Los Alamos: Fat Man

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Fat Man

 

Implosion

Un schéma pour réunir plusieurs masses critiques : quatre quarts de sphère disposés en anneau et réunis au centre par une explosion (R. Serber, Los Alamos Primer 1943)
Un schéma pour réunir plusieurs masses critiques : quatre quarts de sphère disposés en anneau et réunis au centre par une explosion (R. Serber, Los Alamos Primer 1943)

L’idée de l’implosion remontait à 1942. Serber dit que Tolman lui en a parlé au printemps 1942, qu’il a rédigé une note avec lui et que Tolman l’avait proposée lors du Summer Study de Berkeley. Apparemment cela n’avait pas marqué les esprits car Bethe, Konopinski, McMillan n’ont aucun souvenir que la question ait alors été abordée. La suggestion avait été reprise – ou redécouverte – à Los Alamos en avril 1943. Kistiakowsky dit que Neddermeyer a eu l’idée de l’implosion lors des exposés introductifs de Serber (Los Alamos Primer). Celui-ci mentionna effectivement à la fin de son exposé diverses « autres idées de configurations […] pas analysées en détail » pour l’assemblage, dont la réunion de 4 quarts de sphère disposés en anneau (ring).

Il ne s’agit pas encore d’une implosion, mais Neddermeyer a pu passer de l’idée de réunir 4 quarts de sphères à celle d’implosion d’une sphère creuse. En 1945, Oppenheimer attribuait d’ailleurs l’idée d’implosion à Neddermeyer, qui l’aurait suggéré en avril 1943 pendant ces réunions de mise en route de los Alamos. D’un autre côté, Tolman aurait expliqué à Oppenheimer dans une lettre du 27 mars 1943 l’intérêt d’augmenter la densité du cœur par une explosion sphérique convergente. Il est possible qu’Oppenheimer, très occupé à ce moment là, n’ait pas réalisé l’importance de cette lettre, n’en ait parlé à personne, et que l’intérêt d’une augmentation de la densité ait été redécouverte un an plus tard par von Neumann (ou Teller).

Seth Neddermeyer (qui venait du National Bureau of Standards) pensa que l’implosion permettrait des vitesses d’assemblage très supérieures à celle du canon (détonation supersonique au lieu de déflagration subsonique), et il en présenta une analyse technique dès la fin du mois d’avril 1943. L’idée était alors de comprimer avec des explosifs une sphère creuse (sous-critique) pour en faire une sphère pleine (super- critique). Ed McMillan dit que les physiciens étaient sceptiques sur cette méthode, mais Oppenheimer décida de mener une étude expérimentale de l’implosion et il confia à Neddermeyer la direction d’un groupe (le groupe E-5 de la division Ordnance) à cet effet. Neddermeyer mena, avec un succès mitigé, une série d’expériences en entourant des cylindres d’explosifs. Ces expériences furent réalisées en liaison avec le laboratoire d’explosifs du NDRC à Bruceton en Pennsylvanie où Neddermeyer et McMillan se rendirent pendant l’été 1943 et où ils rencontrèrent George Kistiakowsky, le principal expert du NRDC en explosifs « de précision ». Celui-ci réalisa pour Neddermeyer des charges explosives qui écrasèrent des cylindres creux sans aucune difficulté. De retour à Los Alamos, Neddermeyer répéta les expériences en variant les dimensions du cylindre, les explosifs et leur disposition. Mais les ondes de choc produites par les explosifs se révélèrent très irrégulières et ces instabilités rendaient la compression trop asymétrique pour permettre le bon développement d’une réaction en chaîne dans le cylindre comprimé, et plus encore dans une sphère.

