Fission: Uranverein

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Il y a un paradoxe apparent:

  • Les Allemands se lancèrent très vite dans un programme nucléaire militaire de grande ampleur
  • Le programme nucléaire britannique – puis le programme américain – furent lancés pour contrer la menace d’une bombe allemande
  • En janvier 1942, l’Allemagne était nettement en avance côté expérimental (prototypes de réacteurs) et un peu en retard côté théorie (fission rapide, calculs de masses critiques) sur les Anglo-Américains
  • Mais elle n’atteignit jamais l’étape franchie dès le 2 décembre 1942 aux États-Unis : une réaction en chaîne entretenue et contrôlée

Peu après la fin de la guerre, ce paradoxe fut expliqué soit comme résultant du sabotage délibéré des physiciens allemands pour freiner la réalisation d’une arme décisive pour Hitler (thèse soutenue par Heisenberg), soit comme résultant d’une incompétence majeure de ces physiciens (thèse soutenue par Goudsmit).

Le 1° Uranverein

Les physiciens nucléaires et les radiochimistes allemands n’étaient évidemment pas restés inactifs après la découverte de Hahn et Strassmann, publiée le 16 janvier 1939. Il est cependant un peu étonnant que Hahn n’ait parlé à personne d’autre que Lise Meitner de sa découverte, pas même à Siegfried Flügge (1912-1997) qui était depuis 1937 son assistant au KWIC (Kaiser Wilhelm Institut für Chemie) après avoir été celui de Heisenberg à Leipzig, et était le théoricien de son équipe, donc la personne a priori la plus à même d’interpréter ses résultats. Il n’en parla pas non plus à Gottfried von Droste (1908-1992) qui avait été l’assistant (Mitarbeiter) de Meitner au KWIC, mais celui-ci était membre du parti nazi, ni à Carl Friedrich von Weizsäcker, brillant théoricien qui se trouvait tout près au KWIP (Kaiser Wilhelm Institut für Physik). Tous l’apprirent en lisant l’article de Hahn et Strassmann, mais ils réagirent rapidement.

Dès le 22 janvier (avant donc la parution de l’interprétation par Meitner et Frisch de ces résultats comme une fission), Droste et Flügge publiaient dans le Zeitschrift für Physikalische Chemie un article attirant l’attention sur l’énergie que devait libérer la production de baryum par rupture de l’uranium. Peu après, Droste remarquait que l’énergie totale des fragments identifiés était plus faible que l’énergie libérée par la rupture, et il suggérait que l’énergie manquante était sans doute emportée par des neutrons libres. Il monta une expérience avec une chambre d’ionisation remplie d’hélium et observa la présence de neutrons rapides à proximité d’oxyde d’uranium irradié par des neutrons. Avec Hermann Reddeman, il estima le nombre de neutrons secondaires à un ou deux par fission (article publié le 7 mai dans Naturwissenschaften) confirmant, plus ou moins, les résultats de Joliot et son équipe.

À la suite de l’article de Joliot paru le 22 avril 1939 dans la revue Nature établissant la possibilité d’une réaction de fission en chaîne, une conférence secrète fut réunie dès le 29 avril au Ministère de l’Éducation, à Berlin. Sous la présidence d’Abraham Esau, elle rassemblait la fine fleur des physiciens nucléaires allemands (essentiellement des expérimentateurs comme Walther Bothe, Robert Döpel, Hans Geiger, Wolfgang Gentner, Wilhelm Hanle, Gerhard Hoffmann, Georg Joos) pour examiner la faisabilité d’un réacteur nucléaire (Uranbrenner ou Uranmaschine), ainsi que l’éventualité d’une bombe nucléaire. Un embargo fut décidé par le gouvernement sur les exportations de radium et d’uranium. L’Uranverein, un petit groupe de travail informel animé par Joos et Hanle, se réunit jusqu’en août à Göttingen sur ce thème, sous l’égide du Conseil de la Recherche (Reichforschungsrat).

Paul Harteck (1902-1985) ©DoE
Paul Harteck (1902-1985) ©DoE

Paul Harteck (1902-1985) avait parallèlement envoyé, dès le 24 avril, une lettre au Ministère de la Guerre pour attirer son attention sur les applications militaires d’une réaction en chaîne, lettre transmise à Kurt Diebner (1905-1964), physicien de formation et conseiller scientifique du Heereswaffenamt, le Bureau des Munitions au ministère, et à Hans Geiger. Harteck indiquait qu’un explosif basé sur la fission de l’uranium aurait une puissance « de plusieurs ordres de grandeur plus efficace que les actuels » et que « le premier pays qui en ferait usage aurait un avantage insurpassable sur les autres. » Chimiste de formation, Harteck avait travaillé avec Rutherford en 1933, et il dirigeait alors le Département de Chimie-Physique de l’université de Hambourg. Il n’avait aucune sympathie particulière pour le nazisme, mais il était patriote et surtout il vit dans la fission une façon d’obtenir les gros moyens qui lui faisaient défaut pour ses recherches (comme il le reconnut en 1967 lors d’un interview).

Le 9 juin, Flügge publia dans Naturwissenschaften (27-402) un article très remarqué «Kann der Energieinhalt der Atomkerne technisch nutzbar gemacht werden ? » (Le contenu énergétique des noyaux atomiques peut-il être techniquement utilisé?). Flügge esquissa une théorie de la diffusion des neutrons dans le cadre d’une réaction en chaîne, et il l’utilisa pour calculer la masse critique d’uranium (naturel). Il assurait que la fission de 4 tonnes d’uranium fournirait autant d’énergie que toutes les centrales à charbon d’Allemagne en onze ans. Mais il expliquait aussi que la fission d’un mètre cube d’uranium métallique en 100 µs conduirait à «une explosion extraordinairement violente». L’article de Flügge ne passa pas inaperçu de l’autre côté de la Manche et de l’Atlantique, persuadant les physiciens que l’Allemagne allait s’engager dans un vaste programme nucléaire. Flügge en publia même une version pour le grand public dans le quotidien Deutsche Allgemeine Zeitung: «Die Ausnutzung der Atomenergie. Vom Laboratoriumsversuch zur Uranmaschine» (L’utilisation de l’énergie atomique, de la recherche de laboratoire à la machine à uranium). Après la guerre, Flügge fut pendant près de 30 ans le directeur de rédaction du Handbuch der Physik.

Nikolaus Riehl (1901-1990), directeur technique de la société Auer et ancien élève de Hahn et Meitner, y vit une occasion de développement de sa société spécialisée dans les terres rares et les composés d’uranium et de thorium, et il se lança dans la production d’oxyde d’uranium purifié avec l’appui de l’Armée. Riehl devait passer dix ans en URSS après la fin de la guerre, où il fut l’un des architectes de la bombe soviétique (il reçut le prix Staline pour cela en 1949).

De son côté, Heisenberg passa une partie de l’été aux États-Unis pour des conférences, et il rencontra à cette occasion nombre de ses collègues physiciens nucléaires. Il rencontra Compton à Chicago, où se tenait une conférence internationale sur les rayons cosmiques (un de ses principaux sujets d’étude ces années-là). À Rochester, Weisskopf le pressa de rester, appuyé par Bethe venu de Cornell à cette occasion. Wigner lui suggéra fortement de s’installer à Princeton et Rabi d’accepter le poste que Columbia lui offrait depuis 1937. Il discuta ensuite des possibilités de réacteur et de bombe nucléaire avec Fermi qui donnait un cours d’été à Ann Arbor. Ils s’accordèrent sur le caractère à long terme de ces perspectives. Fermi lui aussi pressa vivement Heisenberg de rester, mais celui-ci préféra retourner en Allemagne début août 1939, par patriotisme et pour aider ses collègues restés en place. Bothe avait lui aussi passé l’été aux États-Unis pour la conférence et rendu visite à Lawrence à Berkeley examiner les cyclotrons (son élève Gentner y était en stage).

Le 2° Uranverein

Kurt Diebner (1905-1964) ©DoE
Kurt Diebner (1905-1964) ©DoE

La publication de l’article de Flügge avait suscité un vif intérêt de la part de l’armée. Celle de l’article de Bohr et Wheeler le 31 août, indiquant l’importance cruciale de l’isotope 235 de l’uranium, conduisit dès le 1° septembre (le jour du début de la guerre en Europe) à la formation d’un nouvel Uranverein. Kurt Diebner (1905-1964), conseiller scientifique du Ministère de la Guerre, réunit une conférence le 16 septembre, puis une nouvelle dès le 26 où un programme d’études nucléaires fut officiellement lancé par l’Armée sous la direction de Diebner. Trois axes de recherche furent envisagés :

  1. un réacteur nucléaire (un moteur ou Uranbrenner, brûleur à uranium),
  2. l’enrichissement en uranium 235 par séparation isotopique,
  3. et une bombe nucléaire.

La réalisation d’une bombe paraissait incertaine mais, comme Hans Geiger le dit en conclusion : « Messieurs, s’il est possible de la faire, il faut la faire. » Pour aboutir rapidement à une réaction en chaîne entretenue, Harteck défendit l’option uranium naturel et eau lourde, plus simple et plus rapide à mettre en œuvre que l’option uranium enrichi et eau légère. Une répartition des tâches fut alors décidée : Harteck prenait en charge l’étude de la séparation isotopique, Heisenberg les aspects théoriques tandis que Bagge devait mesurer les sections efficaces d’absorption des neutrons par le deutérium pour estimer l’efficacité de l’eau lourde comme modérateur. Erich Bagge (1912-1996) était un élève de Heisenberg et son assistant au KWIP, avant de devenir l’adjoint de Diebner et de s’occuper essentiellement de séparation isotopique pendant la guerre.

Peter Debye (1884-1966)
Peter Debye (1884-1966)

Le directeur du KWIP (Kaiser Wilhelm Institut für Physik), le néerlandais Peter Debye reçut un ultimatum: prendre la nationalité allemande et participer à l’effort de guerre, ou céder la place. Debye partit à la fin de l’année comme professeur invité à Cornell, officiellement à titre temporaire mais il y resta jusqu’à la fin de sa vie (sa femme le rejoignit en décembre 1940). Ses collègues américains surent alors que l’Armée avait pris le contrôle du KWIP, ce qui ne pouvait que signifier un programme nucléaire militaire. Le journaliste William L. Laurence interviewa Debye peu après son arrivée à Cornell, le 28 avril 1940, ce qui le confirma dans l’idée qu’il avait depuis février 1939 que la fission pouvait conduire à une bombe, et que les Allemands tentaient d’en réaliser une : il raconta cela sur 7 colonnes à la une dans le New York Times du dimanche 5 mai 1940.

