d’onde que devant, et que l’arrière de la perturbation rattrape donc l’avant construisant ainsi un bourrelet de surdensité (la densité monte jusqu’à 6 fois la densité normale).

Cette onde de choc comprime l’air sur son passage et le chauffe à des températures de l’ordre de 30 000 K. cet air est ionisé, et de ce fait opaque au rayonnement : la boule de feu n’est plus directement visible. Par contre l’air ionisé par l’onde choc rayonne dans l’ultraviolet et cela donne un premier pic de luminosité qui est très bref car la température diminue rapidement (et la luminosité varie comme T4). Ce premier pic de luminosité ne dure que quelques millisecondes et il emporte 1% de l’énergie totale de rayonnement de l’explosion.

À cette onde de choc s’ajoute une deuxième onde de choc, interne, due à l’expansion des débris matériels de la bombe (matière fissile restante, uranium du tamper, habillage de la bombe, etc.). Cette onde de choc interne est plus rapide et rattrape l’onde de choc externe peu après sa formation, en la renforçant.

100 ms : deuxième pic de luminosité

Le front de l’onde de choc continue à ioniser l’air sur son passage, mais à des températures de plus en plus basses. Vers 15 ms, la température n’est plus que de 3 000 K et l’ionisation cesse. L’air redevient transparent et la boule de feu redevient visible. Sa température est alors de 8 000 K, son diamètre de 220 m et sa vitesse de 4 km/s. La luminosité augmente brutalement, passe par un maximum autour de 100 ms puis rediminue plus lentement, émettant alors surtout dans des longueurs d’onde visible et infrarouges. Ce second pic emporte 99% de l’énergie de rayonnement, dont 50% sont libérés dans les 300 premières millisecondes, 75% après 750 ms, et 99% après quelques secondes. La luminosité rayonnée par la boule de feu est en effet proportionnelle à la surface de la boule (qui augmente avec le temps) et à la puissance 4° de la température (qui diminue avec le temps). La conjonction de deux facteurs conduit à une augmentation de la luminosité suivie d’une diminution.

Libération d'énergie au cours du temps dans une bombe à fission
Libération d’énergie au cours du temps dans une bombe à fission

L’énergie thermique est rayonnée en deux pics, le premier très bref ne durant qu’une milliseconde et emportant 1% de l’énergie totale, le second beaucoup plus long dure une seconde et emporte 99% de l’énergie.

temps 0.1 ms 1 ms 10 ms 100 ms 1000 ms
diamètre de la boule de feu 20 m 80 m 180 m 400 m 500 m

L’onde de choc arrive au sol

Pour une explosion en altitude (i.e. > quelques centaines de mètres), l’onde de choc parvient au sol qui la réfléchit en une 2° onde de choc. Celle-ci est plus rapide que la première car elle se déplace dans une atmosphère déjà mise en mouvement par celle-ci. Elle la rattrappe et la renforce. C’est là le principal intérêt de provoquer l’explosion en altitude plutôt qu’au niveau du sol (en dehors d’éviter de soulever de grandes quantités de sol irradié).

Onde de choc d'une bombe à fission
Onde de choc d’une bombe à fission

In a visit to Los Alamos in September 1944, von Neumann showed that the pressure increase from explosion shock wave reflection from solid objects was greater than previously believed if the angle of incidence of the shock wave was between 90° and some limiting angle. As a result, it was determined that the effectiveness of an atomic bomb would be enhanced with detonation some kilometers above the target, rather than at ground level.

Plus l’explosion a lieu en altitude, et plus l’onde de choc est affaiblie en arrivant au sol, mais plus la surface touchée est grande. Il existe de ce fait une altitude optimale pour l’explosion, celle qui maximise la surface où la surpression dépasse un seuil donné (celui de destruction des bâtiments par exemple). Les calculs menés à Los Alamos indiquèrent que cette altitude optimale serait de l’ordre de 600 m pour une bombe de 15 kt.

Little Boy was detonated too low for maximum 5psi overpressure in ground. Somewhere between 1850-1900 feet altitude. 5psi is the optimum for attacking city target and detonation altitude is normally set to maximize the area of 5psi overpressure. It almost can pierce ear-drum of human, and destroy most unhardened city structures. Little Boy actually maximized the 12psi overpressure area. The detonation altitude was set conservatively because the uncertainty of yield. That altitude is optimum for 5kt weapon and way too low for 11kt weapon. American were conservative, wisely, as setting the altitude too high rapidly diminishes results. Little too low detonation altitude is not so critical error. For example, if Little Boy would had delivered only 5kt and it would had been detonated say, 3000feet (far better for 11kt than the altitude they used), the effect in ground would had been greatly diminished.

