nucléaires, armes 1 PRÉSENTATION nucléaires, armes, engins explosifs conçus pour produire instantanément une grande quantité d'énergie nucléaire et utilisés comme armes de guerre. 2 HISTORIQUE 2.1 Bombe atomique (bombe A) La première bombe atomique (bombe A) , un engin au plutonium d'une puissance de 22 kt, a été testée le 16 juillet 1945 aux États-Unis, près d'Alamogordo (Nouveau-Mexique). Alors que les explosifs employés avant cette date tiraient leur puissance de la combustion rapide ou de la décomposition d'un produit chimique, les explosifs nucléaires utilisent comme source d'énergie la transformation de noyaux atomiques La bombe A obtient ainsi sa puissance de la rupture, ou fission, des noyaux des atomes d'uranium (U 235) ou de plutonium (Pu 239). Sa masse est rendue explosive dans le cas du plutonium, par écrasement (implosion) grâce à un explosif classique ou, dans le cas de l'uranium enrichi, par projection dans un tube cylindrique. Une sphère de la taille d'une orange constituée de ces métaux lourds produit une explosion équivalente à la détonation de 20 000 t de trinitrotoluène (TNT). La conception, la fabrication et les tests de la bombe A ont été effectués dans le cadre du projet Manhattan, vaste programme technologique et industriel conduit aux États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale, à partir d'août 1942. Le projet, d'une envergure sans précédent, basé à Los Alamos (Nouveau-Mexique), est mené par le physicien américain J. Robert Oppenheimer, et associe nombre de scientifiques européens et américains, dont les physiciens Enrico Fermi, Richard Feynman, Edward Teller, le mathématicien John von Neumann et le chimiste Harold Urey. Les 6 et 9 août 1945, deux bombes atomiques détruisent les villes japonaises de Hiroshima et Nagasaki, entraînant la capitulation du Japon. 2.2 Bombe à hydrogène (bombe H) Après la Seconde Guerre mondiale, d'autres types de bombes sont mis au point pour exploiter l'énergie d'éléments légers tels que l'hydrogène. Le premier essai de ce type de bombe a lieu en novembre 1952 à Eniwetok (océan Pacifique). Dans ces projectiles, l'énergie provient du processus de fusion au cours duquel les noyaux atomiques des isotopes de l'hydrogène se combinent pour former un noyau d'hélium plus lourd, rendant possible la fabrication de bombes de puissance allant d'une fraction de kilotonne (équivalent à 1 000 tonnes de TNT) à plusieurs mégatonnes (équivalent à 1 million de tonne de TNT). Les dimensions de la bombe, considérablement réduites, permettent dès lors la mise au point d'obus nucléaires pour l'artillerie, ainsi que de petits missiles pouvant être tirés par des lanceurs portables. Si les bombes nucléaires ont été initialement développées comme armes stratégiques destinées à être transportées au moyen de gros bombardiers, elles ont désormais de nombreuses applications stratégiques et tactiques. Elles peuvent être lâchées par différents types d'aéronefs ; des roquettes et des missiles de toutes tailles peuvent emporter des charges nucléaires et être lancés depuis le sol, l'air et sous l'eau. Les fusées à longue portée peuvent être armées de têtes multiples et atteindre des cibles dispersées. 3 ARMES À FISSION NUCLÉAIRE 3.1 Équivalence masse / énergie En 1905, Albert Einstein publie son traité sur la théorie de la relativité. D'après cette dernière, la relation entre la masse et l'énergie est exprimée par la formule E = mc2, qui signifie qu'une masse donnée (m) est associée à une quantité d'énergie (E), égale au produit de la masse par le carré de la vitesse de la lumière (c = 3x108 m/s). Une petite quantité de matière est ainsi équivalente à une énergie considérable. Par exemple, 1 kg de matière serait équivalent à l'énergie libérée par l'explosion de 22 Mt (mégatonnes) de TNT. 3.2 Fission nucléaire 3.2.1 Découverte En 1939, étudiant les expériences des chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann, qui ont séparé en deux fragments des atomes d'uranium en les bombardant avec des neutrons, la physicienne autrichienne Lise Meitner et son neveu, le physicien anglais Otto Robert Frisch, expliquent le phénomène de la fission nucléaire. Simultanément, l'équipe française de Irène et Frédéric Joliot-Curie déposent, au nom du CNRS, trois brevets mondiaux portant sur les applications civiles et militaires de l'énergie nucléaire. 