À l’automne 1943, von Neumann visita Los Alamos en tant que consultant. En examinant les résultats de Neddermeyer, il suggéra l’utilisation de charges creuses pour créer une onde de choc sphérique convergente (est-ce exact ? Ou l’idée n’a-t-elle mûri qu’au printemps 1944 avec la venue de Taylor, expert en instabilités, puis de Tuck, expert en charges creuses ?). Il pensa également que l’efficacité de la compression serait bien meilleure en utilisant une quantité beaucoup plus importante d’explosifs, de sorte que seule une faible part de l’énergie soit perdue dans la déformation plastique de la sphère. Les suggestions de von Neumann stimulèrent les théoriciens et pendant l’hiver 43-44, le groupe de Teller (Konopinski, Metropolis, Jane Roberg et Teller) travailla sur la modélisation d’une implosion (à mi-temps en fait, le reste du temps ils se consacraient à la Super). Teller réalisa que la compression permettait d’atteindre une densité du cœur très supérieure à la densité normale et, comme la masse critique varie comme l’inverse du carré de la densité, de réduire très fortement la quantité de matière fissile nécessaire pour une bombe. L’idée que l’on pouvait fortement augmenter la densité d’un métal « incompressible » n’était pas naturelle et n’est survenue qu’assez tardivement.

Théorie de l’implosion

En mars 1944, Bethe réorganisa la division T : Feynman, Ulam, Harold et Mary Argo, Chew, Christy, von Neumann rejoignirent le groupe de Teller à qui était confié le calcul de l’équation d’état de l’uranium et du plutonium à la haute densité susceptible de résulter d’une implosion (travail réalisé essentiellement par Feynman, Metropolis et Teller). Ils développèrent une description mathématique de l’implosion et ils estimèrent la durée de l’assemblage avec des explosifs. En juin 1944, Teller ne voulut pas prendre en charge les calculs détaillés de l’implosion, parce que ces calculs numériques ne l’intéressaient pas, et parce qu’il préférait revenir à l’étude de la « Super », la bombe à fusion. Bien qu’il ait conclu le 24 février (présentation devant le Governing Board de Los Alamos) que la diffusion Compton inverse empêcherait l’allumage de la fusion du deutérium, il pensait que l’addition de tritium permettrait de réaliser un « booster » où la fusion D-T serait capable d’allumer ensuite la fusion D-D. Oppenheimer lui accorda la liberté de suivre cette voie, avec une partie de son groupe. Après l’arrivée de Fermi pendant l’été et la création en septembre de la division F, rassemblant tous les travaux autres que la fission, Teller dirigea le groupe F-1 responsable de la théorie de la fusion, et Egon Bretscher le groupe F-3 s’occupant des mesures expérimentales de sections efficaces D-D et D-T.

Klaus Fuchs (1911-1988)
Klaus Fuchs (1911-1988)

Bethe confia en juillet à Peierls la responsabilité du groupe « implosion » de la division T, renforcé par plusieurs membres de la mission britannique, comme Tuck, Taylor et Fuchs. Lors de son premier passage à Los Alamos en février 1944, Peierls avait suggéré une méthode pas à pas pour résoudre les équations différentielles de l’implosion, inspirée de celle qu’il avait employée pour les calculs d’onde de choc dans l’air. Arrivé le 14 août 1944, Klaus Fuchs était timide, assez introverti, parlant rarement le premier (Teller disait en plaisantant que « son émission spontanée était faible, mais son émission induite tout à fait acceptable » et Gena Peierls l’avait surnommé « Penny in the slot » car il fallait commencer par dire quelque chose pour obtenir une réponse en échange. Elfriede Segrè l’appelait le Poverino. Feynman en fut proche : quand sa femme était mourante à Albuquerque, Fuchs lui prêta sa vieille Buick pour qu’il puisse lui rendre visite plus facilement. Il ne parlait jamais de politique. C’est Fuchs qui effectua les calculs que Teller n’avait pas voulu faire. Il mit au point des techniques comme la méthode de Fuchs et Nordheim pour évaluer l’énergie libéré par un assemblage devenant brusquement critique (prompt critical). Plus tard, il collabora avec von Neumann sur l’allumage d’une bombe à fusion par une bombe à fission (ils prirent un brevet, mais la méthode employée par la suite, due à Ulam et Teller, et à Sakharov, est un peu différente).