Le « champignon »

La boule de feu, très chaude, est plus légère que l’atmosphère ambiante et elle s’élève comme un ballon à une centaine de mètres par seconde. Elle s’aplatit en forme de tore, avec des tourbillons internes, et elle s’élargit en arrivant dans les couches moins denses de l’atmosphère (la tropopause) et retombe lentement. Le nuage est initialement de couleur rougeâtre (ce qui est dû aux oxydes d’azote formés par le rayonnement intense sur l’azote et l’oxygène de l’air), puis vire au blanc en raison de la vapeur d’eau. Au bout de quelques minutes, le nuage atteint son altitude maximale, proche de 10 000 m, et il continue à s’élargir. Il finit par mesurer environ 3000 m de diamètre sur 6 à 7000 m de haut. La colonne ascendante d’air chaud entraîne l’air environnant, en provoquant au niveau du sol des vents violents convergeant vers la base de la colonne. Ces vents sont cependant plus faibles que ceux qui suivaient auparavant l’onde de choc, ils sont plus tardifs et en sens inverse.

Chamoignon

Radioactivité

La fission de 57 g d’uranium 235 libère une énergie équivalente à 1 kt. Ce la conduit à 3×1023 atomes de produits de fission et à une radioactivité de 10^21 becquerels au bout d’une minute.

Immédiatement après l’explosion (0.1 µs) une bouffée de neutrons et de gammas est produite, 25% de la radioactivité. Les 75% restants viennent des produits de fission. Ceux qui ont une courte vie (< 10 s) provoquent un flux intense de gammas secondaires. Ils engendrent aussi des alphas et des bêtas, mais ceux-ci sont immédiatement absorbés. Les produits de fission à longue vie vont se disperser sous forme de retombées, et engendrer des alphas, des bêtas et des gammas pendant un temps qui peut être très long. Les plus dangereux de ces produits sont l’iode 131, le strontium 90 et le césium 137, en raison de leurs fortes affinités biologiques et leurs demi-vies. L’iode 131 (1.6×105 Ci/kt) se fixe dans la thyroïde où il produit des bêtas et des gammas (demi-vie de 8 jours). Le strontium se fixe dans les os et c’est un émetteur bêta. Il est produit 3.8×104 Ci/kt de strontium 89 (demi-vie 52 jours) et 190 Ci/kt de strontium 90 (demie-vie 28 ans). Enfin il est produit 200 Ci/kt de césium 137, émetteur bêta et gamma, de demi-vie 30 ans.

1 Ci = 37 MBq

Les effets prévus des explosions nucléaires

Portée des effets létaux

L’énergie libérée dans une explosion nucléaire se retrouve, à quelques centaines de mètres du point d’explosion, à 35% sous forme thermique (rayonnement visible et infrarouge), à 50% sous forme mécanique (effet de souffle de l’onde choc), à 4% sous forme de gammas, à 1% sous forme de neutrons, et à 10% sous forme de rayonnements des produits de fission (ce rayonnement ne produisant ses effets qu’avec retard n’est souvent pas inclus dans le calcul de « l’énergie libérée » en équivalent TNT). Un explosif classique libérant la même énergie a donc un effet de souffle deux fois plus puissant.

Sont considérés comme des seuils létaux : une brûlure du 3° degré (8 calories/cm2 de peau), une surpression de 0.3 bar (par ses effets indirects) ou une irradiation de 5 Sv.

L’air est pratiquement transparent au rayonnement visible et infrarouge, l’effet thermique est donc à peu près proportionnel à la surface touchée et la portée de l’arme varie comme son énergie à la puissance ? (un peu moins en fait car il y a un peu d’absorption. L’effet de souffle dû à l’onde de choc est un effet de volume, et la portée varie comme l’énergie à la puissance 1/3. Le rayonnement gamma est en partie absorbé par l’atmosphère et la portée varie à peu près comme l’énergie à la puissance 1/5. Plus précisément la portée létale d’une arme nucléaire est (suivant Carey Sublette) :

  • Rthermique = 2 140 m (Énergie/16 kt)0.41 brûlure du 3° degré (8 cal/cm2 ~ 350 kJ/m2)
  • Rsouffle = 1 840 m (Énergie/16 kt)0.33 surpression de 0.3 bar (4.6 psi)
  • Rrayonnement = 1 420 m (Énergie/16 kt)0.19 irradiation de 5 Sv
Onde de choc

Durée du passage onde de choc > périodes vibration des structures donc effet suivant pic de surpression au lieu de l’impulsion d’où rayon effet choc suivant la [puissance]1/3 et non [puissance]2/3 d’un explosif classique.

