Los Alamos: LoPo et HyPo, réacteurs expérimentaux

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Les réacteurs à uranium enrichi LoPo et HyPo

La fin de la conception des réacteurs de production de plutonium de Hanford avait rendu disponible une grande partie des équipes qui autour de Wigner — et de Fermi — les avait réalisés. Il retait certes beaucoup à faire autour de la physico-chimie du plutonium, mais les physiciens s’intéressèrent à d’autres types de réacteur que le modèle uranium naturel modéré par le graphite et refriodi par air ou par eau, dont les nombreux inconvénients (taille importante et sécurité minimale) leur étaient clairs. 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 actuels de réacteurs, aussi bien pour la production de plutonium que d’électricité ou pour la propulsion de navires (et même d’avions). À lui seul, Wigner collectionna plus de 37 brevets couvrant des réacteurs utilisant de l’uranium naturel ou enrichi, modérés par l’eau ou par l’eau lourde, surgénérateurs ou non, à neutrons lents ou neutrons rapides, à cœur liquide ou solide, refroidis par eau, par air ou par métal fondu, etc. Son assistant Alvin Weinberg (1915-2006), qui lui succéda à la direction d’Oak Ridge en 1955, breveta le réacteur à eau pressurisé et uranium enrichi (celui qui équipe la majorité des centrales actuelles), tandis que Farrington Daniels (1889-1972), un autre assistant chimiste du Met Lab, breveta en 1947 le réacteur à lit de boulets (il avait mis au point une méthode de fixation de l’azote de l’air en le faisant circuler sur un lit très chaud de boulets d’oxyde de magnésium converti en nitrate de magnésium). Les réacteurs surgénérateurs utilisant le thorium furent également envisagés (le thorium 232 donne par irradiation de l’uranium 233 fissile).

Eugene Wigner et Alvin Weinberg
Eugene Wigner et Alvin Weinberg

Lors d’une conférence au Met Lab début 1944, Fermi expliqua le principe d’un surgénérateur (Szilard forgea alors le terme de breeder) et il indiqua était plus aisé à construire avec des neutrons rapides car une fission rapide de l’uranium 235 produit en moyenne 2.5 neutrons/fission alors qu’une fission lente n’en produit que 2.07. L’idée en était déjà venue dès 1942 (1940 ?) à Halban. Lors de la réunion du 26 avril 1944, Fermi et Szilard esquissèrent tous les deux des projets de réacteurs à neutrons rapides, des surgénérateurs produisant plus de plutonium qu’ils n’en consommaient (par conversion de l’uranium 238).

En 1943, Fermi proposa la réalisation à Los Alamos d’un petit réacteur homogène liquide, LoPo (low power) pour étudier le fonctionnement de ce type de réacteur mais surtout, à l’époque, pour déterminer la masse critique et valider ainsi les calculs faits pour la bombe. Le calcul de masse critique est en effet analogue dans les deux cas. La masse critique pour une sphère homogène d’uranium est M = m3n3/2/(f?3?2) où m est la masse du noyau, n le nombre de diffusions par fission, ? la densité du combustible, ? la section efficace de capture-fission et f un fudge factor dépendant de la géométrie. La différence entre réacteur et bombe vient de ce qu’un réacteur utilise en général des neutrons lents (thermiques) dont la section efficace de fission (sur l’uranium 235) est beaucoup plus grande que pour les neutrons rapides d’une bombe, d’où une masse critique beaucoup plus faible, de l’ordre de quelques centaines de grammes : c’est d’ailleurs là l’origine des « accidents de criticité » rencontrés à Los Alamos et à Oak Ridge. Par contre l’uranium est beaucoup plus dilué que dans une bombe, en raison de la présence du modérateur, les neutrons diffusent plusieurs fois avant de provoquer une fission (n>>1), ce qui compense en partie la diminution de la masse critique. Par ailleurs la fission est lente et le facteur de multiplication neutronique est limité à k ~ 1 (alors qu’il est de 2 à 3 dans une bombe).

Les réacteurs à cœur homogène liquide, dont LoPo fut le premier exemple, intéressaient par ailleurs beaucoup Fermi, et plus encore Wigner, qui trouvaient dommage de réaliser très soigneusement des éléments de combustible avant de les dissoudre ensuite pour en récupérer le plutonium. L’idée d’un réacteur dont le combustible serait l’uranium sous forme liquide (le sulfate ou le nitrate d’uranyle sont solubles dans l’eau) était donc très séduisante. Il serait possible d’utiliser de l’uranium naturel avec de l’eau lourde, mais il faudrait de l’uranium enrichi avec de l’eau légère. Le calcul indiquait que les quantités nécessaires d’uranium seraient faibles, surtout avec l’eau lourde. Utiliser de l’eau « légère » comme modérateur présente beaucoup d’avantages sur l’eau lourde (disponibilité) et sur le graphite (sécurité), mais elle requiert l’emploi d’uranium enrichi au moins à 1% d’uranium 235. Un réacteur peut bien sûr utiliser de l’uranium 235 presque pur, ce que font aujourd’hui les sous-marins américains.

Pourquoi le problème de capture résonante est-il moins grave que dans les configurations de 1939-1942 où cela avait conduit à des répartitions inhomogènes ?