Lentilles explosives

Les calculs (puis les expériences) montrèrent qu’il ne suffisait pas de placer une coquille sphérique d’explosifs autour d’un cœur pour le comprimer symétriquement. Contrairement aux espoirs initiaux, la superposition des ondes sphériques divergeant à partir des points d’explosion ne produisait pas une onde de choc convergeant vers le centre de la sphère mais conduisait à des instabilités (des jets de très haute pression à la jonction des ondes divergentes) et celles-ci s’amplifiaient à l’interface entre explosif et tamper puis à celle entre tamper et cœur de plutonium.

Sir Geoffrey Ingram Taylor (1886-1975)
Sir Geoffrey Ingram Taylor (1886-1975)

Le grand spécialiste britannique de la turbulence Geoffrey Ingram Taylor (arrivé le 24 mai 1944 à Los Alamos) étudia la manière de réduire les instabilités au cours de l’implosion (en particulier l’instabilité de Rayleigh-Taylor où la surface séparant deux fluides se déforme en « doigts »).

Il montra que l’interface entre un matériau dense et un matériau moins dense est instable lorsque c’est le matériau léger qui est accéléré vers le lourd (et stable dans le cas opposé). Cela impliquait la formation d’instabilités quand l’explosif, relativement léger, était accéléré vers le tamper plus dense, lorsque le tamper était accéléré vers un cœur encore plus dense (cas d’un tamper en tungstène), et après la fission quand le cœur se dilatant devenait moins dense que le tamper (cas d’un tamper en uranium). Il fallait d’abord trouver une méthode pour créer une onde sphérique convergente, puis ensuite maîtriser les instabilités aux interfaces.

William Penney (1909-1991)
William Penney (1909-1991)

Les Britanniques, Penney, Tuck et Taylor en particulier, jouèrent un rôle décisif. Après un doctorat sur la mécanique quantique des cristaux, William Penney (devenu Lord Penney en 1967) était devenu un spécialiste de l’hydrodynamique. Il participa au programme Tube Alloys en 1943 avant de rejoindre Los Alamos en mai 1944. Il s’occupa plus particulièrement des conséquences de l’explosion nucléaire (effet de souffle, rôle de la brume, effets du relief, altitude optimale de l’explosion) et suggéra une explosion à plus haute altitude (500 m) qu’initialement envisagé pour que la boule de feu touche à peine le sol et de provoque pas des contaminations radioactives de longue durée. À bord du B-29 Big Stink, il participa en observateur à la mission sur Nagasaki le 9 août 1945. Il fut aussi présent lors des explosions de Bikini (Opération Crossroads) en juillet 1946, dont il établit le rapport sur les effets. À partir de 1947, il dirigea le programme britannique d’arme nucléaire quand, à la suite de la loi McMahon et la création de l’AEC, les Américains cessèrent toute collaboration avec les Britanniques.

James Leslie Tuck (1910-1980), badge d’identité à Los Alamos
James Leslie Tuck (1910-1980), badge d’identité à Los Alamos

James Leslie Tuck, un Britannique arrivé lui aussi en mai 1944, apporta l’idée cruciale de façonner une onde de choc convergente par des « lentilles » explosives. L’idée est d’insérer un explosif « lent » (où l’onde de choc de la détonation se propage moins vite) au centre d’un explosif « rapide » (où l’onde de choc se déplace plus vite). Comme pour une lentille en optique où la lumière se déplace moins vite dans le verre que dans l’air, cette disposition focalise l’onde de choc. C’est d’ailleurs le principe de la charge creuse, sur lequel Tuck avait beaucoup travaillé en Grande-Bretagne.

M.J. Poole (qui faisait d’ailleurs aussi partie de la mission britannique) avait suggéré dès 1942, en Grande- Bretagne, le principe des lentilles explosives pour créer une onde de choc plane, mais il fallait maintenant le réaliser en 3-D pour créer une onde de choc convergente.

Principe de la charge creuse : le creux focalise l’onde de choc en un dard capable de percer un blindage
Principe de la charge creuse : le creux focalise l’onde de choc en un dard capable de percer un blindage

Bethe et Peierls tentèrent en juin de dessiner la forme d’une telle lentille explosive, mais sans succès. Von Neumann suggéra une forme plus efficace pour le composant «lent», mais il restait énormément de travail et de difficultés à résoudre.