Pour un effet de souffle destructeur, il faut une surpression minimale (mais il ne sert à rien de dépasser largement cette surpression !). L’onde de choc est supersonique, derrière il y a un vent (induisant une surpression dynamique, en générale plus faible que celle due à l’onde de choc elle-même). Une surpression de 20 psi induit un vent de 800 km/h !

1 psi = 0.07 bar = 700 kg/m2

Par elle-même, la surpression n’est pas très dangereuse pour les humains (sauf pour leurs tympans) : un plongeur en apnée par 10 m de fond subit une surpression de 1 bar (14.7 psi). Le danger vient de l’effondrement des bâtiments, si l’on est pris sous les décombres, et du choc si l’on reçoit des projectiles expédiés par l’onde de choc, ou si l’on est soi-même projeté violemment.

Surpression
Surpression Effet
1 psi (0.07 bar) Bris des vitres, blessures par les fragments, effondrement
des toits et des constructions légères
3 psi Destruction des maisons, blessures graves
5 psi Effondrement des immeubles, blessures nombreuses et
souvent mortelles
10 psi Destruction des bâtiments en béton renforcé, la majorité des gens sont tués
20 psi Pratiquement tout est détruit, mortalité proche de 100%

L’onde de choc produit une surpression dans un volume proportionnel à l’énergie libérée. Le rayon de la zone où la surpression dépasse un seuil donné varie donc comme la puissance 1/3 de cette énergie: R = R1(E/1 kt)1/3

Surpression Rayon pour 1 kt Rayon pour 16 kt
1 psi (0.07 bar) 2200 m 5500 m
3 psi 1000 m 2500 m
5 psi 710 m 1800 m
10 psi 450 m 1100 m
20 psi 280 m 700 m
Thermique

Les effets thermiques d’une explosion nucléaire sont de deux types : un effet direct dû au passage de la boule de feu, et un effet indirect dû aux incendies allumés par ce passage (et la destruction des bâtiments) et qui fusionnent en une « tempête de feu ».

En néglgligeant l’absorption de l’atmosphère, l’énergie thermique est répartie sur une sphère de rayon R et l’énergie thermique par unité de surface diminue en 1/R2 avec la distance. Energie totale pour 20 kt ~ 1014 J dont 1/3 en énergie thermique → 3×1013 J de rayonnement thermique, soit 300 kJ/m2 à 3 000 m (surface ~108 m2) donc brûlure du 3° degré (350 kJ/m2) et 100 kJ/m2 (brûlure du 1° degré) à 5 000 m. En comparaison, le Soleil dépose 1400 W/m2. À 5 km du point d’explosion, la boule de feu dépose 100 kJ/m2 en 0.1 s, soit une puissance de 1000 kW/m2 : l’expression « plus clair que 1000 soleils » est donc littéralement exacte.

L’absorption atmosphérique conduit à une décroissance en 1/R2.4, ce qui réduit un peu ces rayons critiques :

Brûlure Effet Dépôt d’énergie Rayon létal pour 16 kt
1° degré Épiderme (superficiel : coup de soleil) 2.5 cal/cm2 = 100 kJ/m2 3 300 m
2° degré Derme : brûlure, cloques 5 cal/cm2 = 200 kJ/m2 2 500 m
3° degré Derme touché en profondeur : cicatrices
indélébiles
8 cal/cm2 = 350 kJ/m2 2 100 m

Une brûlure du 3° degré sur une zone dépassant 25 à 30% de la surface du corps est souvent mortelle (risque de collapsus cardiovasculaire). Risques graves d’infection via les tissus brûlés. La chaleur déposée sur la surface est très supérieure à celle qui peut être transmise en profondeur par conduction thermique ou renvoyée par rayonnement. La température de surface augmente donc très rapidement, atteignant 1000°C, mais l’effet demeure superficiel en raison de la brièveté du phénomène. Une cloison voire un vêtement (clair !) a pu suffire à protéger les gens. Les conséquences des incendies secondaires sont beaucoup plus graves. Quand les immeubles sont détruits ou endommagés par l’effet de souffle, de nombreuses canalisations sont coupées, des court-circuits électriques se produisent, les flammes nues (veilleuses d’appareils de chauffage, réchauds à alcool ou charbon de bois, gaz) conduisent à de très nombreux départs de feu, amplifiés par l’effet de cheminée des pans de murs ou des cages d’escalier aux portes arrachées. Lors des tremblements de terre de San Francisco en 1906 ou de Tokyo et Yokohama en 1923, l’incendie a été considérablement plus destructeur que le tremblement de terre lui-même, surtout avec les nombreux bâtiments japonais de bois. L’air chaud montant déclenche des vents convergeants au niveau du sol qui conduisent à une extension rapide des incendies. Les températures s’élèvent à plusieurs centaines de degrés, entraînant la fusion du verre et de certains métaux, l’ébullition des plans d’eau ou des rivières, et à des températures de four à l’intérieur des caves et des abris. Une « tempête de feu » ravage alors la ville pendant plusieurs heures. La tempête de feu a commencé 20 mn après l’explosion à Hiroshima, un peu plus tard à Nagasaki (2 heures après l’explosion) mais elle a duré plus longtemps (environ 5 h). Un bombardement nucléaire est instantané par comparaison avec les bombardements incendiaires « classiques » qui duraient plusieurs heures, comme à Dresde ou à Tokyo, et qui laissaient à beaucoup de gens le temps de s’abriter ou de fuir. Les bombardements nucléaires ont donc fait proportionnellement plus de victimes par rapport à la population (40% à 50% à Hiroshima et Nagasaki comparés aux 5 à 10% de Tokyo ou de Dresde).

