Fission: parallèles

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Courses parallèles

Des recherches sur les réactions en chaîne furent menées parallèlement en Grande-Bretagne et aux États- Unis, en Union Soviétique, au Japon et en Allemagne, dans une ignorance généralement réciproque (aux opérations d’espionnage près). De plus, en raison du secret militaire très vite imposé dans tous les pays, les physiciens n’eurent pratiquement jamais une vision d’ensemble des travaux menés dans leur propre pays, et encore moins dans les pays étrangers.

Que savait-on — ou supposait-on — en janvier 1940 ?

Que la fission par neutrons rapides de l’uranium 235 pourrait théoriquement permettre une explosion beaucoup plus puissante que tous les explosifs connus, sous réserve de disposer d’une méthode capable de séparer l’uranium 235 de l’uranium 238, ce qui paraissait pour longtemps hors de portée car exigeant des moyens industriels titanesques.

Que la fission par neutrons lents de l’uranium 235 contenu dans l’uranium naturel pourrait théoriquement générer de l’énergie, sous réserve de disposer d’un bon modérateur et de le disposer selon une géométrie adéquate.

Qu’il était théoriquement possible que, dans un réacteur, la capture de neutrons par l’uranium 238 conduise à l’élément 94-239, que celui-ci serait probablement plus facile à séparer de l’uranium 238, et qu’il permettrait également de construire une bombe nucléaire

Notons tous les conditionnels et tous les « théoriquement ». Les physiciens nucléaires pensaient qu’une bombe était théoriquement possible, mais ils étaient parfaitement conscients que les difficultés pratiques seraient colossales, que l’on passe par la voie « séparation isotopique de l’uranium 235 » ou par la voie « réacteur et extraction du 94-239 ».

Comment faire une bombe ?

Sphère d’uranium de k masses critiques, soit une masse

M = n0R03 = k Mcritique ⇔ rayon R0 = k1/3 Rc0 ~ k1/3λ0 = k1/3/n0σ

Libération d’énergie → élévation de température → dilatation

→ densité n0 ↘ n   →   λ=1/nσ ↗   →   Rc ~ λ ~ R3/σ ↗

Le rayon critique augmente plus vite que le rayon de la sphère en expansion

⇒  La réaction s’arrête quand ils sont égaux ⇒ R = k1/6 R0

Pour k = 2 (par exemple) ⇒ k1/6 = 1,12 et Rc0 ~ 20 cm ⇒ dilatation de 2 centimètres seulement

Les noyaux se déplacent à 106 m/s ⇒ arrêt en 10-8 s ⇒ FISSION RAPIDE EXIGÉE

Mais pas de fission rapide possible avec 238U pur

  • chaque fission libère bien entre 2 et 3 neutrons
  • mais seuls 20% ont une énergie > seuil (1,5 MeV) qui permet une nouvelle fission
  • ⇒ νeffectif < 1 ⇒ pas de réaction en chaîne avec 238U pur

Avec un peu de 235U (0,7% à 3%) la situation s’améliore

  • pas de seuil de fission pour 235U ⇒ réaction en chaîne possible
  • noyaux 235U rares ⇒ éviter capture par 238U ⇒ ralentir les neutrons en dessous de la zone de résonances (eV–keV) ⇒ modérateur
  • ⇒ intervalle de 10-4 s entre fissions
  • ⇒ réaction en chaîne LENTE possible («neutrons lents») si pertes de neutrons acceptables dans le modérateur et dans 238U ⇒ choix judicieux du modérateur et de la géométrie

Fission rapide de 235U  (faut-il de l’uranium 235 pur ?)

  • pas de seuil pour la fission, peu d’absorption
  • ⇒ divergence exponentielle et explosion
  • mais nécessité apparente d’isoler des tonnes d’un isotope rare

La question était : quels moyens humains et financiers pouvait-on consacrer à ce recherches? Les pays déjà en guerre (France, Allemagne, Grande-Bretagne, Japon, Italie) ne disposaient pas de beaucoup moyens à détourner de l’effort immédiat de guerre. Et l’Italie, comme l’Allemagne, avait vu une grande partie de ses physiciens nucléaires partir en exil.

À Rome, Amaldi répéta (sans les connaître) les premières expériences de Joliot, de Frisch, de Fermi, mais sous l’influence de Rasetti il préféra ne pas en publier les résultats, jugeant que d’une part ces recherches étaient poursuivies ailleurs avec plus de moyens, et craignant d’autre part les conséquences militaires (Rasetti refusa d’ailleurs ensuite de prendre part au programme Manhattan). Amaldi continua cependant jusqu’en 1942 à travailler sur la fission, à correspondre avec Bohr et à mesurer la section efficace de l’uranium 238.

Parmi les pays encore en paix, l’URSS sortait tout juste de la Grande Terreur et n’était guère en état de se lancer dans un tel effort. Les États-Unis étaient les seuls à pouvoir le faire, mais ils sortaient à peine de la Grande Dépression et aucun effort de grande ampleur ne fut lancé avant 1942. Seules des recherches à petite échelle rassemblant une poignée de physiciens et de techniciens purent être menées pendant quelques années, et dans une ignorance réciproque presque totale en raison du secret militaire imposé à tous.

Courses parallèles
Courses parallèles

Le programme britannique

Les premiers travaux britanniques sur la fission

Les travaux de l’équipe Joliot avaient intéressé les Britanniques. G.P. Thomson avait demandé au gouvernement en avril à disposer d’uranium, et le 3 mai A.M. Tyndall avait signalé au Committee of Imperial Defense la réalisation possible d’une bombe à fission. Pendant le printemps et l’été 1939, deux programmes de recherche sur la fission avaient été poursuivis en Grande-Bretagne, l’un sous la direction de George Paget Thomson à Londres, l’autre sous celle de Mark Oliphant à Birmingham. Joseph Rotblat avait de son côté fait quelques calculs à Liverpool (ou Manchester ?), dans le laboratoire de Chadwick qui l’avait recueilli en avril venant de Pologne, et s’était posé la question de la séparation isotopique par diffusion thermique (allant jusqu’à demander ce que faisaient alors Clusius et Dickel) et il en parla à Chadwick. Celui-ci poursuivait des réflexions parallèles, mais il ne pouvait pas en parler avec un réfugié polonais.

Le pacte germano-soviétique
Le pacte germano-soviétique

La guerre interrompit les recherches nucléaires, mathématiciens et physiciens britanniques se retrouvant mobilisés pour la plupart autour de projets essentiels, comme le développement du radar, la cryptanalyse ou la recherche opérationnelle.

La première chaîne de radars britanniques (Home chain)
La première chaîne de radars britanniques (Home chain)
Console de radar britannique en 1940
Console de radar britannique en 1940

Les physiciens britanniques développèrent en particulier le magnétron (électrons spiralant dans un champ magnétique axial de la cathode vers l’anode, creusée de cavités résonantes → émission d’ondes centimétriques (GHz) avec des puissances de plusieurs kW).

Principe du magnétron
Principe du magnétron

Ironiquement, ce furent donc des réfugiés allemands comme Franz Simon, Rudolf Peierls et Otto Frisch qui lancèrent la Grande-Bretagne (et de ce fait indirectement les États-Unis) dans la course à la bombe.