New York Times, 5 mai 1940
Article de Laurence, New York Times, 5 mai 1940

Le 5 octobre, Diebner prit la direction effective du KWIP qui fut placé sous contrôle militaire et chapeauta les recherches nucléaires de Heisenberg et de Hahn. Heisenberg n’avait que mépris pour Diebner qu’il ne considérait pas comme un physicien (malgré son doctorat de physique) et leurs relations s’envenimèrent très vite. Une partie du KWIP resta toutefois sous le contrôle de la Kaiser Wilhelm Gesellschaft, en particulier le laboratoire de Max von Laue. L’Uranverein rassembla — d’une façon très floue — une soixantaine de physiciens, allant de membres du parti nazi comme Diebner ou Bagge à des antinazis comme Laue ou Gentner, en passant par des intermédiaires comme Heisenberg, Weizsäcker, ou Hahn. Celui-ci, qui dirigeait le KWI für Chemie, demeura très réticent devant le programme nucléaire allemand, estimant qu’une bombe nucléaire serait trop dangereuse entre les mains d’Hitler, et il réalisa très vite les dangers d’une course aux armements. Pendant toute la durée de la guerre, Hahn ne fit que des études purement scientifiques de radiochimie.

Les relations entre les divers membres de l’Uranverein furent rarement chaleureuses. Heisenberg s’entendit très mal avec Harteck, avec Bothe et encore plus avec Diebner. Les rivalités entre physiciens et chimistes, théoriciens et expérimentateurs, scientifiques et ingénieurs empoisonnèrent l’ambiance du programme nucléaire pendant toute la durée de la guerre.

Les principales équipes du programme nucléaire allemand

  • Walther Bothe (Heidelberg) : mesure des constantes nucléaires (~ 6 physiciens)
  • Klaus Clusius (Munich) : séparation isotopique et production d’eau lourde (~ 4 physiciens et chimistes)
  • Kurt Diebner (Berlin-Gottow) : prototypes de réacteurs (~ 6 physiciens)
  • Otto Hahn (KWIC Berlin) : transuraniens et produits de fission (~ 6 physiciens et chimistes)
  • Paul Harteck (Hambourg) : séparation isotopique et production d’eau lourde (~ 5 physiciens et chimistes)
  • Werner Heisenberg (Leipzig et KWIP Berlin) : prototypes de réacteurs (~ 7 physiciens et chimistes)
  • Fritz Houtermans (Berlin) : théorie (~3 physiciens)
  • Hans Kopfermann (Kiel, puis Göttingen) : séparation isotopique (~ 2 physiciens)
  • Nikolaus Riehl (société Auer, Oranienburg) : production d’uranium (~ 3 physiciens)
  • Georg Stetter (Vienne) : transuraniens et constantes nucléaires (~ 6 physiciens et chimistes)
  • Carl von Weizsäcker (KWIP Berlin) : théorie et transuraniens

soit à peine une centaine de personnes impliquées, et de plus extrêmement dispersées à travers tout le territoire.

Les conceptions de Heisenberg

Heisenberg se plongea dans la littérature disponible, s’appuyant essentiellement sur les travaux de Joliot, Bohr, Fermi et leurs collaborateurs. Il ne semble pas avoir eu connaissance de l’article sur la masse critique de Peierls du 14 juin (publié en octobre 1939). Le 6 décembre 1939, Heisenberg présenta à l’Armée un long rapport «La possibilité d’une production technique d’énergie à partir de la fission de l’uranium» (G-39 dans la nomenclature des rapports allemands effectuée après guerre par les Américains), suivi d’un deuxième (G-40) le 29 février 1940.

La méthode la plus sûre de fabriquer une machine adaptée à ce but est d’enrichir l’uranium en isotope 235. Plus il est enrichi et plus la machine peut être petite. […] C’est aussi la seule façon de faire des explosifs dont la puissance dépasse de plusieurs ordres de grandeur les plus puissants connus. Pour produire de l’énergie, on peut également utiliser de l’uranium non enrichi avec une autre substance qui ralentit les neutrons de l’uranium sans les absorber. (Heisenberg)

Rapport de Heisenberg sur le programme nucléaire (1940)
Rapport de Heisenberg sur le programme nucléaire (1940)

☞ Ses conclusions sur l’Uranmaschine :

  • Elle pourrait fonctionner avec de l’uranium naturel [grâce aux 0,7% d’U235] à condition de disposer d’un modérateur peu absorbant : eau lourde ou graphite
  • Elle fonctionnerait cependant mieux avec de l’uranium enrichi, et pourrait alors utiliser de l’eau légère
  • Elle serait auto-stable (T↗ d’où absorption ↗ et densité ↘)

Heisenberg suggérait qu’elle serait sans doute instable si le taux de 235U était > 70% et la masse dépassait plusieurs tonnes

Il concluait à la possibilité d’un réacteur basé sur la fission par neutrons lents de l’uranium naturel, et utilisant comme modérateur l’eau lourde ou le carbone sous forme de graphite. L’eau légère absorberait probablement trop de neutrons et un réacteur l’utilisant comme modérateur devrait probablement exiger de l’uranium enrichi en uranium 235 (ce qui est exact). En écrivant l’équation de diffusion des neutrons, il développa les travaux de Flügge et il calcula à peu près correctement la masse d’uranium naturel nécessaire pour un réacteur, ainsi qu’une estimation de la masse nécessaire avec un peu d’uranium enrichi.

Werner Heisenberg (1901-1976) en 1940
Werner Heisenberg (1901-1976) en 1940

Heisenberg se convainquit qu’un réacteur serait auto-stabilisé, l’augmentation du taux de réaction entraînant une élévation de température, amenant un élargissement Doppler des résonances de capture neutronique de l’uranium 238, d’où une réduction du flux de neutrons et donc une diminution du taux de réaction, accentuée par la dilatation du cœur et la réduction corrélative de sa densité.

Szilárd eut la même idée en février 1940, mais il montra que ce mécanisme ne suffisait généralement pas à assurer la stabilité et que des barres d’un absorbant comme le cadmium étaient indispensables (les réacteurs allemands n’en disposèrent jamais). Les Allemands ne réalisèrent pas non plus le rôle crucial des neutrons retardés pour piloter un réacteur : grâce à eux, l’échelle de temps est de l’ordre de la seconde et non de la milliseconde.

Dans une remarque incidente, après son argument sur l’auto-stabilisation d’un réacteur, Heisenberg indiquait qu’une instabilité conduisant réaction explosive serait cependant possible si l’on disposait d’uranium très fortement enrichi en uranium 235 (typiquement 70%), réduisant la capture de neutrons par l’uranium 238. Il ne donnait pas explicitement d’estimation de la masse nécessaire mais il indiqua un rayon critique de l’ordre de 30 fois le libre parcours moyen, conduisant à une masse de l’ordre de plusieurs tonnes.

Heisenberg et la masse critique, sujet confus

Enregistrements de Farm Hall (Operation Epsilon)
Enregistrements de Farm Hall (Operation Epsilon)

Dans son rapport de 1940, Heisenberg estima correctement autour de 40 tonnes la masse minimale d’uranium naturel dans un réacteur modéré par l’eau lourde ou par le graphite. Il ne parla pas explicitement de neutrons rapides, et n’aborda pas le cas d’une multiplication exponentielle des fissions, ce qui est la différence essentielle entre un réacteur et une bombe. Enfin, il semble n’avoir jamais explicitement calculé (pendant durée de la guerre) la masse critique d’une bombe. En effet, en captivité en Grande-Bretagne, à Farm Hall, Heisenberg se basa d’abord sur un calcul de marche aléatoire pour estimer de façon erronée à une tonne la masse critique d’uranium 235 pur en août 1945, juste après avoir appris la nouvelle d’Hiroshima. Puis il effectua un second calcul, correct celui-ci, aboutissant à une cinquantaine de kilos (enregistrements de Farm Hall)

À partir des enregistrements de Farm Hall en août 1945 (Opération Epsilon), il est possible de reconstituer son raisonnement : Heisenberg semble être parti d’un calcul (simple et élégant en apparence mais totalement irrelevant en réalité) de marche aléatoire : ayant apprit que la bombe d’Hiroshima avait libéré une énergie ~ 15 kt de TNT, il en déduisit qu’un 1 kg d’uranium avait fissionné. Que la fission d’un seul kilo suffise à rayer une ville de la carte était connu depuis 1939, et cela peut être la source de certaines remarques, comme celle de Hahn à Farm Hall rappelant à Heisenberg qu’il disait quelques années plus tôt que le volume d’un pamplemousse suffirait.

D’où le calcul simple – et faux – de Heisenberg :

  • 1 kg d’uranium → N ~ 5×1028 noyaux
  • une fission → ν = 2,5 neutrons
  • → N noyaux sont fissionnés en n pas
  • → N = νn  ⇔  n = Log N / Log ν
  • → n = Log(5×1028)/Log(2,5) = 72 pas

Ce nombre de pas est peu sensible aux valeurs de N et ν [72 pas pour 1 kg, 79 pas pour 1 t].

  • marche aléatoire de n pas
  • →  distance parcourue R = λ*√n
  • avec un libre parcours moyen λ ~ 2,5 à 5 cm
  • →  distance parcourue = rayon critique = 20 à 35 cm

d’où une masse d’uranium 235 entre 700 kg et 5 tonnes (dont seul 1 kg fissionne).

Calcul erroné de la masse critique par Heisenberg
Calcul erroné de la masse critique par Heisenberg

Mais ce calcul est totalement faux. En réalité, il n’y a aucun besoin que les premiers neutrons produits soient encore dans le volume réactif à la fin (ce qui est l’hypothèse implicite de Heisenberg), il faut seulement que le nombre de neutrons produits dans la chaîne soit supérieur au nombre de neutrons qui s’échappent. D’ailleurs, le calcul correct (fait à Los Alamos) donne un rayon critique proche du libre parcours moyen de fission car ce libre parcours moyen est une… moyenne, et la minorité de neutrons qui provoquent une fission en moins de quelques cm suffisent à entretenir la réaction en chaîne, même si la majorité des neutrons sortent du volume sans fission.

Comment calculer correctement une masse critique ?

Calcul de la masse critique
Calcul de la masse critique

Simplifications (drastiques):

  • milieu homogène isotrope
  • symétrie sphérique
  • collisions sans fission négligées

Variation du nombre de neutrons N(r,t) :

dN/dt = (ν-1)N/τ + λV/3 d2N/dr2

où le premier terme compte l’augmentation locale du nombre de neutrons due aux fissions sur place, le deuxième compte les neutrons venus d’ailleurs par diffusion.