Donald William Kerst © AIP
Donald William Kerst © AIP

Le physicien Donald Kerst (1911-1993) avait réalisé le premier bêtatron (accélérateur d’électrons) en 1940 à l’université de l’Illinois. Ayant rejoint Los Alamos pour y construire les bêtatrons qui servirent aux analyses des explosions, il y fut également chargé au début de l’été 1943 de la réalisation de LoPo, mais il n’eut initialement que peu de soutien des équipes du Met Lab trop occupées par la construction de X-10 et des réacteurs de Hanford. LoPo utilisait 4.5 kg de sulfate d’uranyle (U02SO4) enrichi à 14% en 235 (utilisant les 565 g d’uranium 235 alors existants) dissous dans 14 litres d’eau (servant de modérateur) formant une « soupe ». L’ensemble remplissait une sphère en acier inoxydable d’une trentaine de cm de diamètre, et régulé par des barres de cadmium. La puissance quasi nulle permettait de se passer de refroidissement et le blindage était formé d’un réflecteur de neutrons en oxyde de béryllium sur une base de graphite. La simplicité recherchée permettait de se focaliser sur le fonctionnement de ce type de réacteur, sur la contamination par les produits de fission et les problèmes de corrosion sans y ajouter les complications du refroidissement ou de la tenue des matériaux sous irradiation.

Schéma du réacteur expérimental LoPo
Schéma du réacteur expérimental LoPo

LoPo fut construit dans l’un des canyons un peu écartés des installations principales de Los Alamos (TA-2, Tech Area 2 ou Omega Site), le bâtiment étant achevé en février. C’est là également qu’eurent lieu à partir de l’été les expériences de mesure de la masse critique (« chatouiller la queue du dragon »), jusqu’à l’accident de Harry Daghlian le 21 août 1945 (à la quite de quoi ces expériences furent transférées sur le site de Pajarito (TA-18).

Los Alamos: Tech Area 2
Los Alamos: Tech Area 2

On l’appela la « chaudière » (boiler) pour des raisons de sécurité et non parce que l’eau y bouillait (les bulles étaient dues à l’oxygène et l’hydrogène venant de la dissociation de l’eau par les rayonnements provenant essentiellement des produits de fission). La quantité d’uranium fut peu à peu augmentée et l’augmentation corrélative de l’activité suivie avec les compteurs. Un pari s’engagea entre les théoriciens, Fermi, Bethe, Christy, sur la valeur critique (qui a gagné ?). Avec Fermi en personne aux commandes, LoPo divergea le 9 mai 1944 (le troisième réacteur à diverger après CP-1 et X-10). LoPo permit de valider les calculs théoriques de masse critique, et de montrer qu’un réacteur homogène pouvait fonctionner sans problème majeur en toute sécurité (auto-stabilisé ?).

Le bâtiment où fut installé LoPo (ici en mai 1946) © LANL
Le bâtiment où fut installé LoPo (ici en mai 1946) © LANL

Sur la suggestion de Fermi et de Bacher, LoPo fut démonté puis ensuite reconstruit modifié en HyPo (High Power) sous la responsabilité de L.D.P. King (collaborateur de Fermi) et de R.E. Schreiber. HyPo atteignit une puissance de 1 kW, portée ensuite 5.5 kW. Harrison Brown est-il à l’origine de HyPo et SuPo?

Fermi et King à Los Alamos © Corbis
Fermi et King à Los Alamos © Corbis
L’installation de HyPo en 1950 ©LANL
L’installation de HyPo en 1950 ©LANL

Un blindage important de graphite et de béton fut installé autour et un serpentin dans le cœur permettait d’en extraire la chaleur produite. Le sulfate était remplacé par du nitrate d’uranyle, moins corrosif. Les réacteurs homogènes liquides posent en effet des problèmes techniques : l’intense rayonnement conduit à la dissociation de l’eau en oxygène et hydrogène et à la formation de bulles de gaz et à des problèmes de corrosion. Opérationnel en décembre 1944, HyPo servit surtout comme source intense de neutrons (pour des mesures de sections efficaces en particulier). HyPo devint à son tour SuPo en 1950 quand la puissance fut augmentée à 35 kW, et surtout le flux de neutrons atteignit 10^12 neutrons/cm2/s. SuPo fonctionna quotidiennement de 1951 à 1974 pour mesurer les effets de l’irradiation (par neutrons mais aussi par les bêtas et gammas des profuits de fission) sur des matériaux variés mais également sur des organismes vivants. Ce type de réacteur fut ensuite développé à Oak Ridge dans les années 1950, et certains petits modèles sont utilisés pour la production d’isotopes (réacteur Argus de 20 kW en Russie depuis 1981 en particulier) du fait de leur haut flux de neutrons et de leur sécurité de fonctionnement.

SuPo en 1959 et son panneau de contrôle (peu différent de ceux de LoPo et HyPo)
SuPo en 1959 et son panneau de contrôle (peu différent de ceux de LoPo et HyPo)

Parallèlement, Wigner et Weinberg développèrent à Oak RIdge l’idée d’un réacteur modéré et refroidi par de l’eau sous pression en construisant le prototype du petit réacteur MTR à haut flux de neutrons (1014/cm2/s) permettant de tester des matériaux (Material Testing Reactor). Le MTR fut construit non à Oak Ridge mais à Idaho Falls en 1952 et fonctionna jusqu’en 1970. C’est aussi à Idaho Falls (Nuclear Test Facility) que furent testés au sol les prototypes de réacteurs des sous-marins (S1W en 1953), ainsi que ceux des avions (projet NEPA de 1946 à 1961, réacteur à sels fondus, modéré par de l’oxyde de béryllium et refroidi à 860°C par du sodium liquide), et les surgénérateurs de Walter Zinn EBR-1 (ex CP-4, et premier réacteur à produire de l’électricité en 1951, jusqu’à son arrêt en 1964) et EBR-2 (de 1969 à 1994). Weinberg breveta par la suite le réacteur à uranium enrichi et eau sous pression (pression de 150 bars, PWR ou REP en français). Plus compact que les réacteurs au graphite, ce type de réacteur fut d’abord utilisé dans les sous-marins, puis ensuite dans les centrales de production d’électricité (centrales de type Westinghouse d’EDF).

 

 


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