Analyse de Peierls

Rudolf Peierls (1907-1995)
Rudolf Peierls (1907-1995)

Élève de Heisenberg et de Pauli, Rudolf Peierls était un pionnier de l’étude des semi- conducteurs, et il avait quitté l’Allemagne dès 1933. Il avait collaboré avec Chadwick et Bethe à Manchester, puis travaillé à Cambridge et Birmingham sur les applications de la mécanique quantique aux métaux et aux supraconducteurs. Étant toujours un ressortissant d’un pays ennemi, il lui était interdit de travailler sur le radar et il se tourna vers la physique nucléaire. Il évalua en juin 1939 la masse critique permettant une réaction en chaîne par neutrons rapides (l’article fut envoyé le 14 juin aux Proc. Cambridge Phil. Soc. mais il ne parut qu’en octobre et ne semble guère avoir retenu l’attention). Son calcul était plus général que le calcul pionnier de Francis Perrin, mais il aboutissait à une équation intégrale qu’il ne put résoudre que dans des cas limites. Il rejoignit le projet Manhattan en 1944 dans le cadre de la Mission britannique. Après la guerre, il poursuivit ses recherches en physique nucléaire (diffusion, effets collectifs) comme consultant du programme nucléaire civil britannique. Il fut aussi un membre important du mouvement Pugwash.

Détails du calcul de Peierls

En interpolant entre les cas limites, il obtint une estimation de la masse critique en fonction de la densité du matériau, des sections efficaces et du nombre moyen de neutrons produits par une fission. Mais comme il ne disposait pas de données sur ces paramètres, il ne donnait aucune estimation quantitative. En s’appuyant sur cet article, Chadwick évalua cependant à 30 ou 40 tonnes la masse critique permettant une réaction en chaîne entretenue dans l’uranium naturel (lettre de Chadwick à Appleton du 5 décembre 1939). De fait, le premier réacteur, celui de Fermi à Chicago, utilisa effectivement 40 tonnes d’uranium en décembre 1942. Mais pour une bombe, pareille masse en faisait une arme très peu pratique, à supposer qu’une réaction en chaîne puisse réellement diverger dans un bloc d’uranium naturel (ce qui n’est pas le cas en réalité, la capture de neutrons est trop importante, et un modérateur est nécessaire). Et même si cela était possible, il était quasi-certain que la bombe se détruirait elle-même avant que beaucoup d’énergie soit libérée, comme l’avait pensé Perrin. La réalisation d’un moteur (naval du fait du poids) parut donc plus réaliste.

Chadwick avait également réfléchi à la question de la fission rapide dans l’uranium 235. Il était parti des mesures par Merle Tuve (rapportées dans l’article de Bohr et Wheeler) de la section efficace de fission rapide (à 0.6 MeV) dans l’uranium naturel: Tuve avait trouvé 0.003 barns et Chadwick, supposant que ces fissions étaient dues au seul uranium 235 les multiplia par 140, obtenant 0.4 barns. La même formule de Peierls lui donna plus d’une tonne, ce qui lui parut sans espoir (lettre de Chadwick à Appleton du 26 décembre 1939). Il semble que Fermi soit alors arrivé à la même conclusion pour les mêmes raisons. Chadwick douta cependant de ces sections efficaces «trop faibles» par rapport à la section géométrique, et il commençait à Liverpool une mesure de section efficace quand il fut informé du mémorandum de Frisch et Peierls. Tuve refit à Carnegie des mesures de section efficace au cours de l’été 1940, et les nouvelles mesures en juillet indiquèrent QUOI ?

En 1939-1940, il était de notoriété publique que la fission d’un kilo d’uranium (la taille d’une balle de golf) suffirait à raser une ville (Washington Post du 29 avril 1939, New York Times du 5 mai 1940), mais personne n’avait d’idée claire de la façon de fissionner ce kilo. Perrin ou Bohr, comme Chadwick ou comme Heisenberg, aboutissaient à des tonnes d’uranium dont seule une minuscule fraction était réellement utilisée.

Le mémorandum de Frisch et Peierls

Otto Frisch
Otto Frisch

De son côté, Otto Frisch avait préféré quitter le Danemark pour la Grande-Bretagne dès l’été 1939, et il avait rejoint Peierls à Birmingham, Oliphant lui obtenant une charge d’assistant à l’université. Frisch était séduit par l’idée de Bohr selon laquelle seul l’uranium 235 pouvait fissionner par neutrons lents, et il voulut la vérifier expérimentalement en enrichissant de l’uranium naturel (ce que Nier était en train de faire aux États-Unis à la demande de Dunning, pour la même raison). Il explora les différentes possibilités techniques avant d’opter pour la séparation thermique, dont Klaus Clusius et Gerhard Dickel en Allemagne étaient les pionniers. Clusius (1903-1963) dirigeait l’Institut de Chimie-Physique de l’université de Munich où il menait des expériences sur l’eau lourde. Il y avait développé en 1938 avec son jeune collègue Gerhard Dickel un tube de séparation isotopique par diffusion thermique, avec lequel il avait séparé en 1939 les isotopes 35 et 37 du chlore (le chlore naturel est à 76% du chlore 35 et à 24% du chlore 36. La difficulté avec l’uranium est que la différence de masse entre l’hexafluorure d’uranium 235 et l’hexafluorure d’uranium 238 n’est que de 3/(238+6×19) = 0.0085, moins de 1%, alors qu’elle était de presque 6% pour le chlore. Une difficulté additionnelle était la corrosion prévisible due à un composé fluoré.

Entretemps, la British Chemical Society demanda à Frisch un article de synthèse sur la fission nucléaire pour l’anniversaire de sa découverte. Cela lui donna l’occasion de réfléchir aux applications et aux risques de la fission. Il estima que la fission de l’uranium naturel ne pouvait pas s’effectuer par les seuls neutrons rapides en raison du nombre de diffusions et de captures par résonances. La fission par neutrons lents permettrait peut-être d’aboutir à une source d’énergie, mais qu’elle serait heureusement beaucoup trop lente pour conduire à une explosion dangereuse. L’argument était essentiellement que la durée séparant deux fissions (100 µs, durée nécessaire aux collisions ralentissant les neutrons puis à ce qu’un neutron trouve un noyau d’uranium 235), n’était pas beaucoup plus faible que le temps mis par la bombe à réagir mécaniquement et thermiquement jusqu’à se dissocier : l’énergie libérée ne serait donc guère plus élevée que celle d’une explosion chimique classique.

Puis, ayant terminé son article, Frisch se demanda ce que changerait l’enrichissement en uranium 235: la possibilité d’utiliser l’eau comme modérateur, une taille de réacteur plus petite, une réaction en chaîne avec les seuls neutrons rapides ?

