Bombe H - Définition

Bombe H type « Teller-Ulam »

Structure

Configuration d'une bombe à fission-fusion-fission

A : étage de la fission
B : étage de la fusion

1. Lentilles d'explosifs à haute puissance
2. Uranium 238 (« tampon »)
3. Vide (« lévitation »)
4. Gaz de tritium (« surcharge », en bleu) enfermé dans un cœur évidé de plutonium ou d'uranium
5. Mousse de polystyrène
6. Uranium 238 (« tampon »)
7. Deutérure de lithium 6 (combustible de la fusion)
8. Plutonium (allumage)
9. Enveloppe réfléchissante (réfléchit les rayons X vers l'étage de fusion)

Une bombe à architecture Teller-Ulam est la même chose qu'une bombe à fission-fusion-fission. Une telle bombe est composée de deux parties principales :

• La partie haute ou partie primaire : c'est la bombe à fission qui, en explosant, entraîne une très forte augmentation de la température et par la même le déclenchement de la fusion. Les États-Unis utiliseront en particulier le primaire Tsetse.
• La partie basse ou partie secondaire : c'est le matériau qui va fusionner, ici du lithium, accompagné d'un cœur de plutonium et d'une enveloppe d'uranium 238. Cette partie est entourée d'une mousse en polystyrène qui permettra une montée très haute en température.

• Enfin, il est possible d'utiliser un troisième étage, du même type que le second, pour produire une bombe à hydrogène beaucoup plus puissante. Cet étage supplémentaire est beaucoup plus volumineux (en moyenne 10 fois plus) et sa fusion est amorcée par l'énergie dégagée par la fusion du deuxième étage. On peut donc fabriquer des bombes H de très grandes puissances en ajoutant plusieurs étages.

La bombe est elle-même entourée d'une structure qui va permettre de retenir l'apport massif de rayons X produits par l'explosion de la bombe à fission. Ces ondes sont alors redirigées afin de comprimer le matériel de fusion et l'explosion totale de la bombe peut alors commencer.

Un engin thermonucléaire typique comprend deux étages, un étage primaire où l'explosion est initiée, et un secondaire, lieu de l'explosion thermonucléaire principale. La puissance de l'étage primaire, et sa capacité à provoquer l'explosion du secondaire, sont augmentés (dopés) par un mélange de tritium, qui subit une réaction de fusion nucléaire avec du deutérium. La fusion engendre une grande quantité de neutrons, lesquels augmentent substantiellement la fission du plutonium ou de l'uranium hautement enrichi présent dans les étages. Cette approche est utilisée dans les armes modernes pour assurer une puissance suffisante malgré une diminution importante de la taille et du poids.

Déroulement de l'explosion

Les réactions impliquant la fusion peuvent être les suivantes :

[D étant un noyau de Deutérium ²H, T un noyau de tritium ³H, n un neutron et p un proton.]

La première de ces réactions (fusion deutérium-tritium) est relativement facile à démarrer, les conditions de température et de compression sont à la portée d'explosifs chimiques de haute performance. Elle est par elle-même insuffisante pour démarrer une explosion thermonucléaire, mais peut être employée pour doper la réaction : quelques grammes de deutérium et de tritium au centre du cœur fissible produiront un flux important de neutrons, qui augmentera significativement le taux de combustion du matériau fissible. Les neutrons produits ont une énergie de 14 MeV, ce qui est suffisant pour provoquer y compris la fission de l'U-238, conduisant à une réaction Fission-Fusion-Fission. Les autres réactions ne peuvent se dérouler que lorsqu'une explosion nucléaire primaire a produit les conditions nécessaires de température et de compression.

L'explosion d'une bombe H se déroule sur un intervalle de temps très court : 6x10^-7 s, soit 600 nanosecondes. La réaction de fission réclame 550 nanosecondes et celle de fusion 50 nanosecondes.

1. Après l'allumage de l'explosif chimique, la bombe à fission se déclenche.
2. L'explosion provoque l'apparition de rayons X, qui se réfléchissent sur l'enveloppe et ionisent le polystyrène qui passe à l'état de plasma.
3. Les rayons X irradient le tampon qui compresse le combustible de fusion (⁶LiD) et l'amorce en plutonium qui, sous l'effet de cette compression et des neutrons, commence à fissionner.
4. Compressé et porté à de très hautes températures, le deutérure de lithium (⁶LiD) démarre la réaction de fusion. On observe généralement ce type de réactions de fusion :

   Lorsque le matériel de fusion fusionne à plus de 100 millions de degrés, il libère énormément d'énergie. À température donnée, le nombre de réactions augmente en fonction du carré de la densité : ainsi, une compression mille fois plus élevée conduit à la production d'un million de fois plus de réactions.

5. La réaction de fusion produit un large flux neutronique qui va irradier le tampon, et si celui-ci est composé de matériaux fissiles (comme ²³⁸U) une réaction de fission va se produire, provoquant une nouvelle libération d'énergie, du même ordre de grandeur que la réaction de fusion.

Déroulement de l'explosion d'une bombe H :

A : Bombe avant explosion ; étage de la fission en haut (primaire), étage de la fusion en bas (secondaire), toutes suspendues dans une mousse de polystyrène.
B : L'explosif haute puissance détonne dans le primaire, comprimant le plutonium en mode supercritique et démarrant une réaction de fission.
C : Le primaire émet des rayons X qui sont réfléchis à l'intérieur de l'enveloppe et irradient la surface du tampon ( la mousse de polystyrène est transparente aux rayons X et ne sert que de support ).
D : Les rayons X vaporisent la surface du tampon, comprimant le secondaire, et le plutonium commence une fission.
E : Comprimé et chauffé, le deutérure de lithium 6 entame une réaction de fusion et un flux de neutrons démarre la fission du tampon. Une boule de feu commence à se former…