George Kistiakowsky (1900-1982)
George Kistiakowsky (1900-1982)

Kistiakowsky était arrivé, de manière permanente, en janvier 1944 accompagné d’un petit groupe d’experts en explosifs venu du laboratoire du NDRC de Bruceton. Les relations entre Neddermeyer (professeur à Caltech) et son supérieur Parsons, chef de la division E, étaient très difficiles: Neddermeyer en bon scientifique voulait progresser de manière progressive par essais et erreurs, et Parsons en bon militaire voulait utiliser des méthodes de force brute. Kistiakowsky eut les mêmes difficultés avec Parsons mais tint bon. Deux nouvelles divisions, X (eXplosives) et G (gadget), furent créées à côté de la division E (devenue O) dont Parsons garda la direction. Kistiakowsky prit la direction de la division X et Robert Bacher celle de la division G. La division X développait la forme et la composition des charges explosives et la division G étudiait la manière dont le cœur de plutonium réagissait à l’implosion. Les relations entre Kistiakowsky et Bacher devinrent difficiles, car tous les deux requéraient des ateliers (« site S ») des charges explosives complexes. Charles Lauritsen, de Caltech, rejoignit la division X comme représentant d’Oppenheimer.

Sur l’impulsion de Conant (lui-même chimiste) Oppenheimer adjoint Kistiakowsky à Neddermeyer en janvier 1944. Kistiakowsky, né à Kiev, avait obtenu un PhD de chimie-physique à Berlin en 1925 avant d’émigrer aux USA en 1926, professeur de cinétique chimique à Princeton puis à Harvard. Préside en 1942 la division du NDRC en charge des explosifs et des propulseurs de fusées (et est à ce titre consultant du programme Manhattan). Remplace Neddermeyer au cours de l’été 1944 à la tête des 600 personnes du département implosion pour concevoir des « lentilles » explosives.

Les essais RaLa

Von Neumann ébaucha un modèle mathématique de ces lentilles explosives, mais il était encore très rudimentaire il fallut procéder de manière empirique : en un an plus de 20 000 lentilles de test furent employées (et bien plus encore fabriquées et rejetées). Le Lt-Cmdr Norris Bradbury, dans le civil professeur à Stanford, arriva du polygone d’essai de l’US Navy de Dahlgren pour diriger la mise au point des moulages. Il fallait faire des moules et y couler les explosifs de manière homogène. Des méthodes de mesure non- destructives de l’homogénéité des moulages furent mises au point, utilisant des rayons X.

L’observation des implosions était difficile, et obtenir un diagnostic correct fut un défi important à relever. Pour observer l’évolution d’une implosion, sur une suggestion de Robert Serber le 1° novembre 1943, on eut recours à une source intense de rayons gammas, la plus intense jamais rassemblée d’ailleurs. L’absorption des rayons gammas était modifiée par la compression, ce qui permettait d’en suivre l’évolution. Il fallait donc que leur énergie soit assez élevée pour qu’ils ne soient pas complètement absorbés, mais pas trop pour que cette absorption varie suffisamment du fait de la compression. Il fallait également une source très intense, mais de durée de vie brève parce que l’explosion allait la disperser dans l’environnement (cela conduisit néanmoins à des problèmes sanitaires qui furent étouffés). Le lanthane 140 fut choisi parce que sa demi-vie n’est que de 40 jours, et qu’au terme de sa transmutation bêta en cérium 140 il émet des gammas de désexcitation de 1.6 MeV et de 0.49 MeV, gamme d’énergie convenable. De plus, il était relativement facile d’en obtenir de grandes quantités (donc des sources intenses de 100 curies, puis 1000 Ci fournis par 1.8 mg de La 140) à partir des produits de fission fourni par le réacteur X-10.

Le premier essai de ces sources dites RaLa, produites par l’équipe de Bruno Rossi, eut lieu le 22 septembre 1944 dans le Bayo Canyon (Technical Area 10), à 3 km à l’est de Los Alamos. Une bille de 3 mm de lanthane 140 était insérée au centre d’une sphère métallique (simulant le plutonium, le plus souvent du cadmium, mais le cuivre et le fer furent essayés) entourée d’explosifs. Quatre bancs de huit chambres d’ionisation entouraient l’installation (en tétraèdre) et leurs signaux étaient récupérés, à distance, par des oscilloscopes filmés par une caméra ultra-rapide.