3.2.2 Principe La fission est la division d'un noyau en deux ou plusieurs fragments, avec libération d'énergie. Simultanément, le noyau émet plusieurs neutrons, de même type que ceux ayant provoqué la fission du noyau. Ce phénomène permet de réaliser une réaction en chaîne : les neutrons émis par la fission produisent à leur tour d'autres réactions de fission et provoquent ainsi une libération d'énergie continue. Un noyau d'uranium-235, isotope léger de l'uranium, est aisément fragmenté par un bombardement de neutrons et, au moment de la fission, émet environ 2,5 neutrons. Un neutron par cycle de fission serait nécessaire pour entretenir la réaction en chaîne, mais certains peuvent s'échapper de la masse en réaction, ou être absorbés par des impuretés ou par l'isotope lourd d'uranium-238, s'il est présent. Toute substance capable d'entretenir une réaction de fission en chaîne est dite matière fissile. 3.2.3 Matière fissile 3.2.3.1 Isotopes de l'uranium L'uranium-235, isotope fissile de l'uranium, ne représente que 0,7 p. 100 de l'uranium naturel ; le reste est constitué d'uranium-238, plus lourd. Aucun procédé chimique ne permet de séparer l'uranium-235 de l'uranium naturel, car ces deux isotopes ont des propriétés chimiques identiques. Plusieurs techniques ont cependant été mises au point pour les séparer, toutes fondées sur l'utilisation de l'infime différence de poids entre les deux isotopes. La matière première est un gaz extrêmement corrosif, l'hexafluorure d'uranium. Ce gaz est envoyé sous pression sur des cloisons pourvues de millions de trous minuscules, à travers lesquels les molécules les plus légères, contenant l'uranium-235, se diffusent légèrement plus vite que les molécules plus lourdes contenant l'uranium-238 (voir diffusion). Après avoir traversé des milliers de cloisons, appelées étages, le gaz devient hautement enrichi en isotopes légers. Le produit final est un uranium contenant plus de 90 p. 100 d'uranium-235. 3.2.3.2 Production du plutonium-239 Bien que l'uranium-238 ne puisse pas être le siège d'une réaction en chaîne, il peut être transformé en matériau fissile par un bombardement de neutrons et changé en un nouvel élément : lorsque son noyau atomique reçoit un neutron supplémentaire, il se transforme en l'isotope 239. Ce nouveau noyau se désintègre rapidement pour former le neptunium-239, isotope de l'élément 93. Une autre désintégration transforme cet isotope en un isotope de l'élément 94, appelé plutonium239. Ce dernier, comme l'uranium-235, peut être utilisé dans une bombe à fission. La production de plutonium-239 en grandes quantités requiert une source intense de neutrons, fournie par une réaction en chaîne contrôlée dans un réacteur nucléaire. 3.2.4 Masse critique Une trop petite sphère de matière fissile pure, comme l'uranium-235, de la taille d'une balle de golf par exemple, ne pourrait pas entretenir une réaction en chaîne. Trop de neutrons s'échapperaient de la surface -- relativement grande par rapport au volume -- et seraient ainsi perdus pour la réaction. Dans la masse d'uranium-235 contenue dans une sphère plus grosse (comme une orange par exemple), la quantité de neutrons qui s'échappe sans avoir pu provoquer de fission est compensée par celle produite par les fissions successives. La quantité de matière (pour une forme donnée) nécessaire pour entretenir la réaction en chaîne est appelée masse critique. L'accroissement de la dimension de la sphère conduit à un système dit surcritique, dans lequel le nombre de fissions successives s'accroît très rapidement et conduit à une explosion, résultat de la libération rapide d'une très grande quantité d'énergie. Dans une bombe atomique, une masse de matière fissile supérieure à la masse critique doit être réunie instantanément et maintenue en cohésion pendant environ un millionième de seconde, pour permettre à la réaction en chaîne de se propager avant que la bombe explose. Un matériau lourd appelé modérateur entoure la masse fissile et évite sa rupture prématurée. Il réduit également le nombre de neutrons qui s'échappent. Dans 0,5 kg d'uranium, si tous les atomes étaient fissionnés, l'énergie libérée serait équivalente à celle produite par 9 900 t de TNT. Dans cette hypothèse, le rendement serait de 100 p. 100. 