À la différence de ses collègues, Frisch ne supposa pas a priori que la réaction en chaîne était identique dans l’uranium 235 pur et dans un mélange d’uranium 238 (majoritaire) et d’uranium 235 (minoritaire) où la fission rapide est impossible en raison des captures résonantes. L’article de Bohr et Wheeler lui suggéra que tout neutron entrant en collision avec un noyau d’uranium 235 en provoquerait la fission (ce qui n’est pas exact) engendrant entre 2 et 3 nouveaux neutrons et donc une réaction en chaîne divergeant exponentiellement, une explosion. Il reprit alors le calcul de Peierls de la masse critique en l’appliquant au cas de l’uranium 235 pur et à la fission par neutrons rapides. La section efficace correspondante n’avait pas encore été mesurée (elle ne le fut qu’en mars 1941 à Carnegie, et encore la valeur fut-elle surestimée). Optimistes, Frisch et Peierls l’estimèrent à une dizaine de barns (à peu près la section efficace géométrique), et ils aboutirent à leur grande surprise à une masse critique très faible, de l’ordre de 600 g, au lieu de plusieurs tonnes comme le supposaient implicitement la plupart des physiciens. Personne n’avait réalisé que multiplier par 100 la concentration d’uranium 235 revenait (grossièrement !) à multiplier par 100 la section efficace effective de fission, et donc à diviser par (100)3 la masse d’uranium nécessaire !

Comment arrivèrent-ils à 600 g ? En raison de l’incertitude sur la section efficace de fission :

  • σ ~ 10 barns [en fait 1,24]
  • ⇒ λ ~ 2,6 cm [en fait 16,5 cm]
  • ν = 2,3 neutrons/fission
  • ⇒ Rc = 0.8 λ [en fait 1,5 λ] → la taille d’une balle de golf !
  • ⇒ Mcritique = 600 g [en fait 50 kg sans réflecteur]

Cela mettait brusquement une arme nucléaire dans le domaine du possible : isoler un kilo d’uranium 235 pur était autrement plus accessible qu’en isoler 10 tonnes. En réalité, la section efficace est 5 fois plus faible, le libre parcours moyen 5 fois plus grand, et la masse critique 5x5x5=125 fois plus grande, soit une cinquantaine de kilos.

Frisch et Peierls se demandèrent ensuite si la réaction aurait le temps de se propager avant que la libération d’énergie ne vaporise la bombe et la disperse, arrêtant la propagation de la fission. Ils estimèrent que les fissions se succéderaient toutes les 2 ou 3 nanosecondes et qu’une centaine (le chiffre «canonique» de 80 fut retenu) de générations auraient le temps de se succéder avant que la dilatation de la bombe arrête la réaction en chaîne au bout de 100 ns. Une rapide estimation (Peierls dit dans ses souvenirs «au dos d’une enveloppe») les convainquit que quelques % de la masse d’uranium auraient le temps de fissionner, conduisant à une libération d’une quantité d’énergie équivalent à plusieurs milliers de tonnes d’un explosif classique comme le TNT.

  • le volume se dilate et la réaction s’arrête quand la densité devient sous-critique ⇒ dilatation de 10% à 40% pour 8 masses critiques
  • ⇒ rendement estimé de 2% à 10%
  • ⇒ 8*600*10% = 480 g de 235U fissionnent ⇒ énergie libérée 4×1013 J
  • équivalent à 10 000 tonnes de TNT (10 kt)

Ils s’attachèrent aussi aux aspects pratiques tels qu’un assemblage [par des ressorts] de 2 à 8 masses critiques (5 kg) d’uranium 235.

Schéma de la séparation thermique
Schéma de la séparation thermique

Mais cela supposait de commencer par isoler l’uranium 235, et Frisch se lança dans la séparation isotopique de l’uranium. Il reprit son idée de séparation thermique. Il estima qu’un tube de séparation thermique de 150 cm de long et 3 cm de diamètre permettrait de séparer un milligramme d’uranium 235 par jour (sous forme gazeuse d’hexafluorure UF6). Une masse critique de l’ordre du kilo rendait tout à fait envisageable un programme nucléaire, nécessairement de grande ampleur, puisque Frisch envisageait hardiment 100 000 tubes de séparation thermique pour produire 100 g/jour, de quoi fabriquer une bombe par mois (8 masses critiques = 5 kg d’uranium 235) .

Frisch et Peierls ne doutaient pas que les Allemands étaient tout à fait capables d’effectuer le même calcul, et ils en conclurent que le risque d’une bombe nucléaire nazie était tout à fait réel, et que la Grande-Bretagne se trouverait dans une situation désastreuse si elle n’en disposait pas elle aussi. Par conséquent, ils rédigèrent en février 1940 un bref Mémorandum sur les propriétés d’une « super-bombe » radioactive esquissant les caractéristiques et les propriétés d’une arme nucléaire. La lettre qui accompagnait ce texte de 3 pages, adressée aux autorités britanniques via Mark Oliphant qui dirigeait le département de physique de l’université de Birmingham, constituait sans doute la première réflexion sur la dissuasion nucléaire. Son impact fut énorme car il conduisit le gouvernement britannique, puis ensuite le gouvernement américain, à s’intéresser de très près à l’éventualité pratique d’une arme nucléaire.

Le début du Memorandum on the properties of a radioactive « super-bomb »
Le début du Memorandum on the properties of a radioactive « super-bomb »

Dans leur mémorandum, Frisch et Peierls expliquaient que les neutrons rapides étaient nécessaires à une réaction explosive car ils calculaient que deux fissions par neutrons lents seraient séparés de 100 microsecondes (le libre parcours moyen divisé par la vitesse des neutrons thermiques) ce qui laisserait largement le temps au dispositif de se dilater, stoppant ainsi la réaction en chaîne. Avec des neutrons rapides, les fissions ne seraient séparées que de quelques nanosecondes, et la réaction en chaîne aurait le temps de se développer avant que le dispositif puisse réagir mécaniquement à l’afflux d’énergie.

Frisch et Peierls notaient, à juste titre, que l’efficacité de la réaction n’atteindrait cependant pas 100%. Ils montrèrent qu’il faudrait assembler nettement plus d’une masse critique (sans doute au moins 2 ou 3) car avec une seule, la réaction serait arrêtée dès le commencement. Ils estimèrent que le rendement serait de toute manière faible, et que même avec 5 kg d’uranium 235, il ne dépasserait pas 10%. Ils évaluèrent que la puissance d’une telle explosion serait malgré tout équivalente à dix mille tonnes de dynamite, ce qui suffisait à en faire une arme effroyable. Ils signalèrent qu’il faudrait assembler cette quantité de matière à partir de pièces sous-critiques, et que cet assemblage devrait se faire en moins d’un centième de seconde pour éviter un allumage prématuré en raison des neutrons toujours présents dans le rayonnement cosmique.

Enfin, ils notèrent qu’il n’existait aucun moyen de se protéger d’une telle arme, que la zone détruite s’étendrait sur plusieurs kilomètres carrés, et qu’elle serait très fortement irradiée et que la contamination durerait certainement plusieurs jours ce qui exigerait d’importantes mesures de protection. Enfin, ils soulignaient que tous ces résultats étaient facilement à la portée des physiciens allemands, et que s’ils parvenaient à construire une telle arme, la Grande-Bretagne serait désarmée si elle ne disposait pas d’une arme équivalente permettant une dissuasion.