Numériquement:

  • ν = nombre de neutrons secondaires ~ 1 à 3,
  • τ = intervalle de temps entre 2 fissions = λ/V ~ 10–8 s,
  • λ = distance entre 2 fissions ~ 20 cm,
  • et V = vitesse des neutrons ~ 107 m/s.

La solution de cette équation différentielle est

Equation de la divergencemontrant:

  • une diminution spatiale en sin(x)/x de la densité de neutrons du centre vers le bord

Diminution de la densité de neutrons

  • une divergence exponentielle au cours du temps, avec une constante de temps γ donnée par :

Constante de temps de la divergence
Le rayon critique correspond à γ = 0 ⇒ rayon critique Rc = λ π [3(ν-1)] ~ 1.5 λ pour ν = 2,5 d’où une masse ~ 50kg

En décembre 1939, Chadwick et Heisenberg estimaient tous les deux – à tort – la masse critique d’uranium 235 entre 1 et 10 tonnes, mais pour des raisons différentes: la formule de Chadwick (due à Peierls en fait) était correcte mais la valeur utilisée de la section efficace de fission était bien trop faible, la formule d’Heisenberg était erronée (mais sa valeur de la section efficace était du bon ordre de grandeur, pourquoi ?). Pour Heisenberg, une bombe était un réacteur «trop» riche en uranium 235 et qui explosait, ce qui montre qu’il ne faisait pas de distinction nette entre neutrons lents et neutrons rapides ni entre réacteur et bombe. À l’annonce d’Hiroshima, Heisenberg pensa d’abord que les Américains avaient réuni plus d’une tonne d’uranium 235 et largué un réacteur sur Hiroshima, et il décrivait encore à ses collègues la multiplication des neutrons par une marche aléatoire.

Rassembler plusieurs tonnes d’uranium 235 semblant totalement hors de portée, Heisenberg n’effectua jamais de calcul soigneux de la masse critique, analogue à celui de Frisch et Peierls en février 1940. De ce fait le programme nucléaire allemand (officiel en tout cas, Houtermans en 1941 n’est pas loin des conclusions du rapport MAUD) ne chercha pas sérieusement à étudier la possibilité d’une bombe et il se focalisa sur un réacteur. Mais ce choix n’est nullement dû à des raisons morales, comme Heisenberg et Weizsäcker l’affirmèrent après la guerre. Si Heisenberg en décembre 1939 avait conclu, comme Frisch et Peierls au même moment, qu’il suffisait de quelques kilos d’uranium 235 pour réaliser une bombe équivalant à plusieurs milliers de tonnes de TNT, l’État-Major allemand aurait probablement jugé le projet prioritaire, exactement comme les Britanniques avec le programme Tube Alloys et les Américains avec le programme Manhattan.

Le programme de Harteck

Chimiste de formation, Harteck travailla en 1933 à Cambridge sur le deutérium avec Rutherford et Oliphant. De 1934 à 1950, il dirigea le Département de Chimie-Physique de l’université de Hambourg, puis devint en 1951 professeur au Rensselaer Polytechnic Institute de Troy (New York). Harteck fut probablement la seule personne en Allemagne à avoir réalisé l’ampleur de l’effort industriel nécessaire à la réalisation d’un réacteur de puissance, et plus encore d’une arme. Conseiller du Heereswaffenamt de 1937 à 1945, il dirigea deux axes de recherche, l’un sur la production d’eau lourde et l’autre sur la séparation isotopique, d’abord par diffusion thermique (avec Clusius et Jensen) puis par centrifugation (avec Beyerle et Groth).

Eau lourde

  • 1940 : augmentation de la production
  • 1941 : catalyseur avec Hans Suess

Séparation isotopique

  • 1940 : séparation isotopique par diffusion thermique, succès mitigé (corrosion par l’hexafluorure d’uranium)
  • 1941 : ultracentrifugeuse de Beyerle
  • 1942 : Groth parvint à modifier les rapports isotopiques du xénon et du krypton
  • 1943 : enrichissement (faible!) en U235
  • difficulté à réaliser paliers et rotors assez résistants
  • 1944 : destruction de l’usine Anschütz dans un bombardement

Il n’y eut pas de centrifugeuses efficaces réalisées avant les années 1950 (dues à Gernot Zippe, alors en URSS), les travaux américains contemporains (Jesse Beams) se heurtant à des difficultés similaires.

En janvier 1940, une tonne d’uranium était livrée, en provenance des mines de Joachimsthal, celles-là même d’où venait la pechblende qui avait permis à Pierre et Marie Curie de découvrir le radium. Par contre, il n’y avait aucune production d’eau lourde dans les territoires alors contrôlés par l’Allemagne. Le seul fournisseur était la compagnie norvégienne Norsk Hydro, et Joliot avait récupéré en mars les 185 litres du stock existant. Ce problème fut en principe résolu en mai lorsque la Norvège fut conquise. Immédiatement, les Allemands exigèrent que la production soit portée de 20 à 1500 litres par an.

Entretemps, Harteck avait mené avec Wilhelm Groth des expériences infructueuses de réaction en chaîne avec de l’oxyde d’uranium et de la neige carbonique (dioxyde de carbone solide) comme modérateur. Mais les quantités dont il disposait étaient bien trop insuffisantes pour parvenir à une réaction en chaine. Il envisagea alors un réacteur à uranium naturel et eau lourde. Les calculs indiquaient qu’un réacteur aurait besoin de 4 ou 5 tonnes d’eau lourde pour fonctionner en régime critique et Harteck et Suess réalisèrent en 1941 un convertisseur catalytique permettant d’augmenter la production d’eau lourde à l’usine de Vemork jusqu’à 4 tonnes/an. Vemork pourrait ainsi permettre de réaliser un réacteur opérationnel par an. La production totale pendant la guerre ne dépassa cependant pas 3 tonnes (partagées qui plus est entre les équipes concurrentes).

Tube de séparation thermique de Clusius et Dickel
Tube de séparation thermique de Clusius et Dickel

Parallèlement Harteck explora jusqu’en 1942 avec Klaus Clusius et Johannes Hans Jensen la séparation isotopique par diffusion thermique, avec un succès mitigé et de graves difficultés avec la corrosion due à l’hexafluorure.

Avec Groth et Jensen, il proposa en septembre 1941 d’utiliser la séparation par ultracentrifugation que Konrad Beyerle mettait au point depuis 1939 à la compagnie Anschütz à Kiel. Ils durent utiliser des rotors en alliage léger faute d’aciers spéciaux. En juin 1942, Groth avait réussi à modifier le rapport entre les isotopes de xénon dans un échantillon, et le mois suivant à enrichir (faiblement) l’uranium en uranium 235.

En février 1943, l’équipe de Harteck parvint à atteindre un enrichissement de 5% (cela ne signifie pas de l’uranium enrichi À 5% mais DE 5%, i.e. 0.7%x1.05), ce qui aurait été à peine suffisant pour alimenter un réacteur à eau légère. Les difficultés techniques pour fabriquer des rotors résistants et les bombardements (l’usine Anschütz fut détruite en 1944 par un bombardement) empêchèrent un développement à grande échelle. Ce degré d’enrichissement était cependant trop faible pour réaliser une arme. De son côté, Erich Bagge construisit en 1944 un prototype de centrifugeuse pour le compte de Diebner, mais les premiers modèles réellement efficaces ne furent construits que plus tard, en 1950, par Gernot Zippe… en URSS dont il était alors « l’invité » involontaire. Les centrifugeuses de Zippe utilisaient aussi une différence de température entre la base et le sommet des cylindres en rotation pour ajouter un effet de convection.

Les idées de Weizsäcker

Weizsäcker
Carl Friedrich von Weizsäcker (1912-2007)

Parallèlement, inspiré par un article de Turner de janvier 1940 sur les «transuraniens manquants», Weizsäcker indiquait dans un rapport le 17 juillet 1940 que la capture de neutrons dans l’uranium 238 devait créer graduellement les éléments transuraniens 93-239 (eka-rhénium, le neptunium actuel) puis 94-239 (eka-osmium, le plutonium), en se référant à l’article théorique de Bohr et Wheeler en 1939, et à celui de McMillan et Abelson annonçant en mai 1940 la découverte de l’élément 93.

Weizsäcker pensa d’abord que l’élément 93-239 serait presque stable et fissile comme l’uranium 235, selon la théorie de Bohr et Wheeler. Il estimait dans son rapport qu’il serait possible de transformer les 2/3 de l’uranium 238 en eka-rhénium 239 et de séparer chimiquement ce dernier sans difficulté majeure. Il concluait que cet eka- rhénium permettrait de «construire de très petits moteurs» et de réaliser un explosif extrêmement puissant. Mais un Uranbrenner à haut flux de neutrons était indispensable pour obtenir cet élément.

Le 15 juin 1940, McMillan et Abelson avaient cependant publié un article dans Phys. Rev. indiquant que l’élément 93-239 n’avait qu’une durée de vie de 2.3 jours et se transmutait en 94-239 pratiquement stable, et Weizsäcker comprit alors que c’était l’élément 94 qui jouerait le rôle d’explosif nucléaire. Les conséquences potentiellement dévastatrices de l’article de McMillan et Abelson n’avaient pas échappé à Szilárd et à Chadwick qui parvinrent alors à imposer un embargo sur toute information nucléaire en provenance de Grande-Bretagne ou des États-Unis.

En 1941, il rédigea un projet de brevet dans lequel il précisait «l’élément 94 peut être produit en quantités utilisables en pratique avec l’Uranmaschine. Le principal bénéfice de cette invention est que l’élément 94 ainsi produit peut facilement être séparé chimiquement de l’uranium.» Il signalait aussi que cet élément 94 pouvait être employé dans une bombe «dix millions de fois plus puissante que tout autre explosif, et comparable seulement à l’uranium 235 pur.» Un brevet fut effectivement déposé le 3 novembre 1941 au nom du KWI, mais il ne mentionnait pas explicitement la possibilité d’une bombe (sinon sous la forme d’un réacteur rendu instable).