3.3 Mise à feu d'une bombe atomique Il existe différents systèmes de mise à feu. Le plus simple est le type dit revolver : à l'intérieur de la bombe en forme de tube, un projectile de matière fissile est tiré sur une cible fabriquée avec le même matériau, de manière à ce qu'ils se soudent pour constituer un assemblage surcritique. La première bombe atomique, lancée par les États-Unis sur Hiroshima le 6 août 1945, était de ce type et avait une puissance équivalente à environ 20 kt de TNT. Une méthode plus complexe, dite à implosion, est utilisée dans les bombes sphériques. La partie externe de la sphère est constituée d'une couche de pièces de formes spéciales parfaitement ajustées, appelées lentilles. Elle est faite d'un puissant explosif et conçue pour concentrer le souffle vers le centre de la bombe. Chaque partie de l'explosif est équipée d'un détonateur relié à tous les autres. Une impulsion électrique provoque l'explosion simultanée de toutes les parties, produisant une onde de choc qui converge vers le centre de la bombe. Là, une sphère de matière fissile est alors comprimée par ces forces de pression importantes (implosion). La densité du métal s'accroît et un assemblage surcritique est constitué. Le prototype d'Alamogordo, de même que la bombe lancée sur Nagasaki le 9 août 1945, étaient du type à implosion et libéraient une puissance équivalente à 20 kt de TNT. Quelle que soit la méthode utilisée pour réaliser l'assemblage surcritique, la réaction en chaîne dure environ un millionième de seconde et libère une forte chaleur. Le dégagement extrêmement rapide d'une grande énergie dans un volume relativement réduit provoque une élévation de la température de dizaines de milliers de degrés. La dilatation et la vaporisation rapides des matériaux de la bombe engendrent une puissante explosion. 4 ARMES THERMONUCLÉAIRES OU À FUSION 4.1 Principe Avant la mise au point de la première bombe atomique, les scientifiques avaient imaginé exploiter l'énergie produite par la fusion d'éléments légers. Ce processus est l'inverse de la fission, puisqu'il implique de fondre ensemble des atomes légers tels que ceux de l'hydrogène. C'est pour cette raison que les armes fondées sur la fusion nucléaire sont appelées bombes à hydrogène, ou bombes H. Parmi les trois isotopes de l'hydrogène, les deux plus lourds, le deutérium et le tritium, possèdent le plus de dispositions pour former de l'hélium. Bien que la quantité d'énergie libérée par le processus de fusion soit inférieure à celle produite par la fission, 0,5 kg de matière fissile plus légère contient beaucoup plus d'atomes. Ainsi, l'énergie produite à partir de 0,5 kg de combustible isotope de l'hydrogène est équivalente à celle libérée par la détonation de 29 kt de TNT, soit presque trois fois plus qu'avec la même masse d'uranium. Cette estimation correspond cependant à une fusion totale des atomes d'hydrogène. Les réactions de fusion se produisent seulement à plusieurs millions de degrés et le rendement s'accroît énormément avec la température. Pour cette raison, ces réactions sont dites thermonucléaires. Stricto sensu, le terme thermonucléaire implique que l'énergie du noyau dépend de la température. Le développement de la bombe à hydrogène était impossible avant le perfectionnement de la bombe A. Seule celle-ci pouvait produire la quantité de chaleur nécessaire à la fusion des atomes d'hydrogène. Les savants atomistes ont ainsi envisagé la bombe A comme détonateur de la future bombe thermonucléaire. 5 ESSAIS THERMONUCLÉAIRES En novembre 1952, les États-Unis font exploser une bombe d'une puissance équivalente à plusieurs millions de tonnes (mégatonnes) de TNT (bombe à fusion). L'URSS de son côté procède au premier essai de bombe A en août 1949 et de bombe H en avril 1953. D'autres pays procèdent à des essais au cours de la même période : la France en février 1960 à Reggane au Sahara (première bombe A), puis en juillet 1965 à Fangataufa en Polynésie française (première bombe H) ; la Chine en octobre 1964 à Lop Nor (bombe A) puis en juin 1967 (bombe H) ; la Grande-Bretagne en octobre 1952 en Australie (bombe A) puis en avril 1957 dans l'océan Pacifique (bombe H). 