Le Comité MAUD

Frisch et Peierls envoyèrent leur mémorandum à Mark Oliphant, qui le transmit dès mars 1940 à Henry Tizard qui dirigeait le Committee on the Scientific Survey of Air Defense, le plus important comité scientifique du Ministère de la Défense à l’époque. Les autorités britanniques réagirent immédiatement à la réception du mémorandum en lançant un programme de recherches sur de possibles travaux allemands. Elles furent averties par les Français des efforts allemands pour obtenir les stocks norvégiens d’eau lourde, et les services d’espionnage commencèrent à suivre les déplacements des principaux physiciens allemands, Clusius et Heisenberg en particulier. Les Britanniques s’assurèrent de stocks d’oxyde d’uranium, et surtout ils mirent sur pied un comité chargé d’étudier la possibilité d’une super-bombe, rassemblant, sous la direction de G.P. Thomson, Blackett, Chadwick, Cockroft, Moon et Oliphant. Mais ni Frisch ni Peierls n’en faisaient officiellement partie, car ressortissants d’un pays avec lequel la Grande-Bretagne était en guerre. Ce comité fut baptisé Comité MAUD en raison d’un quiproquo à la suite d’un message de Bohr demandant de saluer une certaine Miss Maud dans le Kent (qui avait été gouvernante de ses enfants).

Lors de sa première réunion, le 10 avril 1940, le comité MAUD décida de lancer un programme secret de recherches sur la séparation isotopique et sur la fission par neutrons rapides. Il demanda en particulier à Franz Simon, qui avait quitté l’Allemagne en juin 1933 et était un spécialiste reconnu de thermodynamique, d’examiner la possibilité de séparer les deux isotopes de l’uranium par diffusion gazeuse. Simon conclut en décembre 1940 que cette méthode était praticable, et il indiqua les coûts et les caractéristiques d’une usine de séparation gazeuse. Peierls admit qu’elle était plus efficace que la séparation par diffusion thermique, mais se posa le problème de la mise au point de parois poreuses résistantes à l’hexafluorure.

Schéma de la séparation isotopique par diffusion gazeuse
Schéma de la séparation isotopique par diffusion gazeuse

Chadwick rassembla à Liverpool, où il était professeur, les recherches nucléaires fondamentales (Feather et Bretscher de Cambridge, et un groupe de Bristol), et William Hayworth à Birmingham obtint l’appui d’Imperial Chemical Industries (ICI) pour les recherches de chimie nécessaires.

En mars 1941, en prenant connaissance des toutes premières mesures de section efficace de fission de l’uranium 235 par neutrons rapides effectuées aux États-Unis (par Nier ou par Dunning ?), et transmises aux Britanniques, Peierls revit à la hausse la masse critique de l’uranium 235, l’estimant désormais à 9 kg. La commission MAUD rédigea sur le champ un rapport qui décrivait une bombe à uranium, mettait l’accent sur la diffusion gazeuse, et estimait qu’une bombe pourrait être prête à temps pour influer sur l’issue de la guerre. Geoffrey Ingram Taylor, le grand expert en hydrodynamique, estima le potentiel de destruction d’une telle bombe supérieur à plusieurs milliers de tonnes de TNT. Chadwick estima qu’une bombe nucléaire devenait inévitable.

Ce rapport fut envoyé aux États-Unis, où son destinataire, Lyman Briggs, directeur du Comité de l’Uranium, l’enterra dans son coffre-fort sans même mentionner son existence aux membres du Comité. Le Comité MAUD rédigea deux derniers rapports le 2 (ou le 15 ?) juillet 1941 avant de se séparer : le premier concernait une bombe et le second un réacteur.

Le premier décrivait une bombe avec précision et il traçait une route à suivre pour y parvenir. Il estimait à 12 kg la quantité nécessaire d’uranium 235, avec un réflecteur de neutrons servant également à freiner l’expansion (tamper) et à prolonger la réaction en chaîne. Il suggérait que, par sécurité, l’assemblage devrait se faire en envoyant deux fragments sous-critiques l’un vers l’autre au moyen d’un canon. La bombe complète pèserait une tonne, et son explosion serait aussi violente que celle de 1 800 tonnes de TNT. Le coût du programme était estimé à 95 millions de livres en suivant la voie de la séparation isotopique par diffusion gazeuse. Le Comité MAUD estimait que trois années seraient nécessaires avant d’aboutir (→ mi 1944), et il jugeait que ce délai lui permettrait d’avoir un impact sur la guerre en cours.

La première page du rapport MAUD de juillet 1941
La première page du rapport MAUD de juillet 1941

Le deuxième rapport examinait la possibilité d’obtenir de l’énergie grâce à un réacteur (ou un moteur) utilisant de l’uranium et de l’eau lourde, mais il estimait que cela ne déboucherait pas avant 1945, soit la fin de la guerre (délai pour obtenir assez d’eau lourde ?). Les auteurs du rapport n’étaient pas sûrs que l’on parvienne rapidement à réaliser dans l’uranium naturel une réaction en chaîne stabilisée, et ils suggéraient d’envoyer Halban et Kowarski aux États-Unis. Ils craignaient également qu’il se révèle difficile d’extraire en quantité suffisante le plutonium synthétisé, car on ne connaissait encore presque rien des propriétés physico-chimiques de ce nouvel élément. La voie du plutonium pour aboutir à une bombe paraissait alors bien plus incertaine que celle de l’uranium.

Envoyé immédiatement aux États-Unis, ce nouveau rapport fut à son tour enterré par Briggs au fond de son coffre, et il fallut que Marcus Oliphant, inquiet de n’en recevoir aucun écho de la part de ses collègues, traverse l’Atlantique fin août et en parle directement à Allison, Conant, Fermi, Lawrence et Compton. De son côté, Bush avait reçu dès le 14 juillet un compte-rendu des principales conclusions mais préféra attendre de le recevoir officiellement avant de prendre une décision. Finalement présenté à Roosevelt par Vannevar Bush le 9 octobre 1941, ce rapport joua un rôle central dans l’accélération brutale du programme américain à cette date.

Tube Alloys

Sans attendre, Churchill prit le 3 septembre 1941 la décision d’entreprendre la réalisation d’une bombe, sous le nom de code de Tube Alloys. Le programme avança lentement en raison de la situation militaire difficile du pays à ce moment, et du manque criant de ressources. Les travaux furent donc essentiellement théoriques. Un échange entre Peierls et Oppenheimer en septembre 1942 fit le point sur leurs travaux respectifs : Peierls y expliquait que les Britanniques s’efforçaient de mettre au point les méthodes qui seraient utiles quand les données expérimentales seraient disponibles. Il évoquait aussi les calculs de Frisch sur le rapprochement de masses sous-critiques, ceux de Pryce puis de Dirac et Fuchs sur la dynamique de l’explosion, et les siens sur les effets de l’onde de choc de l’explosion dans l’atmosphère.

La coopération avec les États-Unis devint brusquement plus difficile à partir d’octobre 1942 quand les Américains décidèrent de limiter fortement les échanges d’informations avec les Britanniques (ce qui d’ailleurs freina leurs propres travaux sur la diffusion gazeuse). La coopération s’améliora lors de discussions avec Henry Stimson, Secrétaire à la Guerre de Roosevelt et un accord mis au point le 22 juillet 1943 fut secrètement signé par Churchill et Roosevelt le 19 août lors de la conférence de Québec. En échange de toutes leurs connaissances, les Britanniques seraient associés au programme Manhattan. En octobre, les principaux physiciens nucléaires britanniques (Chadwick, Frisch, Peierls, Fuchs, Penney, Taylor) partirent donc s’installer à Los Alamos où ils apportèrent beaucoup au programme Manhattan. La collaboration fut quelque peu à sens unique, les Américains ne transmettant quasiment aucune information essentielle aux Britanniques, et tous les développements industriels et commerciaux (et implicitement militaires) d’après guerre étant soumis, selon l’accord de Québec, à l’autorisation du président américain.