Les physiciens allemands avaient dès lors clairement identifié les deux voies conduisant à une arme nucléaire : la séparation isotopique de l’uranium 235, et la production de plutonium 239 dans un réacteur. Mais isoler les plusieurs tonnes d’uranium 235 jugées indispensables parut (aux dirigeants du programme nucléaire en tout cas) complètement inaccessible dans les conditions de l’Allemagne à cette époque. La seule voie pratique leur semblait passer par le réacteur pour obtenir plusieurs tonnes de plutonium. De toute manière, le réacteur intéressait beaucoup plus les physiciens. En réalité, il est très difficile de séparer chimiquement le plutonium de l’uranium, comme Seaborg et son équipe s’en rendaient compte au même moment. Mais les physiciens allemands ne produisirent jamais de plutonium pour l’étudier, même avec les cyclotrons dont ils auraient pu disposer à Paris ou à Copenhague, et ils n’eurent jamais aucune idée des difficultés qui leur seraient restées à résoudre une fois un réacteur en état de marche. Ils ne disposèrent pas non plus d’uranium métallique avant 1943, la société Auer ne disposant pas auparavant des moyens nécessaires, et elle ne pouvait fournir que de très petites quantités de métal. La plupart des prototypes allemands durent donc utiliser de l’oxyde d’aluminium bien moins efficace.

Le programme de Heisenberg jusqu’en 1942

Ni Heisenberg ni Weizsäcker n’étaient passionnés par les aspects expérimentaux et techniques, et Weizsäcker laissa ses thésards Karl-Heinz Höcker et Paul Müller (tous deux furent mobilisés juste après leur thèse, et Müller tué sur le front russe) développer la théorie des réacteurs en couches alternées avec l’aide de Bothe. Mais il était nécessaire de préciser les constantes nucléaires (sections efficaces de fission, de collision et d’absorption, spectres d’énergie, nombre de neutrons secondaires, etc.) et plusieurs équipes (mais surtout celle de Bothe) s’en chargèrent en 1941 et 1942. Entre temps, des expériences préliminaires furent montées à Berlin et à Leipzig.

À partir d’octobre 1940, Heisenberg réalisa avec Karl Wirtz, au KWIP à Berlin, une série d’expériences de réactions en chaîne utilisant un arrangement cylindrique de couches successives d’oxyde d’uranium naturel et de paraffine (utilisée comme modérateur), le tout dans l’eau (utilisée comme réflecteur de neutrons et absorbant). Pour réduire les pertes de neutrons par absorption résonante, Harteck avait suggéré que séparer l’uranium du modérateur serait plus efficace que le mélange homogène utilisé en 1939 par l’équipe de Joliot.

Réaction en chaîne dans un feuilletage d'uranium et de modérateur
Réaction en chaîne dans un feuilletage d’uranium et de modérateur

Heisenberg avait opté pour une alternance de couches d’uranium et de modérateur, couches superposées ou concentriques. La disposition employée au même moment au États-Unis par Anderson, Fermi et Szilárd, des blocs d’uranium plongés dans le modérateur, était meilleure encore, mais Heisenberg jugea que le calcul de la diffusion des neutrons serait trop compliqué avec cette géométrie. L’épaisseur des couches était calculée pour qu’un neutron de fission quitte la couche d’uranium, et reste assez longtemps dans la couche de modérateur pour être ralenti jusqu’à devenir un neutron thermique. Mais si un neutron était produit, ou diffusé, plus ou moins parallèlement à la couche d’uranium, il avait toutes les chances d’être absorbé. D’un autre côté, la capture d’un neutron est la première étape de la production de plutonium, il y a donc un équilibre à trouver. La proportion de neutrons absorbés dans ces réacteurs (B-I puis B-II et B-III) était beaucoup trop forte pour que les réactions en chaîne soient auto-entretenues, et elles s’éteignaient très rapidement.

Le prototype L-I de réacteur nucléaire de Heisenberg à Leipzig en 1940
Le prototype L-I de réacteur nucléaire de Heisenberg à Leipzig en 1940

À Leipzig, Heisenberg mena parallèlement avec Klara Döpel (1900-1945) et Robert Döpel (1895-1982), des expériences avec une géométrie différente, sphérique et de ce fait plus économe en uranium. Apparemment, L-I était sphérique mais avec des couches empilées. En 1940, le réacteur L-I utilisait de l’oxyde d’uranium et de la paraffine comme celui de Berlin, et ses résultats furent également négatifs.

Le réacteur expérimental L-II de Heisenberg et Döpel (plusieurs sources disent L-IV mais celui-ci utilise de l’oxyde d’uranium). Une source de neutrons devait être insérée au centre à travers le tube vertical pour déclencher des réactions en chaine (convergentes)
Le réacteur expérimental L-II de Heisenberg et Döpel (plusieurs sources disent L-IV mais celui-ci utilise de l’oxyde d’uranium). Une source de neutrons devait être insérée au centre à travers le tube vertical pour déclencher des réactions en chaine (convergentes)

Comme Joliot et comme Szilárd avant eux, Heisenberg et les Döpel en conclurent que les seuls modérateurs utilisables avec l’uranium naturel étaient l’eau lourde et le graphite. En août 1940, les Döpel démontrèrent à Leipzig que l’eau lourde était un bon modérateur, restait à construire un réacteur de taille critique. Les Döpel disposaient de peu d’uranium (l’essentiel était à Berlin) et de 150 litres d’eau lourde seulement.

Le réacteur expérimental L-II de Heisenberg et Döpel
Le réacteur expérimental L-II

Avec l’eau lourde, le réacteur L-II des Döpel à Leipzig permit le 28 octobre 1941 de mesurer une augmentation du flux de neutrons, mais il ne contenait que 142 kg d’oxyde d’uranium et 164 kg d’eau lourde, de loin pas assez pour permettre une réaction en chaîne auto-entretenue. Parallèlement, à Berlin, le prototype B-III utilisant de la poudre d’uranium et de la paraffine comme modérateur (faute d’eau lourde) produisit un flux de neutrons très faible en janvier 1942. Mais plusieurs membres de l’équipe de Wirtz à Berlin, Fischer et Bopp en particulier, subirent des irradiations importantes.

Réacteur L-IV
Réacteur L-IV

Le remplacement en 1942 de l’oxyde d’uranium par des plaques d’uranium métal augmenta la production de neutrons plus que prévu. Le réacteur L-III à Leipzig utilisa 108 kg d’uranium métallique (et toujours 164 kg d’eau lourde), puis L-IV atteignit 750 kg d’uranium (avec toujours les mêmes 164 kg d’eau lourde) au printemps 1942.

L-IV montra en avril 1942 une augmentation de 13% du flux de neutrons, « la preuve expérimentale de la multiplication effective des neutrons dans une sphère concentrique de D2O et d’uranium » comme les Döpel l’écrivirent en juillet 1942. Ces résultats indiquaient qu’une réaction auto- entretenue était du domaine du possible, à condition de disposer de 5 tonnes d’eau lourde et d’environ dix tonnes d’uranium.

Mais le réacteur L-IV explosa le 23 juin 1942, probablement parce que de l’eau s’était introduite dans la poudre d’uranium, ralentissant les neutrons et augmentant de ce fait la section efficace de fission (inversement proportionnelle à la vitesse des neutrons thermiques). L’élévation de température conduisit à une explosion (chimique) qui dispersa de l’uranium dans toute la pièce, mit le feu au laboratoire, et manqua de tuer Döpel et Heisenberg. Heisenberg semble avoir pensé qu’un réacteur se régulerait automatiquement, mais manifestement, ce n’était pas le cas. Les travaux s’arrêtèrent alors à Leipzig. Le 31 juillet 1942, Heisenberg rédigea un rapport (G-161) dans lequel il présentait le projet d’une expérience de réacteur à plus grande échelle, utilisant 1.5 tonnes d’eau lourde et 3 tonnes de plaques d’uranium métallique. Il mentionnait le risque d’instabilité et d’explosion nucléaire (ce qui est en réalité impossible).

L’alternative à l’eau lourde était le carbone, sous forme de graphite. Mais en janvier 1941, à Heidelberg, Walther Bothe mesura une forte absorption des neutrons par le graphite, et en conclut que le carbone ne pourrait pas être un modérateur utilisable dans un réacteur. Sa valeur était le double de celle mesurée à la même époque aux États-Unis par Fermi (et qui était restée secrète), la différence étant due à un taux plus élevé d’impuretés de bore dans le graphite utilisé par Bothe. Son résultat sembla confirmé par l’insuccès des expériences de Harteck l’année précédente avec la glace carbonique. Cela eut des conséquences majeures, car l’eau lourde parut dès lors le seul modérateur envisageable pour le programme nucléaire allemand, et sa disponibilité demeura toujours très marginale (cf. La bataille de l’eau lourde).

Walther Bothe (1891-1957)
Walther Bothe (1891-1957)

Bothe était un expérimentateur hors pair, et le fait qu’il n’avait aucune attirance pour le nazisme (il perdit son poste à Heidelberg dès 1934) a laissé penser qu’il avait peut-être volontairement surestimé l’absorption des neutrons par le graphite. En fait, la contamination en bore et en cadmium des échantillons de graphite avait été notée par Wilhelm Hanle dans un rapport du 18 avril 1941, mais la purification du graphite sembla techniquement plus difficile (et bien plus coûteuse) que d’augmenter la production d’eau lourde. De plus, Heisenberg avait calculé qu’il faudrait nettement plus d’uranium avec le graphite qu’avec l’eau lourde. Enfin le graphite serait rendu radioactif par irradiation dans le réacteur alors que l’eau lourde ne présentait pas cet inconvénient. L’article de Bothe et Jensen parut d’ailleurs sans difficulté en 1944 dans le Zeitschrift für Physik, comme l’avait été en 1942 dans Naturwissenschaften la découverte l’année précédente de l’élément 93 en 1941 au KWIC par Kurt Starke.

Depuis 1938, Bothe s’efforçait de construire un cyclotron à Heidelberg avec Wolfgang Gentner (qui passa quelques mois avec Lawrence et Segrè à Berkeley). Gentner partit à Paris examiner celui de Joliot et parvint à le faire fonctionner au début de 1942, avec des deutérons de 7 MeV, et à irradier de l’uranium et du thorium. Ceux-ci furent envoyés à Otto Hahn pour étude. En mars 1943, Bothe reçut enfin l’aimant du cyclotron et rappela Gentner de Paris. Il put finalement inaugurer son propre cyclotron le 2 juin 1944.