5.1 Bombe à fission-fusion-fission La bombe à fission-fusion-fission est une arme à trois niveaux. Le premier étage est constitué d'une grosse bombe A, qui joue le rôle de détonateur dans le cadre d'une réaction de fission. Le second niveau est la partie d'une bombe H correspondant à la fusion du deutérium et du tritium dans la bombe. Pendant ce processus, de l'hélium et des neutrons de grande énergie se forment. Le troisième niveau résulte de l'impact de ces neutrons sur l'enveloppe externe de la bombe faite d'uranium naturel, ou uranium-238. Aucune réaction en chaîne n'a lieu, mais les neutrons ont une énergie suffisante pour provoquer la fission des noyaux d'uranium, ce qui permet d'augmenter le rendement de l'explosif et la radioactivité des résidus de l'arme. Le 1er mars 1954, les États-Unis font exploser une bombe à fusion d'une puissance de 15 Mt, qui engendre une boule de feu rougeoyante de plus de 4,8 km de diamètre et un énorme nuage en forme de champignon, qui s'élève rapidement vers la stratosphère. Si cette bombe avait été composée d'une bombe A (comme amorce) et d'un conteneur d'hydrogène (comme explosif principal), la seule radioactivité persistante de l'explosion aurait été le fait des résidus de fission de l'amorce et d'une radioactivité induite par les neutrons dans le corail et l'eau de mer. Des débris radioactifs, cependant, sont tombés sur un navire de pêche japonais nommé le Lucky Dragon, à environ 160 km du site d'essai. Les analyses ont prouvé qu'il s'agissait d'une bombe à fission-fusion-fission. 5.2 Bombe H « propre « Une bombe H est dite « propre « lorsque moins de 50 p. 100 de son énergie provient de la fission. Parce que la fusion ne produit directement aucun composé radioactif, les retombées d'une bombe H propre sont moindres que celles d'une bombe H classique de même puissance. Si une bombe H était fabriquée sans enveloppe d'uranium, mais avec un détonateur à fission, elle serait relativement « propre «. La bombe à rayonnement renforcé, dite aussi bombe à neutrons, ne libère pas de composés de fission radioactifs persistants. Cependant, les neutrons issus en grand nombre de la réaction thermonucléaire induisent de la radioactivité dans les matériaux, principalement dans la terre et dans l'eau, à l'intérieur d'une zone relativement restreinte autour de l'explosion. Aussi, la bombe à neutrons est-elle considérée comme une arme tactique, car elle peut provoquer de sérieux dommages sur le champ de bataille en causant de graves blessures aux individus exposés, sans créer de retombées radioactives mettant en danger les populations alentour. 6 EFFETS DES ARMES NUCLÉAIRES 6.1 Effets de souffle Comme dans le cas des explosions provoquées par les armes conventionnelles, la plupart des dommages sur les immeubles et autres structures résultent, directement ou indirectement, de l'effet de souffle. La très rapide dilatation due à la production d'énergie de la bombe provoque une forte pression -- onde de choc --, qui se propage rapidement vers l'extérieur. Dans l'air, elle est semblable à un violent ouragan. Les dommages sont causés par la pression élevée de l'air sur le front de l'onde, ainsi que par les vents puissants qui persistent après le passage de l'onde. Le niveau des dégâts au sol infligés par l'effet de souffle dépend de la puissance de l'explosion, de l'altitude à laquelle elle a eu lieu et de la distance de l'objet par rapport au point zéro (point du sol situé à la verticale de la bombe). Le rayon de la zone endommagée s'accroît avec la puissance de la bombe : explosant à une hauteur optimale, une bombe de 10 Mt (mille fois plus puissante qu'une bombe de 10 kilotonnes), accroîtra le rayon de la zone touchée d'un facteur 10. 6.2 Effets thermiques Les très hautes températures atteintes lors d'une explosion nucléaire se traduisent par la formation d'une masse de gaz incandescent, la boule de feu. Pour une explosion de 10 kt dans l'atmosphère, la boule de feu atteint un diamètre d'environ 300 m. Pour une bombe de 10 Mt, la boule de feu peut atteindre 4 km de diamètre. Un flux thermique est émis par la boule de feu et se propage sur une large zone, avec une intensité décroissante en fonction de l'éloignement. La quantité de chaleur reçue à une certaine distance d'une explosion nucléaire dépend de la puissance de la bombe et de l'état de l'atmosphère. Si la visibilité est faible, ou si l'explosion a lieu dans les nuages, la quantité de chaleur dégagée est limitée. Le rayonnement thermique provoque de graves brûlures. Une explosion de 10 kt dans l'atmosphère pourrait provoquer, jusqu'à 