Le réacteur ZEEP avec des barres d’uranium plongées dans l’eau lourde, entourée d’un blindage de graphite, puis d’un blindage d’eau (absorbant les neutrons) et de béton
Le réacteur ZEEP avec des barres d’uranium plongées dans l’eau lourde, entourée d’un blindage de graphite, puis d’un blindage d’eau (absorbant les neutrons) et de béton

En parallèle, d’autres physiciens sous la direction de Cockroft partirent rejoindre George Placzek (et son collaborateur George Volkoff) au Canada pour y développer un programme de réacteur nucléaire utilisant uranium naturel et eau lourde. Installés à Chalk River, ils aboutirent au réacteur ZEEP (Zero Energy Experimental Pile) d’une puissance de 250 W (une si faible puissance éliminait le besoin de refroidissement) qui divergea le 5 septembre 1945. Il rassemblait 9 tonnes d’eau lourde où étaient plongées des barres d’uranium (et des barres de contrôle). L’ensemble était protégé par un blindage d’eau et de graphite.

Lew Kowarski et Hans Halban participèrent à cette aventure avec d’autres Français expatriés comme Bertrand Goldschmidt et Jules Guéron. Ils furent par contre exclus du programme Manhattan, les Américains ayant refusé la proposition faite par Halban, début 1942, de créer un groupe franco-britannique à Chicago pour construire un réacteur à eau lourde parallèlement au réacteur à graphite que projetait Fermi. Les Américains mirent également leur veto à l’accord passé entre Halban et les Britanniques pour partager après la guerre leurs secrets nucléaires en échange des brevets Joliot. De retour en France en 1945, Kowarski fut un des piliers du CEA naissant, apportant toute son expérience à la construction du premier réacteur nucléaire français, ZOE (Zéro énergie, Oxyde d’uranium et Eau lourde),qui divergea le 15 décembre 1948. Halban, dont les relations avec ses collègues étaient devenues très difficiles, s’installa quant à lui en Grande- Bretagne. Quant aux Britanniques, ils durent lancer après guerre leur propre programme nucléaire quand ils furent exclus des secrets américains par la loi McMahon en août 1946.

Le programme soviétique

La physique nucléaire soviétique

Igor Kourtchatov (1903-1960) jeune
Igor Kourtchatov (1903-1960) jeune

La physique nucléaire soviétique était très avancée en 1939, avec des Instituts à Léningrad, Moscou et Kharkov. Kourtchatov avait réalisé en 1937 le premier cyclotron construit hors des États- Unis, à l’Institut du Radium de Leningrad, fondé et dirigé depuis 1922 par le très influent géochimiste Vladimir Ivanovitch Vernadsky (1863-1945).

Après l’annonce de la fission, il consacra au nucléaire une part importante des activités de son laboratoire. Vitali Khlopin (cofondateur de l’Institut du Radium avec Vernadsky, il lui succéda en 1939) étudiait parallèlement les produits de fission. Le 10 avril, Georges Nicolaievitch Flerov (ou Flyorov, 1913-1990) et Lev Rusinov, deux jeunes physiciens du groupe de Kourtchatov, annoncèrent un nombre de neutrons secondaires de 3±1 (peu avant l’article de Joliot du 22 avril annonçant 3.5). Au Fiztekh de Leningrad, dirigé par Abraham Fedorovitch Ioffe, Iakov Illitch Frenkel (1894-1952) élabora en mars-avril 1939 une théorie de la fission basée sur le modèle de la goutte liquide (parallèlement à celle de Bohr et Wheeler).

Yakov Borisovitch Zeldovitch (1914-1987) © Acad. Sc. Russie
Yakov Borisovitch Zeldovitch (1914-1987) © Acad. Sc. Russie

Au cours de l’été 1939, Yakov Borisovitch Zeldovitch lut l’article de Francis Perrin estimant la masse critique d’uranium et il en discuta avec Iouli Borisovitch Khariton comme lui spécialiste des explosifs à l’Institut de Chimie-Physique de Leningrad. Ils effectuèrent alors des expériences sur la fission et étudièrent la possibilité de réactions en chaîne dans l’uranium naturel, par neutrons rapides d’abord puis par neutrons lents.

Iouli Borisovitch Khariton (1904-1996)
Timbre en l’honneur de Iouli Borisovitch Khariton (1904-1996), montrant en arrière-plan RDS-1, la première bombe soviétique

Ils assistèrent aux séminaires du laboratoire de Kourtchatov pour se familiariser avec la physique nucléaire, et ils interprétèrent les résultats publiés par Joliot et par Fermi à la lumière de leur expertise des réactions en chaine en chimie pour conclure que l’eau ne serait pas un bon modérateur et conseiller l’eau lourde, ou l’enrichissement en uranium 235. Ils présentèrent leurs conclusions en octobre lors d’une conférence à Kharkov. Alexandre Illich Leipunskii (1900?-1973) y présenta la théorie de Bohr et Wheeler sur le rôle de l’uranium 235. La majorité des physiciens se montrait alors sceptique sur la possibilité pratique d’aboutir à une réaction en chaine divergente: Kapitsa estimait que les réactions nucléaires consommeraient plus d’énergie qu’elles n’en libéreraient, Ioffe (dans un rapport à l’Académie des Sciences en décembre) que les perspectives étaient très lointaines. Kourtchatov monta cependant des expériences sur la fission. C’est au cours de l’une d’elles que Flerov découvrit début 1940 la fission spontanée de l’uranium avec Konstantin Petrzakh (ils conduisirent même une expérience dans le métro de Moscou, à la station Dynamo, pour s’assurer que les rayons cosmiques n’en étaient pas la cause).

Leipunsky explora les conditions dans lesquelles un réacteur pourrait fonctionner, donnant une version de la «formule des quatre facteurs» et confirmant l’impossibilité de réactions en chaîne avec de l’uranium naturel modéré par l’eau. En août 1940, Kourtchatov, Khariton, Flerov et Rusinov proposèrent à l’Académie des Sciences un programme de réacteur à eau lourde, Khariton ayant calculé que 2.5 tonnes d’oxyde d’uranium et 15 tonnes d’eau lourde devraient suffire. Mais rien de cela n’était alors disponible en URSS.

En novembre 1940, Kourtchatov exposa à Moscou lors d’une conférence de physique nucléaire les possibilités d’un réacteur nucléaire et d’une bombe à l’uranium. Mais il n’y eut que des travaux de recherche pure pendant les années suivantes en raison du conflit avec l’Allemagne qui mobilisa toutes les ressources disponibles en URSS.

Jusqu’à l’entrée en guerre de l’URSS, les physiciens soviétiques n’avaient pas alerté leur gouvernement sur les possibilités du nucléaire, en particulier militaire, et ils avaient continué à publier leurs résultats sans restriction. Une Commission sur l’Uranium présidée par Khlopin fut cependant créée le 30 juillet 1940 à l’Académie des Sciences, l’organe qui dirigeait la recherche scientifique en URSS, à la suite d’un mémorandum de Vernadsky, qui venait de laisser à Khlopin la direction de l’Institut du Radium de Leningrad.