Une visite à Copenhague

Heisenberg et Bohr © AIP-Segrè Archives
Heisenberg et Bohr © AIP-Segrè Archives

Entre temps, Heisenberg et Weizsäcker avaient rendu visite à Bohr, à Copenhague, du 15 au 21 septembre 1941. Cette visite a fait couler beaucoup d’encre, et elle forme même le sujet de la pièce de théâtre Copenhague de Michael Frayn. Heisenberg donna de nombreuses conférences dans les pays occupés par l’Allemagne (Pologne, Hongrie, Pays-Bas, Slovaquie…) et il vint plusieurs fois à Copenhague pendant la guerre. Weizsäcker était déjà venu en mars 1941, et il fut question à plusieurs reprises (en 1941 puis à nouveau en 1943 après le départ de Bohr) qu’il prenne la direction de l’Institut de Niels Bohr pour le « protéger ». Bohr a déclaré après la guerre qu’Heisenberg lui avait clairement laissé entendre qu’il dirigeait le programme allemand d’armes nucléaires et, sans aborder les aspects techniques, lui avait dit sa certitude qu’une bombe était possible et serait réalisée si la guerre durait assez longtemps. Bohr en avait conclu que cette visite avait pour but de l’enrôler dans ce programme tandis Heisenberg maintint qu’il avait seulement voulu convaincre — très maladroitement — Bohr que l’Allemagne ne préparait pas d’arme nucléaire, et qu’il passait par lui pour dissuader les Alliés d’en construire une. Il est possible qu’il ait voulu esquisser avec Bohr une future Europe scientifique, à un moment où beaucoup pensaient que la chute de l’URSS n’était qu’une question de mois, voire de semaines, et préparer le terrain d’un nucléaire civil (le « moteur » paraissait plus accessible à Heisenberg que la bombe). Heisenberg fut certainement malhabile de vanter les succès militaires allemands et de soutenir que l’occupation allemande était bénéfique aux pays occupés car ils n’étaient pas capables de se gouverner eux-mêmes (le physicien Christian Møller lui aurait répondu que c’était les Allemands qui semblaient incapables de se gouverner eux-mêmes).

Les territoires contrôlés en Europe par l’Allemagne (en bleu) et par les Alliés (en rouge) en septembre 1941
Les territoires contrôlés en Europe par l’Allemagne (en bleu) et par les Alliés (en rouge) en septembre 1941

Il est possible qu’Heisenberg et Weizsäcker aient tenté de sonder Heisenberg sur les progrès alliés dans le domaine nucléaire (se doutant que Bohr avait conservé des contacts avec les Britanniques par l’intermédiaire de la Suède). Un quotidien suédois avait annoncé en juillet 1941 que les États-Unis menaient des expériences sur une bombe à l’uranium (en exagérant les effets puisqu’il disait qu’une bombe de 5 kg creuserait un cratère de 40 km de rayon et un km de profondeur, et détruirait tout bâtiment dans un rayon de 150 km). C’est à la lecture de cet article que Weizsäcker avait demandé à son père Ernst, secrétaire d’État aux Affaires Étrangères, d’organiser cette visite à Copenhague.

Johannes Hans Jensen (futur prix Nobel pour le modèle en couches des noyaux) vint également à Copenhague pendant l’été 1942, puis au printemps 1943, entretenir Bohr des progrès allemands de réacteur. Il lui montra un plan du réacteur à eau lourde et uranium métallique de Heisenberg, que Bohr prit apparemment pour une esquisse de bombe (ou de réacteur-bombe à la Heisenberg). Bohr transmit à Chadwick ces informations puis, une fois réfugié à Londres, il en discuta le 8 octobre avec Lord Cherwell et d’autres hauts responsables scientifiques. Il le dessina de mémoire en décembre 1943 à son arrivée à Los Alamos, et les physiciens identifièrent clairement un schéma de réacteur.

Houtermans et Ardenne

Manfred von Ardenne (1907-1997) tenant un de ses premiers tubes de télévision © Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Manfred von Ardenne (1907-1997) tenant un de ses premiers tubes de télévision © Von Ardenne Anlagentechnik GmbH

Un autre programme nucléaire (encore un) avait été lancé en parallèle par Manfred von Ardenne qui possédait un laboratoire privé surtout consacré à l’électronique. Ardenne fut un pionnier de la télévision (1931), du microscope électronique (1937), du radar (1942). Il entama en 1943 la construction d’un cyclotron doté d’un aimant de 60 tonnes et s’intéressa à la séparation isotopique électromagnétique (reprenant les idées de Heinz Ewald qui avait plus ou moins réinventé le «calutron» de Lawrence !). Son laboratoire était financé par ses nombreux brevets, ainsi que par le Ministère des Postes.

Georg Friedrich Houtermans (1903-1966) après la guerre à l'Université de Berne.
Georg Friedrich Houtermans (1903-1966) après la guerre à l’Université de Berne.

En août 1940, il recruta le remarquable physicien Fritz Houtermans qui avait travaillé à Göttingen avec Franck, Gamow et bien d’autres, puis avait émigré en 1933 en Grande-Bretagne lors de l’arrivée d’Hitler au pouvoir, et ensuite en 1935 à Kharkov en URSS par conviction politique. Il y fut victime en 1937 des purges staliniennes (accusé d’être un espion «hitléro-trotskyste») avant d’être livré en mai 1940, après le pacte germano-soviétique, par le NKVD à la Gestapo (qui l’accusa d’être un espion «judéo-bolchevique»). Max von Laue parvint à le tirer de là et à lui trouver un poste chez Ardenne qui s’intéressait, aussi, à la physique nucléaire depuis décembre 1939.

Weizsäcker rendit visite au laboratoire de von Ardenne (le 10 octobre 1940 puis à nouveau début 1942) de même que Heisenberg (le 28 novembre 1941) et Hahn (le 10 décembre 1941). Manfred von Ardenne dit que Heisenberg avait évoqué à cette occasion « quelques kilos » d’uranium 235 pour une bombe, mais il est difficile de savoir s’il s’agissait de la masse totale d’uranium 235 ou de la seule quantité qui aurait le temps de fissionner, ou de la fourchette basse d’une estimation de Heisenberg (« entre 50 kg et 5 tonnes »).

La personnalité de Houtermans est aussi complexe que sa trajectoire politique et scientifique. En mars 1941, il confia au physicien Fritz Reiche (1883-1969), qui émigrait aux États-Unis, le message suivant:

Un grand nombre de physiciens allemands travaille intensément sur une bombe à l’uranium sous la direction de Heisenberg [qui] s’efforce de ralentir les travaux autant que possible, craignant les résultats catastrophiques d’une réussite. […] Si le problème peut être résolu, il le sera sans doute dans un proche avenir. […] Dépêchez-vous si les USA ne veulent pas arriver en retard.

Reiche transmit le message à Rudolf Ladenburg (un physicien allemand qui avait travaillé avec lui à Berlin dans les années 1920 avant d’émigrer en 1932, devenu professeur à Princeton et qui l’avait aidé à obtenir une bourse et un visa américains) qui le transmit le 14 avril à Lyman Briggs. Reiche vécut quelque temps à Princeton chez Einstein (il transmit probablement le message à Wigner et aux autres physiciens de Princeton) puis travailla sur l’aérodynamique supersonique pour le NACA.

Houtermans semble avoir évolué après l’attaque allemande contre l’URSS, rédigeant au cours de l’été 1941 un rapport prônant l’usage militaire du plutonium, avant de retourner à Kharkov et Kiev en octobre-novembre enquêter sur les travaux soviétiques en physique nucléaire. Il parvint cependant à envoyer en 1942 de Suisse, par l’intermédiaire de Friedrich Dessauer et Paul Scherrer, un autre télégramme à Wigner et Szilárd (alors à Chicago) pour les avertir des travaux allemands sur la fission: «Dépêchez-vous, nous sommes sur la bonne voie».

Au cours de l’été 1941, Houtermans rédigea un rapport détaillé (G-94) «Zur Frage der Auslösung von Kern- Kettenreaktionen» (Sur la question du déclenchement des réactions en chaîne). Il faisait le point sur la possibilité de réactions en chaîne dans l’uranium et le thorium par neutrons lents et par neutrons rapides. Il décrivait un réacteur utilisant du méthane liquide comme modérateur et produisant non de l’énergie mais des isotopes radioactifs, essentiellement des transuraniens. Il suggérait que la capture d’un neutron par l’uranium 238, suivie de transmutations bêta, donnerait l’éka-rhénium (élément 93-239, le neptunium) puis l’éka-osmium (élément 94-239, le plutonium) et il indiquait surtout que ce dernier serait fissile et pourrait avantageusement remplacer l’uranium 235 comme explosif (Explosivstoff).

Il donnait également une fourchette de 10 à 100 kg tant pour la masse critique de l’uranium 235 que pour celle du plutonium 239. Ce rapport n’eut cependant guère d’impact, bien qu’il ait circulé en 1941 parmi les personnes intéressées par le plutonium comme Weizsäcker et sans doute Harteck, et que Heisenberg ait déclaré avoir souvent discuté de questions nucléaires avec Houtermans. Le rapport fut même réimprimé en 1943, ainsi qu’en 1944 avec quelques retouches, et diffusé à la demande de Walther Gerlach.

Le rapport de Houtermans d’août 1941
Le rapport de Houtermans d’août 1941

Houtermans publia par ailleurs en novembre 1941 dans les Annalen der Physik un article sur la séparation isotopique. En février 1942, un autre rapport secret porta sur la séparation isotopique de l’uranium par ultracentrifugation: «Sur la relation entre le facteur de séparation, les pressions et des transports dans l’ultracentrifugeuse ». Il travailla ensuite sur les sources de neutrons avant de rejoindre en 1944 l’Institut de métrologie (Physikalisch-Technische Reichsanstalt) à Ronneburg, puis en 1945 l’université de Göttingen. En 1952, il devint professeur à Berne où il fit beaucoup progresser la géophysique et les techniques de datation par radioéléments.

Les travaux continuèrent au laboratoire d’Ardenne, en particulier la construction d’un séparateur isotopique électromagnétique en 1944. Ardenne, quant à lui, fut « invité » à la fin de la guerre par les Soviétiques, avec d’autres physiciens tels que Nikolaus Riehl, Heinz Barwich ou le prix Nobel Gustav Hertz, à contribuer à leur programme nucléaire, travaillant essentiellement sur la séparation isotopique (tous reçurent un prix Staline pour leurs contributions).