2,5 km du point zéro, de graves brûlures au second degré. Une bombe de 10 Mt pourrait provoquer des brûlures jusqu'à une distance de 30 km du point zéro. Le rayonnement thermique peut mettre le feu à des matériaux secs ou inflammables, causant des incendies. Les bombes larguées sur le Japon ont ainsi déclenché des courts-circuits, ruptures de conduites de gaz et avaries de chaudières industrielles, à l'origine d'une multitude de départs de feu. Les débris provoqués par le souffle de l'explosion ont contribué à entretenir les incendies tout en interdisant l'accès aux pompiers. Sous certaines conditions, réunies à Hiroshima mais pas à Nagasaki, plusieurs feux localisés peuvent se combiner pour atteindre l'ampleur d'un incendie de forêt. La chaleur dégagée provoque un puissant courant d'air ascendant qui envoie des vents violents vers le coeur de l'incendie. Ces vents attisent les flammes et transforment la zone en brasier. Les flammes sont cependant aspirées vers l'intérieur, limitant l'étendue de l'incendie. 6.3 Effets d'irradiation En plus du souffle et de la chaleur, l'explosion d'une bombe nucléaire produit des radiations pénétrantes différentes des radiations thermiques. Absorbées par le corps, les radiations nucléaires peuvent provoquer de sérieux dommages. Dans le cas d'une explosion à haute altitude, leur étendue est inférieure à celle du souffle, du feu ou des brûlures. Au Japon, cependant, de nombreux individus qui se trouvaient à l'abri du souffle et de la chaleur lors de l'explosion ont succombé plus tard aux blessures causées par les radiations. Les radiations nucléaires consécutives à une explosion peuvent être divisées en deux catégories : les rayonnements immédiats et les rayonnements résiduels. Les premiers correspondent à l'émission instantanée de neutrons et de rayons gamma, qui se propagent sur une zone de plusieurs kilomètres carrés. Les rayons gamma ont des effets semblables aux rayons X. Les radiations nucléaires résiduelles, ou retombées radioactives, peuvent toucher des zones étendues, bien au-delà des autres effets de l'explosion. Dans les bombes qui obtiennent leur énergie de la fission de l'uranium-235 ou du plutonium-239, deux noyaux radioactifs sont créés pour chaque noyau de matière fissile brisé. Ces produits de fission contribuent à la radioactivité résiduelle des débris de la bombe car leurs périodes radioactives se chiffrent en jours, en mois ou en années. On distingue deux catégories de retombées radioactives, immédiates et différées. Si une explosion nucléaire se produit près de la surface terrestre, l'eau et la terre sont emportées dans le champignon atomique et contaminées par les résidus radioactifs de la bombe. La matière contaminée retombe au bout de quelques minutes et ce, pendant environ vingt-quatre heures, arrosant plusieurs milliers de kilomètres carrés. Ces retombées initiales représentent un risque immédiat pour les vies humaines. Elles ne surviennent que dans le cas d'explosions à haute altitude. Les risques liés à la radioactivité et l'immensité des zones susceptibles d'être contaminées par une seule bombe font des retombées radioactives, sans aucun doute, l'effet le plus mortel des armes nucléaires. 6.4 Effets climatiques Outre les dommages dus au souffle et aux radiations, une confrontation nucléaire entre des nations pourrait avoir un effet catastrophique sur le climat. Cette hypothèse, émise dans une publication d'un groupe international de scientifiques en décembre 1983, est connue sous le nom de « théorie de l'hiver nucléaire «. Selon ces scientifiques, l'explosion de moins de la moitié des têtes nucléaires des États-Unis et de la Russie provoquerait le rejet d'énormes quantités de poussières et de fumées dans l'atmosphère. Celles-ci feraient écran au rayonnement solaire pendant plusieurs mois, principalement dans l'hémisphère Nord, engendrant ainsi la destruction des plantes et créant un climat glacial jusqu'à la dispersion des poussières. La couche d'ozone pourrait également être affectée, favorisant des dégâts supplémentaires dus à l'absence de filtration des rayons ultraviolets issus du Soleil. Voir aussi contrôle des armements ; dissuasion nucléaire ; guerre ; Négociation sur la limitation des armes stratégiques (SALT) ; prolifération nucléaire. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.