Virage vers une arme nucléaire

La Pravda, publiant le 13 octobre 1941 un compte-rendu d’une conférence tenue la veille à Moscou, cita une déclaration de Kapitsa

Des calculs théoriques montrent que […] une bombe atomique, même de petite taille, pourrait détruire une grande capitale de plusieurs millions de personnes.

Georgi Nicolaievitch Flerov (1913-1990)
Georgi Nicolaievitch Flerov (1913-1990)

Flerov servait alors comme lieutenant ingénieur sur une base aérienne près de Voronej et, ayant lut la déclaration de Kapitsa, reprit contact avec ses anciens collègues. Frappé par le silence entourant sa propre découverte de la fission spontanée dans les revues américaines, il se rendit compte qu’aucun résultat récent de physique nucléaire n’y figurait. En avril 1942, il écrivit une lettre à Staline pour attirer son attention sur ce fait, qu’il interprétait comme le résultat d’une censure militaire autour de projets nucléaires américains. Il exposait dans sa lettre le principe d’une arme nucléaire et il suggérait le lancement rapide d’un programme nucléaire soviétique.

En mai 1942, Lavrenti Pavlovitch Beria, chef du NKVD (Commissariat du peuple aux Affaires intérieures) confirma les dires de Flerov en communiquant à Staline un rapport du NKVD (daté de mars 1942) synthétisant les renseignements fournis par les réseaux d’espionnage soviétiques en Grande-Bretagne, aux États-Unis et en Allemagne. Le NKVD était également en charge de l’espionnage extérieur, en rivalité avec les services de renseignement de l’armée (GRU). Il était assez bien informé des travaux de la Commission MAUD, mais il ne disposait pas de physiciens capables de comprendre la teneur de ces rapports très techniques et il n’avait pas vraiment donné suite. La lettre de Flerov était beaucoup plus claire et explicite.

Staline, après avoir consulté les principaux physiciens soviétiques pendant l’été, donna le 28 septembre son feu vert à un programme nucléaire militaire, malgré la situation critique du pays. L’effort d’espionnage à destination des États-Unis, ainsi que de la Grande-Bretagne, fut fortement intensifié (programme Enormoz). Le choix du responsable scientifique fut difficile: Ioffe, Kapitsa ou Khlopin étaient les choix naturels, mais ils manifestèrent peu d’enthousiasme à réaliser une arme sous le contrôle étroit du NKVD.

Kourtchatov

Kourtchatov
Igor Vassilievitch Kourtchatov (1903-1960), « La Barbe »: Kourtchatov avait juré de ne pas se raser la barbe avant la réussite du programme

Igor Kourtchatov fut finalement choisi comme directeur du programme nucléaire le 11 février 1943. Il se plongea dans tous les documents rassemblés par le NKVD, dont des copies de documents britanniques des années 1940-1941 sur les réactions en chaîne utilisant l’eau lourde comme modérateur (en particulier les travaux de Halban et de Kowarski). Il établit rapidement un premier programme détaillé prévoyant en parallèle la construction d’un réacteur et la réalisation d’une bombe à l’uranium 235 (dont il n’avait pas le moindre échantillon). Il comptait parvenir à une arme dans un délai de 10 à 15 ans. Le 10 mars était créé à Moscou un Institut de physique nucléaire (sous le nom discret de Laboratoire N°2, devenu aujourd’hui l’Institut Kourtchatov) dont Kourtchatov fut nommé directeur le 12 avril. Un Laboratoire N°3 fut créé peu après pour mener les recherches théoriques (la question demeure ouverte de savoir si l’Unité N°1 était le Kremlin ou la Loubianka, siège du NKVD).

Le NKVD obtint en avril une copie du rapport final établi par la commission MAUD en juillet 1941, qui apprit à Kourtchatov la possibilité d’utiliser le plutonium pour réaliser une bombe (bien que ce rapport l’ait envisagée comme une éventualité plus lointaine que l’uranium). En mai 1943, il prit connaissance de documents américains des années 1941-1942 qui décrivaient les travaux de Fermi à Columbia sur une pile uranium-graphite, avant la réalisation de la première pile à Chicago. Cela lui permit de gagner beaucoup de temps, sachant ce qui avait bien marché et évitant les impasses.

A.I. Alikhanov
Abraham Isaakovitch Alikhanov (1904-1970)
A.A. Artsimovitch
Lev Andreïevitch Artsimovitch (1909-1973)

Le nombre et la diversité des documents rassemblés par le NKVD conduisit Kourtchatov à demander l’autorisation de les communiquer à Ioffe et à d’autres physiciens. Khariton, Artsimovitch, Alikhanov et Kirill Chtchelkine s’ajoutèrent au groupe des physiciens «sûrs» chargés de diriger des recherches chacun sur un point précis du programme. Ils furent rejoints par Isaak Konstantinovitch Kikoine (1908-1984) puis Lev Andreïevitch  (1909-1973).

F. Joliot, I.V. Kourtchatov, X, L. Artsimovitch et A.I. Alikhanov ©AIP
F. Joliot, I.V. Kourtchatov, XX, L. Artsimovitch et A.I. Alikhanov ©AIP

Kourtchatov monta un programme tous azimuts

  • réacteur uranium-graphite
  • réacteur à eau lourde
  • séparation isotopique de l’uranium 235
  • bombe à l’uranium 235
  • bombe au 94-239 (plutonium)

Il prit personnellement en charge la réalisation du réacteur uranium-graphite destiné à la production de plutonium, Alikhanov se chargea du réacteur à eau lourde, Kikoine de la séparation isotopique de l’uranium 235, Artsimovitch se focalisant sur la séparation électromagnétique. Khariton eut la charge de la bombe à uranium et Chtchelkine de celle à plutonium. Le manque de gisements d’uranium sur le territoire de l’URSS fut un frein puissant au programme, le Laboratoire N°2 ne disposant que de quelques kilos presque jusqu’à la fin de la guerre.

En août 1944, le cyclotron de Léningrad, réparé, permit de produire une petite quantité de plutonium, permettant aux physiciens soviétiques d’en étudier les propriétés. En novembre, ils disposèrent de petites quantités d’uranium métallique, mais les mines de Joachimsthal et les usines Auer d’Oranienburg furent bombardées par les Américains peu avant la fin de la guerre, précisément pour empêcher les Soviétiques de récupérer l’uranium. Le NKVD suivait de près l’Armée Rouge en Allemagne pour capter le maximum d’informations, de personnels et de matériel du programme nucléaire allemand. Flerov, Kikoine, Khariton et Artsimovitch participèrent à cette quête, et ils rencontrèrent ainsi Nikolaus Riehl. Ils purent ensuite mettre la main sur une centaine de tonnes d’oxyde d’uranium et une dizaine de tonnes d’uranium métallique. Riehl partit ensuite en URSS, avec d’autres physiciens allemands comme Ardenne et Hertz, collaborer au programme nucléaire soviétique. En mars 1945, Kourtchatov fut informé de la méthode d’implosion retenue à Los Alamos pour la bombe au plutonium, et il prit conscience de l’avance considérable des Américains. Il en informa Staline, en imputant le retard soviétique au manque de soutien du gouvernement.