Le montage des expériences RaLa avec deux des bancs de chambres d’ionisation
Le montage des expériences RaLa avec deux des bancs de chambres d’ionisation

La compression se manifestait par une chute du signal gamma pendant une trentaine de microsecondes, suivie par une remontée lors de la dilatation qui s’ensuivait

Le report, sur parpier millimétré, des mesures des différentes chambres d’ionisation lors d’un essai RaLa en octobre 1944
Le report, sur parpier millimétré, des mesures des différentes chambres d’ionisation lors d’un essai RaLa en octobre 1944
Image aux rayons X de l'implosion
Image aux rayons X de l’implosion

The experiment was suggested on 1 November 1943 by Robert Serber. To handle the logistics of the tests, Luis Alvarez was appointed by Robert Oppenheimer as the head of the RaLa program; his group was designated E-7, RaLa and Electric Detonators Group. On 15 April 1944, Alvarez outlined the needed items; on 26 April a committee was formed from Hans Bethe, George Kistiakowsky, Seth Neddermeyer, Robert Oppenheimer, Parratt, Bruno Rossi, Staub, Edward Teller, Richard Dodson, Gerhardt Friedlander, Lindsay Helmholtz, David Nicodemus, and Victor Frederick Weisskopf. Rossi and Staub built the ionization chambers and electronics by late spring. At first the work proceeded at a leisurely pace as the implosion was only a backup project; it was believed that the plutonium bomb would be of the Thin Man design. This however turned out to not be the case as first tests on the reactor-produced plutonium in early summer 1944 shown unacceptably high spontaneous fission rates, precluding use of gun assembly and requiring implosion. On July 17 the Thin Man design was abandoned and all effort was focused to implosion. The Los Alamos laboratory was reorganized-the X-Division (Explosive Division) and the G-Division (Gadget Division, or Weapon Physics Division) were formed. The Rossi’s group was assigned to G-Division as G-6, or RaLa Group; the Alvarez’s group was G-7, or Electric Detonator Group. On 25 July 1944 the first preliminary test was fired in the Bayo Canyon as a rehearsal, test of equipment, and measurement of collapse times and detonation and shock wave velocities. The program was however delayed by about a month by late radiobarium shipments, as the test scheduled for 15 August was not conducted until mid-September. The first test with radiobarium was fired on 22 September. In late August and at the request of Rossi’s group, the RaLa group was reformed under the leadership of Bruno Rossi, and Alvarez and his group took over the exploding bridgewire detonator research. At the suggestion of Robert Christy solid spheres instead of the originally intended hollow ones were chosen for the pit, in order to reduce the problems with jets and spalling. The first solid-sphere RaLa shot was performed in early December but the results were inconclusive. The shot from 14 December though, showed (in the words of Robert Bacher) « definite evidence of compression ». The first tests using electric detonators and solid pits were performed on 7 and 14 February 1945; until then primacord based initiation was employed. The electric detonators shown a significant improvement in the achieved compression degree and symmetry; they were used on all RaLa tests thereafter. Based on these results, by the end of February the design of The gadget was settled. Other test methods were also necessary as the RaLa experiments provided only indirect indications about the formation of problematic jets that plagued the early implosion designs. RaLa however was the most important.