La réunion décisive: février 1942

Erich Schumann (1898-1985)
Erich Schumann (1898-1985)

À la fin de l’année 1941, la situation militaire de l’Allemagne commença à se détériorer. La plupart des Allemands, à commencer par les responsables politiques et militaires, ne doutaient pas de la victoire, mais la perspective parut reculer des quelques mois envisagés jusque là à un ou deux ans (d’autant que l’Allemagne venait de déclarer la guerre aux États-Unis). L’Allemagne dut rationaliser sa production de guerre dans cette perspective. Le 8 février 1942, Albert Speer devint Ministre des armements (à la suite du décès accidentel de Fritz Todt ce jour là) et il réorganisa en profondeur toute l’industrie allemande. Auparavant, le 5 décembre 1941, Erich Schumann (le chef du Heereswaffenamt) demanda à tous les savants engagés dans les recherches nucléaires de faire le point sur l’état d’avancement de leurs travaux et des perspectives ouvertes. Lors d’une réunion le 16 décembre, ceux-ci décidèrent de rédiger un rapport exhaustif qui fut terminé en février. Les 144 pages synthétisaient les recherches menées depuis 1939, décrivant un réacteur à l’uranium naturel modéré par l’eau lourde (jugé auto-stable, l’augmentation de réactivité entraînant une augmentation de température réduisant le nombre de fissions et augmentant le nombre de captures) et suggérant qu’augmenter la proportion d’uranium 235 pouvait en réduire la stabilité. Le rapport préconisait plutôt d’utiliser l’élément 94 pour une bombe : ses propriétés n’étaient pas connues, mais étant chimiquement différent de l’uranium devait être plus facile à isoler et, théoriquement, il devait fissionner plus facilement que le 235 et donc diminuer la masse nécessaire « peut-être entre 10 et 100 kg » (sans calcul justificatif).

Du 26 au 28 février 1942, se déroula au siège de la Kaiser Wilhelm Gesellschaft à Berlin une réunion cruciale de tous les responsables scientifiques, politiques et militaires du programme nucléaire, avec les exposés suivants:

Kernphysik als Waffe (La physique nucléaire comme arme) Prof. Dr. Schumann
Die Spaltung des Urankernes (La fission du noyau d’uranium) Prof. Dr. O. Hahn
Die theoretischen Grundlagen für die Energiegewinnung aus der Uranspaltung (Les fondements
théoriques de l’énergie de la fission de l’uranium)
Prof. Dr. W. Heisenberg
Ergebnisse der bisher untersuchten Anordnungen zur Energiegewinnung (Résultats des
arrangements précédents pour la production d’énergie)
Prof. Dr. W. Bothe
Die Notwendigkeit der allgemeinen Grundlagenforschung (La nécessité d’une éducation de base) Prof. Dr. H. Geiger
Anreicherung der Uranisotope (Enrichissement des isotopes de l’uranium) Prof. Dr. K. Clusius
Die Gewinnung von Schwerem Wasser (La production d’eau lourde) Prof. Dr. P. Harteck
Über die Erweiterung der Arbeitsgemeinschaft « Kernphysik » durch Beteiligung anderer
Reichsressorts und der Industrie (Sur l’élargissement de l’Association « Physique nucléaire » avec la
participation d’autres ministères du Reich et l’industrie)
Prof. Dr. Esau

Après plusieurs exposés faisant le point des recherches en cours et des développements envisagés, il apparut clairement que la mise au point d’une arme nucléaire, que ce soit par la voie de l’uranium et de la séparation isotopique ou celle du plutonium et d’un réacteur, exigerait des ressources industrielles énormes pour isoler les quelques centaines de kilos alors jugées nécessaires au minimum, et que même si cet effort était accompli, le programme n’aboutirait pas avant 1945 ou 1946, au plus tôt. Les conclusions étaient les suivantes :

  1. Réacteur à uranium naturel modéré par l’eau lourde
    • nécessitant ~ 5 tonnes d’eau lourde
    • délai envisagé 3 à 4 ans pour un moteur (Uranmaschine)
    • et un an de plus pour la production de 94-239 (= plutonium)
  2. Bombe à uranium 235
    • → progrès importants à faire dans la séparation
    • → délai envisagé 3 à 4 ans
    • quantité nécessaire estimée «entre 10 et 100 kg» par bombe
  3. Bombe au plutonium 239
    • → nécessite un réacteur fonctionnel
    • → délai envisagé 4 à 5 ans.
    • quantité nécessaire estimée «entre 10 et 100 kg» par bombe
  4. Effort industriel considérable à prévoir

L’Armée jugea que, dans ces conditions, ses ressources seraient mieux employées à d’autres projets, en particulier les fusées où von Braun progressait rapidement, et elle décida l’arrêt du programme nucléaire militaire. Elle restitua le KWIP à sa tutelle civile, le Reichsforschungsrat (Conseil de la Recherche), pour qu’il poursuive des recherches à l’échelle du laboratoire. Au cours de la réunion, Heisenberg avait présenté un programme de recherche sur l’Uranmaschine (un moteur pour navire, voire pour avion, leur donnant une autonomie quasi illimitée) et il obtint un appui important de la part du Conseil de la Recherche qui dépendait du Ministère de l’Éducation. Selon l’expression même de Wirtz (40 ans plus tard)

Il est important de noter que dès le début les savants allemands n’eurent aucun doute qu’une bombe atomique pourrait être le résultat final d’un tel développement.

Si la réalisation d’une telle bombe ne paraissait pas réalisable dans l’immédiat, elle demeurait sans aucun doute un objectif pour l’après-guerre. La réalisation d’un moteur nucléaire parut plus à portée, et les savants y virent l’occasion de financer leurs laboratoires (et de conserver leurs chercheurs)

Rapport secret (Geheime Forschungberichte) d’octobre 1942 sur les applications de l’énergie nucléaire (Nutzbarmachung von Atomkernenergien)
Rapport secret (Geheime Forschungberichte) d’octobre 1942 sur les applications de l’énergie nucléaire (Nutzbarmachung von Atomkernenergien)

Un point des recherches fut de nouveau effectué le 4 juin 1942 devant Albert Speer, Ministre de l’Armement, et les responsables techniques des 3 armes, et la plupart des physiciens impliqués (Heisenberg, Hahn, Harteck, Jensen, Bothe, Clusius, Ardenne…). Ils abordèrent la question d’une bombe, Heisenberg passant en revue uranium 235, plutonium et même protactinium (les travaux de Bothe semblant indiquer qu’il serait également fissile). L’échéance paraissait éloignée, mais un consensus se fit autour de l’idée que la possession d’une telle bombe donnerait après la guerre un avantage au pays qui en disposerait. Le programme de réacteur fut financé dans cette perspective : mettre au point un moteur et/ou un générateur d’énergie capable aussi de produire du plutonium pour une bombe. Harteck insista, sans beaucoup de succès, pour poursuivre le programme d’enrichissement de l’uranium, arguant qu’il y aurait besoin de moins d’uranium (donc un réacteur plus compact) et que l’eau légère suffirait comme modérateur, éliminant tous les soucis avec l’approvisionnement en eau lourde.

Le 8 décembre 1942, Göring (nouveau directeur du Conseil de la Recherche, entre autres multiples responsabilités) nomma Abraham Esau (1884-1955 plénipotentiaire pour toutes les questions de physique nucléaire (Bevollmächtigter des Reichsmarschalls für alle Fragen der Kernphysik). Esau était alors un des principaux patrons de la recherche en Allemagne, directeur de la physique au Conseil de la recherche, et directeur du Physikalisch-Technische Reichsanstalt.

Un autre point des travaux eu lieu le 6 mai 1943 devant Göring. Hahn y parla de transmutation artificielle des éléments, Clusius de séparation isotopique et Bothe de physique nucléaire expérimentale. Le programme de réacteur fut au centre des discussions. Heisenberg présenta l’état d’avancement du programme nucléaire, mentionnant des applications militaires à échéance très lointaine, et il décrivit son projet de réacteur utilisant 3 tonnes de plaques d’uranium métallique immergé dans un cylindre de 1500 litres d’eau lourde. Ce réacteur (le B-VI ?) fut réalisé à la fin de l’année, mais ne divergea pas.

Walther Gerlach
Walther Gerlach (1889-1979)

Les travaux ne conduiront pas à court terme à la production de moteurs ou d’explosifs utilisables en pratique, mais cela nous donne également la certitude que les puissances ennemies ne peuvent pas avoir de surprise en réserve dans ce domaine. (Esau, juillet 1943)

Malgré les progrès expérimentaux entrepris sous sa direction, Esau fut envoyé diriger les recherches sur les radars et les hautes fréquences (Forschungsbevollmächtigter für Hochfrequenz) et il fut remplacé le 1° janvier 1944 par Walther Gerlach qui, n’ayant pas d’expérience dans le domaine de la physique nucléaire et de la fission, prit Diebner comme assistant.

Le programme de Diebner

Après avoir restitué le contrôle du KWIP au Reichsforschungsrat, l’Armée avait conservé malgré tout un centre de recherches, dirigé par Diebner et situé à Gottow à une cinquantaine de km de Berlin. Diebner poursuivait alors un programme rival de celui de Heisenberg. Les travaux de Diebner suivirent à peu près les mêmes étapes que ceux de Heisenberg. Son premier réacteur, G-I, utilisa à l’automne 1942 des cubes d’oxyde d’uranium insérés dans de la paraffine.

Ne disposant pas d’uranium métallique, ni en plaques ni en poudre, Diebner utilisa l’oxyde d’uranium inutilisé. Il envisagea d’abord des couches alternées de paraffine et d’oxyde d’uranium, mais opta finalement pour des cubes. La taille du cube fut choisie plus petite que le libre parcours moyen d’un neutron pour qu’il ait une bonne chance d’arriver dans la paraffine avant de rencontrer un autre noyau d’uranium. Le réacteur G-II utilisa de l’eau lourde (gelée) à la place de la paraffine.

Le réacteur GII de Diebner
Le réacteur GII de Diebner

La répartition en cubes était supérieure à celle en couches prônée par Heisenberg comme l’avait calculé le théoricien Karl-Heinz Höcker. Celui-ci, élève de Weizsäcker et son collaborateur au KWIP puis à Strasbourg, collabora avec l’équipe de Diebner en 1943. Les cubes étaient plus favorables à une réaction en chaîne que les couches alternées ou concentriques de Heisenberg car le risque de capture résonante des neutrons était bien plus faible. Fermi et Szilárd avaient utilisé cette configuration dès 1939! De plus, les cubes étaient bien plus faciles à réaliser que les grandes plaques exigées par Heisenberg. Pour des réacteurs de grande puissance, les barres sont cependant préférables aux cubes malgré leur efficacité moindre, car elles évacuent mieux la chaleur (par conduction) et sont bien plus faciles à mettre en place ou à retirer (pour en extraire le plutonium par exemple).

En mars 1943, l’Armée (le HWA) se retira du programme de Diebner, qui passa alors sous l’administration du Physikalisch-Technische Reichsanstalt.

À l’automne 1943, le G-III, utilisa 500 kilos d’uranium métallique placé dans une sphère de 600 litres d’eau lourde comme modérateur, le tout entouré d’eau. 240 cubes d’uranium étaient suspendus par des fils d’un alliage aluminium-magnésium dans l’eau lourde. Les résultats furent très encourageants car le flux de neutrons était très supérieur à ce qui avait été obtenu jusque là en Allemagne.

