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Bombe A

Introduction

Explosion atomique de 14 kilotonnes lors de l'essai américain XX-27 CHARLIE dans le site d'essais du Nevada en 1951

La bombe A, communément appelée bombe atomique, bombe à fission ou bombe nucléaire, est basée sur le principe de la fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus...) et utilise des éléments fissiles comme l'uranium 235 ou le plutonium 239. Les bombes à fission furent les premières armes nucléaires développées et les seules utilisées contre des populations humaines. En effet, au cours de la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...) Guerre mondiale, deux bombes A, baptisées respectivement Little Boy et Fat Man, furent utilisées par l'armée américaine pour les bombardements des villes de Hiroshima et Nagasaki.

Principe

Les premières armes nucléaires, tel Fat Man, étaient très difficiles à transporter et leur mise à feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) était complexe.

Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) critique et neutrons

Criticité

Une masse de matériel fissile est qualifiée de critique quand elle devient capable d'entretenir une réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :), compte tenu de sa taille, de sa forme, de la pureté et de la composition isotopique du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...). Une mesure numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) du caractère critique est le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients...) multiplicateur de neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Pour un atome,...) k = f - l, où f est le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutrons relâchés en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient...) par chaque fission d'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) et l est le nombre moyen de neutrons perdus, soit parce qu'ils s'échappent du système ou parce qu'ils sont capturés par d'autres atomes sans produire de fission. Quand k = 1, la masse est dite critique, quand k < 1 la masse est sub-critique, et pour k > 1 la masse est dite super-critique.

La masse critique d'une boule de matériau pur (non modéré) en l'absence de réflecteur est d'environ 50 kilogrammes pour l'uranium 235 et de 10 kilogrammes pour le plutonium 239. Si l'on dispose autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) fissile un revêtement renvoyant une partie des neutrons vers elle (réflecteur de neutrons), on peut réduire la masse critique.

Pour éviter que la réaction ne se déclenche n'importe quand, on donne à la matière fissile une forme facilitant l'évasion des neutrons : séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) en deux morceaux, ou boule creuse, donc de plus grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...). De cette manière la masse critique n'est pas atteinte et il n'y a donc aucun risque qu'une fission nucléaire s'amorce sans qu'on le désire. Le déclenchement de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement,...) a lieu lorsque toutes les parties de la matière fissile sont brusquement réunies, sous une forme convenable, et atteignent ainsi une masse super-critique.

Passage en assemblage supercritique

Pour obtenir une explosion atomique, il faut déclencher une réaction en chaîne dans un matériau fissile, le faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) rapidement d'une configuration subcritique (k = 0.9) à une configuration nettement supercritique (typiquement, k = 3), de manière à ce que les neutrons libres puissent se multiplier exponentiellement. Pour cela, il faut avoir une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) suffisante de matière fissile, c'est la masse critique, et sous la forme la plus compacte possible, une boule, pour éviter que trop de neutrons ne s'échappent par la surface.

Le principal problème technique à résoudre pour assurer l'efficacité de l'explosion est de maintenir le matériau fissile dans une configuration supercritique suffisamment longtemps pour qu'une fraction substantielle de sa masse ait subi la fission et produise de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

Cependant, si la présence d'une masse critique suffit à déclencher une réaction en chaîne, celle-ci n'est pas nécessairement explosive : elle ne l'est pas dans une centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en...), ni lors d'accident de criticité (Un accident de criticité désigne un accident nucléaire provoqué par une réaction nucléaire en chaîne involontaire et incontrôlée dans un combustible nucléaire fissile comme l'uranium ou le plutonium. Cet...). Dans les bombes atomiques, la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques élémentaires. L'unité qui lui correspond est la mole.) fissile doit même être supérieure à la masse critique, de l'ordre de trois fois en général. On parle alors de masse sur-critique.

Amorçage de la réaction

Pour éviter une prédétonation, qui chaufferait et dissiperait le matériau fissile avant qu'il n'ait atteint sa configuration optimale, et assurer une explosion efficace, le matériau fissile doit être amené dans une configuration supercritique très rapidement. Il faut donc à la fois minimiser le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de mise en configuration supercritique et minimiser le nombre de neutrons ambiants avant l'explosion. Pour cette raison, les armes nucléaires comportent une source de neutrons.

Explosion nucléaire

Une fois la masse critique atteinte, la réaction en chaîne est déclenchée. Dans une réaction complète, chaque noyau de la matière fissile se divise en deux noyaux plus légers (produits de fission) et libère en plus des neutrons. Ces derniers vont alors percuter d'autres atomes de matière fissile, qui à leur tour vont libérer des neutrons et ainsi de suite. La réaction en chaîne est déclenchée, et la matière dégage une énergie colossale en comparaison de la quantité de matière fissile mise en jeu. Cependant, dans une bombe atomique, seule une petite fraction (parfois très faible) du matériau fissible est effectivement consommée avant d'être dissipée par l'explosion, ce qui diminue d'autant la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de l'explosion par rapport à celle disponible dans la masse fissible.

À quantité égale de réactifs, l'énergie dégagée lors d'une réaction de fission peut être de l'ordre de la centaine de millions de fois plus grande que celle dégagée par une réaction chimique. Cette énergie se transforme très rapidement en chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), par freinage de ces produits de fission dans la matière avoisinante.

Importance de la mise en configuration critique

Pour des raisons évidentes de sécurité, les éléments fissiles d'une bombe atomique sont tenus en configuration sous-critique pour éviter toute fission nucléaire accidentelle. C'est juste avant le déclenchement de la bombe qu'on lève les différentes sécurités mises pour éviter que la forme critique soit atteinte?; on dit alors que la bombe est armée.