Mise au point des lentilles

L’idée initiale de l’implosion était de partir d’une sphère creuse et de la comprimer en une sphère pleine par des explosifs répartis tout autour. Le problème majeur est d’obtenir une compression parfaitement symétrique de la sphère. Cela oblige à alterner selon une géométrie précise des explosifs de composition variée où l’onde de choc se déplace plus ou moins rapidement, de sorte que leurs ondes de choc (divergentes et centrées au départ sur le point d’allumage des explosifs) fusionnent en une onde de choc convergente et centrée sur la sphère de plutonium. Cela exige que la forme des différents blocs d’explosifs (les « lentilles » explosives) soit usinée avec une extrême précision (1 mm) et que les détonateurs de chacun des blocs s’allument avec un parfait synchronisme (moins de 10 ns de différence). L’idée initiale était d’utiliser un (unique) détonateur électrique allumant une Primacord, une sorte de cordon explosif brûlant à 5000 m/s, avec des branchements se terminant dans chacun des blocs explosifs. Mais il se révéla impossible, même avec des formes complexes de la Primacord, de mettre à feu tous les blocs à moins de 10 ns d’intervalle. L’emploi de plusieurs détonateurs électriques fut d’abord rejeté par Parsons, au nom des règles de sécurité militaire exigeant la présence d’un obstacle mécanique entre détonateur et explosif, obstacle retiré au dernier moment. Luis Alvarez abandonna en mai 1944 ses travaux sur les radars au RadLab du MIT pour venir à Los Alamos diriger la mise au point de la simultanéité de l’allumage des lentilles explosives. Il montra qu’il était possible de synchroniser les détonateurs avec la précision requise, et Parsons accepta qu’il n’y ait pas de verrou mécanique devant chaque détonateur.

Lentilles de Fat Man
Lentilles de Fat Man

Il se révéla très difficile de comprimer une sphère creuse sans la déformer. Le 28 février 1945 le choix de la configuration du cœur fut figée. Elle abandonnait la sphère creuse pour l’idée plus conservatrice d’une sphère pleine, proposée dès septembre 1944 par Robert Christy. Cette formule était plus coûteuse en plutonium mais les calculs en furent grandement simplifiés (on est depuis revenu à la sphère creuse dont le rendement est nettement supérieur). Utiliser une sphère pleine réduisait aussi la durée de compression maximale et exigeait une source de neutrons à cet instant pour initier la réaction en chaîne, alors que les projets antérieurs auraient pu se contenter des neutrons issus de la fission spontanée. Robert F. Christy (né en 1916) avait été un étudiant d’Oppenheimer (PhD en 1941) avant de travailler avec Fermi à Chicago puis de rejoindre Oppenheimer à Los Alamos. Après la guerre, il rejoignit Caltech (qu’il présida en 1977) et se tourna vers l’astrophysique et les modèles stellaires. Bacher indiqua le 31 janvier à Oppenheimer qu’un initiateur à base de polonium 210 et de béryllium 9 était faisable. Cela induisit une demande 100 curies de polonium par mois. En mars, furent obtenues les premières indications d’une (faible 5%) compression du cœur par implosion. Le 11 avril, Oppenheimer note la réussite des expériences de compression.

Un autre problème se posait avec le plutonium : selon la température et la pression, il peut revêtir plusieurs états (phases) avec des densités et caractéristiques mécaniques différentes. Il existait donc un risque qu’il devienne hétérogène sous le choc, ce qui déformerait l’onde de choc. De plus, il est extrêmement toxique, et radiotoxique. Le groupe en charge de la métallurgie du plutonium essaya différents additifs pour le stabiliser pendant la compression. Finalement, on eut recours à de petites quantités de gallium. La masse critique du plutonium est inférieure à celle de l’uranium 235 car sa fission libère en moyenne 3 neutrons au lieu de 2.34, et sa section efficace de fission est un peu plus grande, 1.8 barns au lieu de 1.2. Rappel : la masse critique M = m3n3/2/(fσ3ρ2) où m est la masse du noyau, n le nombre de diffusions par fission, ρ la densité, σ la section efficace de capture et f un fudge factor dépendant de la géométrie.

La bombe

La bombe avait une structure concentrique. Le cœur était une sphère de 9.2 cm de diamètre contenant 6.2 kg de plutonium (en phase delta de densité 15.9). Cela ne représentait que 78% d’une masse critique, et il n’y avait donc pas de risque d’explosion prématurée. Cette masse correspondait cependant à un peu plus de 3 masses critiques une fois comprimée (5 selon Wikipedia). Ce plutonium n’était resté qu’une centaine de jours dans le réacteur de Hanford (car le temps pressait) et il était donc relativement peu contaminé en plutonium 240 (moins de 1%). La sphère de plutonium laissait un creux de 2.5 cm au centre pour y placer l’allumeur, similaire à celui de Little Boy et qui, une fois comprimé, mettait en contact du béryllium avec une source de polonium. Le plutonium était entouré de 108 kg d’uranium naturel servant de tamper pour ralentir l’explosion nucléaire de quelques µs et permettre une combustion plus complète.