Le prototype G-III de Diebner à Gottow ©Deutsche Museum
Le prototype G-III de Diebner à Gottow ©Deutsche Museum

À partir de l’automne 1943, les installations de recherche nucléaires furent peu à peu déplacées pour échapper aux bombardements aériens, en général dans le sud de l’Allemagne plus éloigné des bases de Grande-Bretagne. Harteck déplaça en partie son laboratoire de Hambourg à Freiburg (sur l’Elbe ? plus probablement dans le pays de Bade) puis Kandern (dans le pays de Bade, près de la frontière avec la Suisse et la France), le KWIC de Hahn s’installa à Tailfingen près de Stuttgart, une grande partie du KWIP de Heisenberg à proximité, à Hechingen (Heisenberg lui-même s’y installa en avril 1944), Bothe resta à Heidelberg, moins exposé.

Allemagne_1944En juillet 1944, un bombardement détruisit à Kiel une partie des usines Anschütz, précisément celle qui réalisait les centrifugeuses de Harteck pour la séparation isotopique de l’uranium, et Beyerle rejoignit alors le groupe de Harteck. Une autre partie du laboratoire de Harteck avait quitté Hambourg pour Celle (à 100 km au sud de Hambourg) et Wilhelm Groth parvint à y faire fonctionner ses centrifugeuses au début de 1945, atteignant rapidement une production de 50 grammes par jour d’uranium enrichi de 15% (i.e. à 0.8% = 0.7%x1.15). Harteck ne s’occupa pas seulement de la production d’eau lourde et de centrifugeuses, il s’intéressa également aux aspects économiques des réacteurs nucléaires : en mars 1944 il passa commande de 400 cubes d’uranium de 5 cm de côté (près d’une tonne) à la société Auer pour mener avec Höcker et Jensen des essais utilisant l’eau légère comme modérateur. Une réaction en chaine entretenue n’était pas possible, mais cela aurait permis à Harteck d’évaluer les dimensions et le coût d’un réacteur opérationnel. Il proposa également à Diebner un réacteur modéré par un hydrocarbure (du pentane C5H10) mais l’idée ne dépassa pas le stade du projet.

Un cube d’uranium de Diebner
Un cube d’uranium de Diebner

Les recherches de Diebner furent déplacées à Stadtlim, au sud d’Erfurt en Thuringe. Le prototype G-IV fonctionna apparemment en régime quasi-critique pendant quelques heures en novembre 1944 avant de s’arrêter, sans doute à cause d’un empoisonnement au xénon (le xénon 135, un des produits de fission de l’uranium, capture très efficacement les neutrons et « éteint » le réacteur). L’objectif de Diebner était — probablement — de produire assez de plutonium pour construire une bombe.

Sites nucléaires allemands vers 1944 (cercles blancs) et déplacement des recherches
Sites nucléaires allemands vers 1944 (cercles blancs) et déplacement des recherches

Le programme de Heisenberg 1943-1944

Lorsque l’Armée avait rendu le 1° juillet 1942 le contrôle du KWIP aux civils, un nouveau directeur temporaire (Debye étant toujours officiellement directeur en titre) dût être nommé. Le choix se porta sur Heisenberg, bien que plusieurs physiciens eussent préféré Bothe.

Heisenberg avait présenté dans un rapport du 31 juillet 1942 le projet d’une expérience à grande échelle. Ce fut désormais son objectif à la tête du KWIP (sans trop s’impliquer personnellement d’ailleurs). Le projet était de rassembler 3 tonnes de plaques d’uranium et de les superposer, immergées dans 1 500 litres d’eau lourde, le tout entouré d’eau à la fois comme réflecteur de neutrons, blindage contre les rayonnements et instrument de mesure du flux de neutrons. La société Auer à Francfort parvint à mouler des feuilles d’uranium mais ne disposa pas avant mars 1943 des outils pour en faire des plaques d’épaisseur constante. Bothe mena dans le cours de 1943 des expériences pour déterminer l’épaisseur optimale des plaques et leur espacement, quand il ne s’occupait pas de son cyclotron.

Mais l’eau lourde manquait toujours (le catalyseur de Harteck n’était pas encore installé à la centrale de Vemork, et un sabotage le 28 février 1943 détruisit l’usine et le stock de 500 litres d’eau lourde). Les attaques contre l’usine de Vemork n’affectaient pas que la production d’eau lourde mais aussi la production d’azote (entrant dans la fabrication d’engrais, mais surtout d’explosifs) qui était la raison d’être de l’usine et qui était l’essentiel pour IG Farben, actionnaire majeur de Norsk Hydro. Les efforts pour installer en Allemagne une usine de production d’eau lourde traînaient en longueur, faute de soutien politique, et en raison de querelles de brevets avec IG Farben (qui exigea un pourcentage sur tous les brevets nucléaires).

Le réacteur B-VI de Heisenberg
Le réacteur B-VI de Heisenberg

Les prototypes de réacteur se succédèrent à Berlin Dahlem sous la direction de Karl Wirtz. Le KWIP construisit un laboratoire souterrain blindé par 2 m de béton renforcé d’acier, à l’épreuve des bombes (et permettant aussi de réduire la radioactivité éventuelle). En janvier 1944, les plaques d’uranium furent enfin disponibles pour le B-VI. Et elles étaient enfin immergées dans l’eau lourde. Les essais durèrent jusqu’en août, et le flux de neutrons fut effectivement augmenté, mais moins que dans les expériences de Diebner. Si Heisenberg n’avait pas montré une étonnante arrogance à rejeter les cubes de Diebner, Wirtz serait peut- être arrivé à aboutir à une réaction en chaîne (deux ans après Fermi). Pendant l’été 1944, Wirtz passa d’ailleurs une commande de 700 cylindres d’uranium de 7 cm de long et 7 cm de diamètre à la société Auer. Mais les bombardements d’août et septembre 1944 sur Francfort ralentirent la fabrication des cylindres, et le B-VII qui succéda au B-VI en novembre 1944 utilisait encore des plaques d’uranium, avec une épaisseur optimisée. L’ensemble était entouré de blocs de graphite servant de réflecteurs de neutrons, ce qui était plus efficace que l’eau, comme Bothe l’avait prôné depuis longtemps. Mais le progrès semble avoir été minime.

Dernières tentatives

Schéma du réacteur prototype B-VIII à Haigerloch
Schéma du réacteur prototype B-VIII à Haigerloch

En janvier 1945, Gerlach aboutit à la même conclusion que Esau un an plus tôt: les cubes étaient une bien meilleure disposition de l’uranium que les plaques. L’usine Auer n’était plus capable de fournir de l’uranium et Gerlach exigea que les équipes de Heisenberg rejoignent celle de Diebner à Haigerloch, près de Tübingen. En février 1945, le réacteur B-VIII réalisé par l’équipe de Wirtz (d’où son nom) réutilisait la cuve d’eau lourde des réacteurs B-VI et B-VII antérieurs, mais il employait l’arrangement préconisé par Diebner, avec 1.5 tonne d’uranium sous la forme de 664 cubes de 5 cm de côté (ceux de Diebner d’ailleurs), suspendus à des chaînes, espacés de 14 cm, et plongés dans 1.5 tonne d’eau lourde. L’ensemble se trouvait au fond d’un tunnel ferroviaire (inachevé), l’Atomkeller.

Copie moderne du réacteur d'Haigerloch
Copie moderne du réacteur d’Haigerloch

Il s’approcha très près d’une réaction auto-entretenue. Le 1° mars, Heisenberg envoya un télégramme à Berlin annonçant une multiplication du flux de neutrons d’un facteur 10. Le flux de neutrons était si élevé qu’il aurait probablement gravement atteint les personnes autour, malgré un blindage de 10 tonnes de graphite (servant aussi de réflecteur de neutrons) entourées d’eau. Il aurait fallu l’agrandir de 50% environ (tant en uranium qu’en eau lourde) pour obtenir une réaction en chaîne entretenue, mais les conditions de l’Allemagne ne le permettait plus.

La mission Alsos, dirigée par le colonel Boris T. Pash et le physicien Samuel Goudsmit, arriva le 23 avril 1945 à Haigerloch et détruisit le réacteur, puis se dirigea vers Hechingen où elle captura Bagge, Weizsäcker, Laue et Wirtz, puis vers Tailfingen où elle arrêta Hahn, avant de retrouver Heisenberg, qui avait quitté Haigerloch le 19, dans sa maison d’Urfeld le 3 mai. Diebner, Gerlach, Harteck et Korsching s’ajoutèrent à eux, et ils furent tous retenus à Farm Hall en Grande Bretagne (Operation Epsilon) jusqu’au 3 janvier 1946. Bothe n’en fit pas partie.

Bilan

On peut bien sûr se demander pourquoi le programme nucléaire allemand qui était aussi avancé que le programme américain, sinon plus, en janvier 1942 a eu finalement si peu de résultats. Les physiciens allemands étaient très brillants, ils ont parfaitement identifié les objectifs et les problèmes à résoudre pour y parvenir, leurs estimations des quantités d’uranium nécessaires à un réacteur étaient correctes, ainsi que leur évaluation du temps nécessaire pour les obtenir. Jusqu’en 1942, il y eut à peu près autant de physiciens allemands que de physiciens anglais et américains travaillant sur la fission, de l’ordre de la centaine (avec les ingénieurs et les techniciens), dispersés parmi une vingtaine de laboratoires et d’instituts. Il faut aussi noter qu’un nombre important des plus brillants physiciens nucléaires avaient quitté l’Allemagne et l’Italie dans les années précédant la guerre, de Franck à Bethe, de Teller à Wigner et Fermi.