Programme d’urgence vers une bombe

Mais Staline demeurait méfiant. Son attitude changea après Hiroshima : il accorda alors des moyens illimités et une priorité absolue aux physiciens. Il s’agissait désormais de bâtir une industrie nucléaire quasiment à partir de zéro. Un modèle de cette industrie leur fut donné par le rapport Smyth Atomic Energy for Military Purposes, publié par le gouvernement américain en août 1945 qui décrivait en détail tout l’effort industriel mené au cours du programme Manhattan (mais bien sûr en gardant secrètes les informations essentielles). Le 20 août 1945, Staline créa une sorte de « politburo atomique » (selon le mot de Jaurès Medvedev) qui rassemblait sous la présidence de Beria politiques et scientifiques et disposait de pouvoirs exceptionnels pour diriger tous les usages de l’énergie nucléaire. Dès la fin de l’année 1945, près de 250 000 personnes travaillaient directement ou indirectement pour lui (dont une majorité de prisonniers du Goulag), et ce nombre s’éleva à près de 700 000 en 1950.

Piotr Kapitsa en 1940
Piotr Kapitsa en 1940

Par prudence, Beria insista très fortement pour que Kourtchatov et son équipe copient dans toute la mesure du possible les solutions américaines, bien que les physiciens aient à plusieurs reprises proposé des solutions techniquement supérieures. Kapitsa écrivit en octobre 1945 à Staline pour critiquer la manière dont Beria supervisait le programme, et il se retrouva assigné à résidence jusqu’à la mort de Beria en 1953 (il était trop important pour être fusillé).

Un complexe de laboratoires de recherche (appelé l’«Installation» ou plus officiellement le Bureau de construction N°11, KB-11) fut établi le 13 avril 1946 à Sarov (à 130 km au sud de Nijni-Novgorod, à l’époque Gorki) sous la direction de Iouli Khariton pour réaliser les bombes. Le site reçu le nom de code d’Arzamas-60 (car à 60 km de la ville d’Arzamas) puis d’Arzamas-16 ou plus plaisamment « Los Arzamas » car il était l’équivalent soviétique de Los Alamos (Sarov est d’ailleurs jumelée avec Los Alamos depuis 1993). Deux autres « villes atomiques » furent bâties dans la région de Sverdlovsk sous la direction de Kikoine et d’Artsimovitch pour la séparation isotopique.

Le premier réacteur expérimental, F-1 (Fyzikh 1) fut mis en route le 25 décembre 1946 au Laboratoire N°2 à Moscou. Il fut le premier réacteur nucléaire à fonctionner en Europe. Il utilisait 40 tonnes d’uranium et du graphite comme modérateur et avait une puissance de 10 W (portée ensuite à 12 kW). C’était une copie du réacteur 305 de Hanford (le HTR qui servait au test des matériaux pour les réacteurs de production) et il était encore en fonctionnement à la fin des années 1990, avec le même uranium.

Le réacteur F-1 au Laboratoire N°2 (Institut Kourtchatov) à Moscou ©WeaponsArchives
Le réacteur F-1 au Laboratoire N°2 (Institut Kourtchatov) à Moscou ©WeaponsArchives

Le premier réacteur de production, opérationnel à Mayak — ou Tcheliabinsk-40 — dans l’Oural en juillet 1948, fut une copie du réacteur B de Hanford. Il utilisait tout l’uranium alors disponible en URSS (même des blocs défectueux qui causèrent des accidents). Pour aller plus vite, l’extraction du plutonium se fit sans attendre la désintégration des éléments les plus actifs. De nombreux travailleurs (surtout des jeunes femmes) furent irradiés, et la rivière Tetcha, un affluent de l’Ob qui traversait l’usine, fut fortement contaminée sur des dizaines de kilomètres.

Quant à RDS-1, la première bombe au plutonium qui explosa à Semipalatinsk, au Kazakstan, le 29 août 1949, c’était une copie de Fat Man, la bombe employée à Nagasaki.

Une copie de la première bombe nucléaire soviétique, RDS-1 ou Premier éclair (Первая молния, Pervaya molniya) qui explosa le 29 août 1949 à Semipalatinsk, au Kazakhstan. © Wikipedia
Une copie de la première bombe nucléaire soviétique, RDS-1 ou Premier éclair (Первая молния, Pervaya molniya) qui explosa le 29 août 1949 à Semipalatinsk, au Kazakhstan. © Wikipedia

Le bombardier Tupolev Tu-4 était lui-même une copie (presque) à l’identique du bombardier Boeing B-29.

Un Tupolev Tu-4 survivant, au musée de Monino, près de Moscou © Wikipedia
Un Tupolev Tu-4 survivant, au musée de Monino, près de Moscou © Wikipedia

En parallèle, les Soviétiques se lancèrent dans une course aux armes thermonucléaires, sous la direction de Yakov Zeldovitch, Igor Tamm, Andrei Sakharov et Vassili Ginzburg. Cela devint la priorité majeure après le test de 1949. Mais ceci est une autre histoire…

Andrei Dmitrievitch Sakharov (1921-1989) en 1943. Il ne participa au programme nucléaire qu’à partir de 1948 © Wikipedia
Andrei Dmitrievitch Sakharov (1921-1989) en 1943. Il ne participa au programme nucléaire qu’à partir de 1948 © Wikipedia

Le programme nucléaire japonais

La physique nucléaire avait au Japon une longue histoire, remontant au moins à Hantaro Nagaoka qui avait proposé dès 1904 un modèle planétaire pour l’atome. De nombreux physiciens japonais avaient travaillé en Europe et aux États-Unis.

Yoshio Nishina (1890-1951) ©AIP
Yoshio Nishina (1890-1951) ©AIP

Yoshio Nishina, physicien de grande classe et très proche de Niels Bohr et d’Albert Einstein, avait travaillé de 1921 à 1929 à Cambridge au Cavendish, à Göttingen (formule de Klein-Nishina pour l’effet Compton) et à Copenhague avec Bohr. Il était retourné au Japon en 1929 et depuis 1931, il dirigeait son propre laboratoire au Riken où il eut Yukawa et Tomonaga parmi ses étudiants. Le Riken (理化学研究所 Rikagaku Kenkyusho, Institut de recherche en physique et en chimie) avait été créé à Tokyo en 1917 comme centre de recherches privé, financé par une association d’industriels, le gouvernement et la Maison impériale. En 1927, le Riken fut associé à un consortium d’entreprises (zaibatsu) qui finançaient les recherches et exploitaient les découvertes (63 entreprises et 121 usines en 1939, dont d’ailleurs la future Ricoh). Nishina avait construit en 1936 un premier cyclotron de 70 cm de diamètre sur le modèle du « 27 pouces » de Lawrence à Berkeley, et il avait entrepris en 1937 la construction d’un second, de 1.5 m de diamètre et doté d’un aimant de 220 t.

Cyclotron japonais
Le deuxième cyclotron japonais (vers 1937)

À Tokyo, Nishina s’inquiéta très vite du risque de voir un jour une arme nucléaire menacer le Japon, et il prit contact avec l’Armée. Le général Takeushi Yasuda, directeur de l’Institut Technique de l’Aéronautique, demanda en avril 1940 un rapport à son adjoint, le lieutenant-colonel Tatsusaburo Suzuki, sur les possibilités nucléaires au Japon. Remis en octobre, le rapport concluait à l’existence de réserves d’uranium en Chine et en Birmanie et à la possibilité d’une arme, mais à long terme. En avril 1941 l’Armée approuva un programme de recherche en vue d’une bombe nucléaire et le programme démarra en juillet sous la direction de Nishina. Mais les moyens demeurèrent limités, surtout après Pearl Harbor.