Schéma de Fat Man
Schéma de Fat Man

Le cœur était entouré par une sphère d’explosifs de 138 cm de diamètre, formée de 32 blocs (2à hexagonaux et 12 pentagonaux) à la manière d’un ballon de football. Chaque bloc comprenait une couche interne (le « booster ») de 19 kg d’explosif « rapide » (la « composition B », un mélange de 40% de TNT et 60% de RDX utilisé de manière courante) et une couche externe de 56 kg d’explosif « rapide » à l’extérieur et d’explosif « lent » (du baratol, spécifiquement mis au point pour cela à Bruceton, formé de 30% de TNT et 70% de nitrate de baryum). Le baratol a une vitesse de détonation de 4900 m/s, la « composition B » une vitesse de 8000 m/s

Il y avait donc 2 400 kg d’explosifs autour du cœur. Une explosion produit une onde de compression divergeant à partir de sa source, mais l’ensemble des blocs entourant le plutonium, et la répartition judicieuse des explosifs « lentes » et « rapides », conduisaient à la fusion des toutes ces ondes divergentes à une onde convergeant vers le centre de l’ensemble, onde dont la pression de plusieurs mégabars comprimait en quelques microsecondes le cœur de plutonium et en doublait la densité.

Animation montrant comment les explosions — divergentes — des lentilles explosives fusionnent pour former une onde compressive concentrique ©Wikimedia Commons
Animation montrant comment les explosions — divergentes — des lentilles explosives fusionnent pour former une onde compressive concentrique ©Wikimedia Commons

Pour que l’implosion soit efficace, les différentes pièces devaient être usinées avec une précision meilleure que 1 mm, et l’allumage des 32 blocs explosifs devait se faire en parfait synchronisme, avec une précision de ±10 ns. Pour cela les 32 allumeurs se vaporisaient sous l’effet d’un courant extrêmement intense fourni par des batteries chargeant des capacités de grande taille. Luis Alvarez fut responsable du groupe qui mit au point le système de mise à feu. L’ensemble, ou X-unit pesait 180 kg et était situé entre la sphère de 153 cm de diamètre (une couche d’acier de 1 cm et une couche de dural de 2.5 cm) contenant explosifs et cœur et l’enveloppe extérieure elliptique de la bombe. Cet espace contenait aussi le radio-altimètre déclenchant l’explosion à l’altitude souhaitée (avec un déclencheur barométrique de secours) et l’électronique de commande. La bombe Fat Man complète avait une longueur de 3.25 m et un diamètre de 1.52 m, et elle pesait 4 600 kg.

La bombe était un peu plus sûre que Little Boy pour le personnel qui la manipulait. Un incendie (consécutif à un accident de l’avion porteur par exemple) pouvait déclencher l’explosion des 2 400 kg d’explosif des blocs, mais une telle explosion non coordonnée ne permettait qu’une très brève réaction en chaîne (un fizzle ou fiasco) libérant l’équivalent de l’explosion de quelques dizaines de tonnes de TNT. Par contre, elle aurait libéré un flux intense de rayons gammas mortel jusqu’à 250 m (la dose de rayonnement de l’ordre de 5 à 7 Sv).

L’assemblage d’une bombe de type Fat Man était très complexe, et il ne pouvait se faire qu’au moment de l’utilisation, l’allumeur devant être placé au centre de la sphère de plutonium (le passage de cet allumeur étant refermé par un bouchon de plutonium, puis les blocs explosifs assemblés autour. Cet assemblage prit 5 jours pour le premier exemplaire (Gadget, lors de l’essai Trinity le 16 juillet 1945). L’assemblage du deuxième exemplaire (Fat Man pour Nagasaki) dut être accéléré en 2 jours à Tinian du 6 au 8 août, en sautant certains contrôles, pour être larguée le 9 avant que la météo se dégrade.

 

 


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