Selon l’estimation de Mark Walker (German National Socialism and the quest for nuclear power, Cambridge University Press 1989), il y eut à peine une dizaine de groupes, tous très réduits, à mener des recherches nucléaires en Allemagne (sa liste fait d’ailleurs l’impasse sur les travaux de Houtermans et Ardenne) :

  • Walther Bothe (Heidelberg) : mesure des constantes nucléaires (~ 6 physiciens)
  • Klaus Clusius (Munich) : séparation isotopique et production d’eau lourde (~ 4 physiciens et chimistes)
  • Kurt Diebner (Gottow) : prototypes de réacteurs (~ 6 physiciens)
  • Otto Hahn (KWIC Berlin) : transuraniens et produits de fission (~ 6 physiciens et chimistes)
  • Paul Harteck (Hambourg) : séparation isotopique et production d’eau lourde (~ 5 physiciens et chimistes)
  • Werner Heisenberg (Leipzig et KWIP Berlin) : prototypes de réacteurs (~ 7 physiciens et chimistes)
  • Hans Kopfermann (Kiel, puis Göttingen) : séparation isotopique (~ 2 physiciens)
  • Nikolaus Riehl (société Auer, Oranienburg) : production d’uranium (~ 3 physiciens)
  • Georg Stetter (Vienne) : transuraniens et constantes nucléaires (~ 6 physiciens et chimistes)

En Grande-Bretagne comme aux États-Unis, les recherches furent à peu près coordonnées entre les diverses équipes et les échanges constants, bien avant qu’elles soient presque toutes rassemblées à Los Alamos. Ce ne fut jamais le cas en Allemagne. Les cloisons étanches entre théoriciens et expérimentateurs — et entre professeurs et ingénieurs — rendirent extrêmement difficile la circulation des idées et le dialogue entre la vingtaine d’équipes de quelques personnes chacune qui travaillèrent pratiquement sans aucune coordination. L’estimation initiale de Heisenberg— jamais corrigée — qu’il fallait plusieurs tonnes d’uranium 235 pour construire une bombe ne laissait ouverte que la voie du plutonium, nécessitant donc de réaliser d’abord un réacteur fonctionnel. Cette réalisation a été retardée par le choix d’une filière eau lourde et uranium naturel, par celui d’une géométrie inefficace du réacteur, et par la dispersion des efforts — et des maigres ressources comme l’eau lourde et l’oxyde d’uranium — entre plusieurs équipes rivales. Heisenberg méprisa aussi bien les recherches menées par le groupe d’Ardenne que celles de Diebner ou de Harteck, qui eurent tous de grandes difficultés à obtenir même de petites quantités d’uranium et d’eau lourde.

De plus, les Allemands ne se sont jamais lancés dans une étude systématique de l’uranium 235 alors qu’ils auraient pu en isoler au moins quelques microgrammes par spectrométrie de masse comme le firent les Américains dès 1940. Ils n’ont jamais étudié non plus les propriétés du plutonium 239, alors qu’ils auraient pu en fabriquer une petite quantité avec les cyclotrons auxquels ils avaient accès depuis 1940 à Paris (certes encore en construction) et à Copenhague (en fonctionnement), comme le firent les Américains à Berkeley en 1941.

Enfin, un grand nombre de ces physiciens continuait à mener en parallèle de nombreuses activités qui les intéressaient plus. Les aspects techniques (et plus encore militaires) les intéressaient peu. Hahn fut très heureux d’apprendre en 1939-1940 qu’une arme ne pourrait être réalisé que des années après la mise en route d’un réacteur, qui lui-même demanderait des années avant de fonctionner. En apprenant le bombardement d’Hiroshima, il fut désespéré et à deux doigts du suicide. Bothe lui non plus n’avait aucun désir de réaliser une arme, et ses relations avec les nazis étaient glaciales. Harteck souhaitait avant tout réaliser un moteur.

Pour leur part, Heisenberg et Weizsäcker semblent avoir été satisfaits d’avoir (à leurs yeux en tout cas) résolu — sur le plan théorique — la question de la réaction en chaîne en 1940-1941 et laissé la résolution des détails techniques à leurs assistants. Heisenberg n’a pas cherché à établir une théorie de la diffusion des neutrons allant plus loin que celle de Fermi de 1936, il s’est longtemps accroché à une géométrie inefficace parce que le calcul était plus facile dans ce cas, et il a laissé à Wirtz à Berlin et aux Döpel à Leipzig le soin de réaliser « ses » réacteurs. En fait, l’essentiel de ses activités entre 1942 et 1945 a concerné l’étude des rayons cosmiques et la physique théorique (la théorie de la «matrice S»), à côté de ses tâches d’enseignement à Berlin.

De son côté, Weizsäcker a consacré plusieurs de ces années à mettre au point une théorie de la formation des systèmes planétaires (Über die Entstehung des Planetensystems Zeitschrift für Astrophysik 22-319,1943) et à ses réflexions sur la philosophie des sciences (Zum Weltbild der Physik Leipzig 1943). Weizsäcker fut nommé professeur à Strasbourg fin 1942, emmenant Höcker avec lui. Beaucoup de physiciens ont prétexté des recherches nucléaires pour leur éviter, à eux et à leur personnel, d’être envoyés sur le front (ce ne fut d’ailleurs pas toujours efficace).

Final

Paul Harteck © Bundesarchiv
Paul Harteck © Bundesarchiv

ment, aucun des responsables du programme nucléaire (à l’exception probable de Paul Harteck qui avait des contacts étroits avec les milieux industriels) ne sembla vraiment avoir conscience de l’ampleur du programme industriel qui serait requis, une fois passé le stade des prototypes, pour construire des usines d’enrichissement isotopique, ou des réacteurs produisant des dizaines de kilos de plutonium par mois, les équivalents de Oak Ridge et de Hanford.

Les physiciens nucléaires allemands demeurèrent néanmoins persuadés, jusqu’après la fin de la guerre, qu’ils étaient très en avance sur les autres pays dans la réalisation d’un réacteur (même après avoir appris l’usage d’une bombe nucléaire à l’uranium sur Hiroshima, Heisenberg pensait encore utiliser cette avance comme monnaie d’échange avec les Américains). En réalité, si en janvier 1942, le programme allemand de réacteur était l’équivalent du programme alors mené par Fermi (quoiqu’avec une géométrie nettement plus défavorable), les Allemands n’approchèrent jamais avant la fin de la guerre de l’étape atteinte par Fermi dès décembre 1942, une réaction en chaîne stable et contrôlée. Et l’espionnage allemand fut beaucoup moins efficace que l’espionnage soviétique, et même japonais, en Grande-Bretagne comme aux États-Unis. Malgré rumeurs et soupçons, les Allemands n’eurent aucune idée de l’ampleur du programme Manhattan.

Les Britanniques obtinrent par contre une idée assez précise des progrès allemands (British intelligence in the Second World War, vol.3 Appendix 29), même si aucun effort spécifique ne fut entrepris avant la fin de 1941 et le lancement de leur propre programme Tube Alloys. Il n’était évidemment pas question de prendre le risque d’envoyer en Allemagne des experts en physique nucléaire, et les Britanniques jugèrent qu’il était trop tôt pour tenter de repérer les éventuelles installations industrielles (réacteurs ou usine de séparation isotopique). Par contre, ils surveillèrent les marques d’intérêt des Allemands pour des matériaux spécifiques comme l’uranium et l’eau lourde, et ils retracèrent les déplacements des physiciens allemands, en particulier Heisenberg, Hahn, Bothe et Clusius. Hahn fit des conférences à Rome en 1941 et à Stockholm en octobre 1943 (où il rencontra Lise Meitner et lui fit part de sa certitude que la fission n’aurait pas d’application avant plusieurs années). Les Britanniques remarquèrent que Hahn avait publié plusieurs articles sur les produits de fission de l’uranium et sur l’élément 93, mais qu’il ne soufflait mot de l’élément 94, et ils conclurent à une censure militaire.

Bothe était venu à Paris examiner le cyclotron de Joliot, car il en construisait un à Heidelberg, mais les agents britanniques conclurent qu’il ne faisait que des recherches académiques. Ils furent bien sûr au courant de la visite de Heisenberg à Bohr en 1941. Ils apprirent aussi que Clusius avait essayé durant l’année 1942 la méthode de séparation isotopique par diffusion thermique sans grand succès. Ils apprirent également que Harteck s’était souvent rendu à l’usine d’eau lourde de Vemork et qu’il s’intéressait à une amélioration du rendement par un procédé catalytique. Paul Rosbaud, l’éditeur de Naturwissenschaften, était en étroit contact avec les principaux physiciens allemands, et il fut un des plus précieux agents britanniques. Les Britanniques obtinrent des copies des publications de l’institut de von Ardenne, en particulier du très important rapport de Houtermans de 1941. Ils furent également au courant des conférences de février et de juillet 1942 via leurs agents (comme Paul Rosbaud ou l’économiste Erwin Respondek). Paul Scherrer (1890-1969), directeur du Département de physique à l’ETH de Zürich, transmit également de nombreuses informations aux Américains (il a peut-être même été un agent de l’OSS dès 1943 sous le nom de «Flute») à la suite des visites que lui rendirent régulièrement plusieurs physiciens allemands, dont Heisenberg.

La production d’uranium des mines de Joachimsthal en Bohême n’avait pas varié depuis le début de la guerre, et ne devait pas dépasser 30 tonnes/an, et si les Allemands avaient pu mettre la main en 1940 sur quelques 600 tonnes d’oxyde d’uranium belge, ils ne semblaient pas en avoir fait grand usage. Les Britanniques ne trouvèrent aucune indication non plus d’une construction d’usines de production d’uranium ni de plutonium, et ils en déduisirent que le gouvernement allemand avait probablement jugé dans le courant de l’année 1942 que les délais de production étaient trop longs par rapport à l’évolution de la situation militaire. Ils pensèrent cependant que la poursuite des recherches après 1943 résultait de la connaissance de la part des Allemands de l’existence du programme Manhattan. Leur conclusion, fin 1943, était que les Allemands ne s’étaient pas lancés eux-mêmes dans un programme de construction d’armes nucléaires, ni même dans celle d’armes radioactives (des «bombes sales»).

L’échec du programme nucléaire allemand tient aussi à la situation respective des belligérants pendant les années 1940-1942. Jusqu’à la fin de 1942, les Allemands étaient certains de gagner la guerre dans un délai de un à deux ans, en utilisant des armes classiques, et le développement d’une industrie nucléaire n’avait donc aucun caractère d’urgence. Quand la situation militaire commença à s’aggraver en 1943, le temps devint très vite compté, l’Allemagne se trouva sous les bombes et tous les moyens disponibles durent être consacrés à freiner l’avance des Soviétiques. Inversement les Américains, et plus encore les Britanniques, vécurent dans un sentiment d’extrême urgence jusqu’à la fin de 1942 et, étant convaincus qu’une bombe nucléaire était réalisable pensaient que les Allemands en étaient également convaincus. Et quand la situation militaire commença à tourner à leur avantage, et qu’ils se rendirent compte qu’il n’existait pas de programme allemand sérieux, le programme Manhattan était bien lancé et l’intérêt de disposer d’une arme nucléaire dans le monde d’après-guerre suffit à poursuivre l’effort entrepris (et même à l’intensifier !). Il est intéressant de remarquer que la décision américaine le 6 décembre 1941 de lancer un effort illimité sur le nucléaire est presque contemporaine de la décision allemande le 26 février 1942 d’arrêter tout effort important.

 


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