La majorité des victimes à Hiroshima est due aux brûlures, directes et indirectes. Pour une bombe de 16 kt, le rayon létal des brûlures directes, de l’ordre de 2 100 m, est supérieur aux 1 800 m du rayon létal de l’effet de souffle (surpression de 5 psi) et aux 1 400 m de l’effet létal d’irradiation (dose supérieure à 5 Sv). Les brûlures ont été les plus meutrières : 30% seulement des survivants d’Hiroshima ont montré des effets d’irradiation intense, et il s’agit surtout des personnes qui se sont trouvés à l’abri de la chaleur et du souffle. Beaucoup souffraient aussi de brûlures graves.

Radioactivité

Les très nombreux produits de fission différents engendrés par l’explosion ont des demi-vies extrêmement différentes, de même que leurs descendants. La superposition de toutes ces demi-vies en proportion très différentes conduit, plusieurs minutes après l’explosion, à une règle – empirique – dite « règle des sept » : la radioactivité au temps 7*t est à peu près 1/10 de la radioactivité au temps t . Ainsi, la radioactivité 7 h après l’explosion est 1/10 de la radioactivité 1 h après l’explosion. Cette loi approximative est une loi en puissance, pas une exponentielle comme la transmutation radioactive d’un élément unique.

Rayonnement secondaire par activation neutronique lors de l’explosion → plusieurs heures de radioactivité

Retombées d’une explosion à proximité du sol → pluies noires quelques jours à quelques semaines après l’explosion

Radioactivité due aux 90 à 99% du combustible nucléaire qui n’a pas fissionné, mais a été vaporisé par l’explosion et retombe sur des centaines de km2. Uranium 235 → activité de 8.0×107 Bq/kg. Plutonium 239 → activité de 2.3×1012 Bq/kg (surtout dangereux par inhalation des poussières)

Plus les effets toxiques de 50 kg d’uranium et de 10 kg de plutonium : l’uranium et le plutonium sont biologiquement toxiques comme la plupart des métaux lourds (avec des doses létales ~ gramme pour l’homme) mais la radiotoxicité est bien plus importante.

Validation des calculs

L’explosion accidentelle de deux cargos chargés de près 5 000 tonnes de bombes et de munitions, le 17 juillet 1944, sur la base navale de Mare Island (près de Port Chicago dans le nord de la baie de San Francisco) fit plus de 700 victimes. Cette explosion, équivalent à près de 2 000 tonnes de TNT, permit de valider — partiellement en raison des différences entre explosion chimique et explosion nucléaire – les estimations de l’effet d’une explosion nucléaire (et d’ouvrir la porte à des théories du complot affirmant qu’il s’agissait déjà d’un essai nucléaire).

L’embarcadère de Mare Island en juillet 1944 après l’explosion des deux cargos chargés de bombes et de munitions © US Navy
L’embarcadère de Mare Island en juillet 1944 après l’explosion des deux cargos chargés de bombes et de munitions © US Navy
Mortalitée prévue

Développement boule de feu + estimation des dégâts : dans une note (aux autorités militaires et politiques ?) Oppenheimer estima à 20 000 morts le nombre de victimes d’une explosion nucléaire, mais il avait supposé que les habitants seraient pour la plupart dans des abris anti-aériens, alors que la majorité se trouvait à l’extérieur sans protection (l’alerte avait été levée) ou dans les bâtiments qui s’effondrèrent. De plus, il avait largement sous-estimé les conséquences de l’incendie secondaire.

 

 


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