Différentes possibilités de séparation isotopiques furent brièvement explorées (diffusion thermique, diffusion gazeuse, centrifuge) et l’équipe de Nishina modifia le cyclotron en spectromètre de masse pour séparer électromagnétiquement l’uranium 235 de l’uranium 238 (Lawrence fit exactement la même chose à Berkeley) mais il ne semble pas qu’elle soit arrivée à isoler plus de quelques milligrammes d’uranium 235 avant la fin de la guerre. Il n’est pas certain que les physiciens japonais aient pris clairement conscience des différences entre un réacteur et une bombe, et du rôle crucial des neutrons rapides dans cette dernière.

D’autres laboratoires de physique nucléaire existaient au Japon, en particulier à l’université de Kyoto sous la direction de Bunsaku Arakatsu, un élève d’Einstein. Hideki Yukawa s’y trouvait (il rejoignit le Riken en 1940), ainsi que Tokutaro Hagiwara qui publia en octobre 1939, dans la Revue japonaise de Chimie-Physique, une nouvelle estimation (2.6) du nombre de neutrons rapides produits dans la fission par neutrons thermiques de l’uranium. Hagiwara était parfaitement conscient de l’impact de ce résultat, puisqu’il évoquait la «possibilité d’un processus cumulatif de chaînes de transmutations exo-énergétiques». Il explora les possibilités ouvertes par la fission, exposant en mai 1941 la possibilité d’une bombe à l’uranium 235 et indiquant l’importance de parvenir à une séparation isotopique efficace, avant d’être sans doute le premier à imaginer qu’une telle bombe puisse allumer une réaction de fusion thermonucléaire de puissance illimitée.

La Marine Impériale, de longue date rivale de l’Armée, ne pouvait demeurer en reste, et fin 1942 elle subventionna elle aussi des recherches au Riken, tout en lança un programme parallèle à Kyoto sous la direction du professeur Arakatsu. Son objectif premier était la réalisation d’un générateur électrique et d’un moteur naval pour réduire la dépendance du Japon vis-à-vis du pétrole, en utilisant de l’uranium enrichi. Pour cela un projet de séparation isotopique par centrifugation fut entrepris, mais il ne progressa pas beaucoup avant la fin de la guerre. Début 1943, la Marine organisa pendant trois mois un vaste colloque rassemblant tous les physiciens engagés sur des projets nucléaires pour faire le point. Il apparut que la réalisation d’une bombe nécessiterait des centaines de tonnes de minerai d’uranium, une capacité électrique considérable et la moitié de la production de cuivre du Japon. Il sembla également aux scientifiques comme aux militaires présents que ni l’Allemagne ni les États-Unis ne pourraient consacrer l’immense effort industriel nécessaire à la production d’une bombe sans affaiblir excessivement leurs forces. La Marine choisit par conséquent de consacrer l’essentiel de ses ressources au radar plutôt qu’au nucléaire. L’une de ses branches décida malgré tout de soutenir les recherches nucléaires et elle finança en 1943 la construction d’un cyclotron à l’université de Kyoto.

Affiche japonaise de propagande célébrant en 1943 les forces de l’Axe
Affiche japonaise de propagande célébrant en 1943 les forces de l’Axe
Colonne de séparation par diffusion thermique décrite en octobre 1941 par Kenzo Hiroya dans un article du Bulletin de la Société Chimique du Japon
Colonne de séparation par diffusion thermique décrite en octobre 1941 par Kenzo Hiroya dans un article du Bulletin de la Société Chimique du Japon

Parallèlement, le Riken conçut une colonne de diffusion thermique, procédé que Nishina considérait comme la méthode la plus pratique à grande échelle dans les conditions du Japon en guerre. Le projet, lancé en mars 1943 sous la direction de Tadashi Takeshima avança lentement, rencontrant les pires difficultés techniques (tubulures corrodées par l’hexafluorure d’uranium, électronique défaillante, etc.).

À la suite de rapports d’espionnage mentionnant des rumeurs de construction de grandes usines secrètes, les militaires s’inquiétèrent auprès des physiciens. Le 2 juillet 1943, Nishina rapportait que ses propres études indiquaient qu’une bombe était réalisable avec une dizaine de kilos d’uranium 235, et que ses travaux progressaient sur l’enrichissement. Il prévoyait cependant plusieurs années avant de parvenir à une arme utilisable. Les études sur la conception même d’une arme nucléaire n’allèrent d’ailleurs jamais très loin.

En février 1944, Nishina annonça à l’Armée les retards du programme: la séparation électromagnétique était peu efficace, et la diffusion thermique se heurtait à de graves problèmes avec l’hexafluorure d’uranium extrêmement corrosif. L’installation prototype ne fonctionna pas avant la fin de 1944, et encore de façon chaotique. Les recherches étaient, semble-t-il, assez peu coordonnées au Riken. Des chercheurs expérimentés passèrent à d’autres travaux sans leur transmettre leurs connaissances à leurs jeunes successeurs. Certains travaux furent dupliqués dans l’ignorance réciproque des recherches. La situation n’avait guère progressé à la fin de l’année 1944, Nishina rapportant le 17 novembre que la moitié de l’hexafluorure était perdu par des fuites, et qu’il ne disposait toujours pas de l’électronique de puissance nécessaire au fonctionnement correct du cyclotron. Le 13 avril 1945, un bombardement américain visant l’Arsenal proche détruisit le Riken et anéantit l’installation de séparation isotopique.

Rapport sur l’avancement du programme nucléaire japonais (1944)
Rapport sur l’avancement du programme nucléaire japonais (1944)

Quand l’évolution de la guerre se révéla défavorable pour le Japon, les efforts se tournèrent à nouveau vers la réalisation d’une arme. Un projet de centrifugeuse fut entrepris pour effectuer la séparation isotopique. Quand les bombardements aériens menacèrent les installations au Japon au début de l’année 1945, elles furent déplacées — selon certaines sources non confirmées — à Hungnam dans le nord de la Corée (alors colonie japonaise). Mais ni le temps ni les moyens n’étaient au rendez-vous, et le programme n’aboutit à rien avant la fin de la guerre.

Après le bombardement nucléaire sur Hiroshima le 6 août 1945, Nishina s’y rendit le 8 puis Arakatsu le 10, et ils conclurent tous les deux, au vu de l’étendue et de la nature des destructions, qu’elles résultaient bien d’une bombe nucléaire. Le gouvernement leur demanda alors s’il existait une possibilité que le Japon en fabrique une en quelques mois, mais le bombardement de Nagasaki indiqua que la bombe d’Hiroshima n’était pas un exemplaire unique. L’armée américaine détruisit à son arrivée toutes les installations japonaises pouvant servir à des recherches nucléaires, même a priori pacifiques comme les cyclotrons, jetés à la mer dans la baie de Tokyo. Cet acte joua un rôle important dans l’effort mené aux États-Unis par les savants pour retirer à l’Armée le contrôle du nucléaire.

 


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