Dans une bombe atomique, il est important que les éléments fissiles soient réunis le plus vite possible. En effet, les éléments fissiles utilisés sont par ailleurs radioactifs, et dégagent naturellement des neutrons. De ce fait, une réaction de fission nucléaire peut se déclencher avant que toute la matière fissile n'ait la meilleure configuration. La puissance de l'explosion se trouve alors amoindrie, parce que la petite explosion qui en résulterait dissiperait le reste de la matière fissible sans l'avoir consommé.

Il existe plusieurs techniques pour réunir la matière fissile et ainsi atteindre la configuration sur-critique, qui déclenche la fission nucléaire. On peut citer 2 techniques : par insertion, et par implosion (L'implosion est l'inverse de l'explosion. Elle se produit lorsque la pression externe à un objet est plus grande que celle à l'intérieur et que cette...).

Technique de l'insertion

La technique la plus simple pour déclencher une explosion est de projeter un bloc de matière fissile contre un autre bloc, constitué de la même matière, ou mieux, un bloc cylindrique à l'intérieur d'un bloc creux. C'est la technique de l'insertion, aussi appelée la technique du pistolet ? ?ou du canon. Ainsi, les conditions critiques sont atteintes et la réaction de fission nucléaire est amorcée.

Le bloc de matière fissile est projeté à l'aide d'un explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand volume...) très puissant, pour permettre que la forme soit atteinte rapidement. L'inconvénient de cette technique est que bien que cette forme soit atteinte rapidement (de l'ordre d'une milliseconde), elle ne l'est pas assez pour du plutonium 239, qui contient toujours des isotopes, notamment le plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux États-Unis...) 240, dégageant spontanément des neutrons, ce qui amorce l'explosion prématurément, juste au moment où les conditions deviennent critiques. C'est pour cette raison que la technique de l'insertion n'est utilisée que pour les bombes à uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que...) 235.

La bombe larguée sur Hiroshima, Little Boy, utilisait cette technique. Le fait que cette technique ait été employée sans essai préalable (contrairement au type à implosion utilisé sur Nagasaki) montre à quel point (Graphie) ce mode de fonctionnement est robuste, et relativement facile à maîtriser.

Architecture d'une bombe par insertion (Little Boy)
Architecture d'une bombe par insertion (Little Boy)
  1. Ailerons stabilisateurs
  2. Cône de queue
  3. Entrée d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...)
  4. Détonateur (Le détonateur est un élément de la chaîne explosive dont le rôle consiste à produire, au départ d'un courant électrique ou d'une flamme, une onde de choc...) par pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.)
  5. Conteneur (Dans le domaine du transport, un container (de l'anglais), parfois francisé en conteneur, est un caisson métallique, en forme de parallélépipède, conçu...) en plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) (protection)
  6. Bras du détonateur
  7. Tête du détonateur
  8. Charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) explosive (cordite)
  9. Projectile en uranium 235
  10. Cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant...) du canon
  11. Cible en uranium 235 avec réceptacle, le réflecteur de neutrons se trouve à son sommet
  12. Sondes pour la télémétrie (altimètre)
  13. Fusibles d'armement de la bombe (insérés peu avant le largage)

Technique par implosion

Schéma de la bombe Fat Man
Schéma de la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) et de leur changement de forme dans les explosifs

La technique de l'implosion est plus complexe à mettre en ?uvre. Elle consiste à rassembler la matière fissile disposée en boule creuse, puis à la comprimer de manière à augmenter sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) et ainsi atteindre une configuration supercritique, qui déclenchera la réaction de fission nucléaire et donc l'explosion.

Sa mise en ?uvre est très délicate : la compression de la matière fissile est réalisée à l'aide d'explosifs très puissants disposés tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autour. Mais la détonation (Une détonation est une onde de combustion extrêmement violente, qui se propage à une vitesse supersonique.) de ces explosifs est déclenchée par un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de détonateurs qui doivent être rigoureusement synchronisés. De plus, chaque explosion a tendance à créer une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute...) sphérique, centrée sur le détonateur. Or on doit obtenir une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de choc aboutissant simultanément à tous les points externes de la matière fissile, que l'on peut imaginer comme une boule creuse. Ces ondes de choc doivent se déformer pour passer de sphères centrées à l'extérieur à une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même...) de centre commun. On aboutit à ce résultat en utilisant des explosifs où l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) de choc se déplace à des vitesses différentes, ce qui amène à sa déformation. L'usinage des formes de ces explosifs doit être fait avec toute la précision de lentilles optiques.

Un problème semblable se pose avec le plutonium, qui peut revêtir plusieurs états (phases) de caractéristiques mécaniques différentes, et qui a donc tendance à devenir inhomogène, ce qui aboutirait à une déformation de l'onde de choc. On y remédie, comme dans la métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par...) du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...) ? où un additif commun est le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) ? par l'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs...) de faibles quantités d'un autre élément, souvent le gallium.

La technique de l'implosion permet d'atteindre la disposition super-critique bien plus rapidement que par celle de l'insertion. Par implosion, le délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) est de l'ordre de deux à trois microsecondes, ce qui est environ cent fois plus rapide que par insertion. Cette technique permet d'utiliser le plutonium 239 comme matière fissile.

On peut encore améliorer le rendement et/ou diminuer la masse critique en plaçant entre l'explosif et la matière fissile diverses couches qui peuvent soit avoir un effet mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) par leur inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une droite à vitesse constante) n'est...) ou en étalant dans le temps l'onde de choc (prolongeant ainsi l'explosion), soit ralentir la perte de neutrons (réflecteur à neutrons diminuant la masse critique)

La première bombe atomique de l'Histoire, Gadget (On nomme gadget un objet souvent ingénieux, mais presque toujours inutile sur le long terme.), et la troisième, Fat Man, contenaient du plutonium et utilisaient la technique de l'implosion.

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