Explosion atomique - Définition

Introduction

Test d'une bombe atomique américaine de 23 kilotonnes, le 18 avril 1953

Une explosion atomique ou explosion nucléaire est le résultat de l'explosion d'une bombe atomique. Le terme ne distingue généralement pas l'explosion d'une bombe A (à fission) d'une bombe H (à fusion), en tant qu'il met l'accent sur :

• l'énergie libérée (exprimée en kilotonnes ou mégatonnes de TNT – une tonne de TNT développant 10⁹ calories, soit 4,18x10⁹ joules) ;
• les radiations (émises par les deux types de bombe atomique).

Ces deux facteurs expliquent la puissance et les conséquences redoutables de l'explosion atomique. Les deux bombes qui ont explosé au-dessus de Hiroshima et Nagasaki ont suffi, par leurs effets, à faire basculer le monde – la géopolitique aussi bien que la philosophie ou l'art – dans l'ère nucléaire.

Physique de l'explosion

Déroulement

Déroulement d'une explosion au sol

L'explosion atomique se déroule en plusieurs phases :

• réaction en chaîne (de 0 à 10^-6 seconde) ;
• boule de feu / surpression (10^-6 jusqu'à 1/10^e de seconde) ;
• extension de la surpression, refroidissement progressif de la boule de feu (0,1 à 10 secondes) ;
• formation du champignon (plusieurs secondes, voire minutes) ;
• élévation et dissipation du champignon, retombées, pluie noire (de quelques minutes jusqu'à plusieurs mois pour les retombées).

La durée de ces phases peut fortement varier en fonction de l'intensité, de l'altitude, de la nature de la bombe, des conditions météorologiques et de la nature du terrain dans le cas d'une explosion souterraine ou à faible altitude.

Libération de l'énergie

Bombe à fission

Lorsque la masse critique est atteinte, que ce soit dans le cas du plutonium ou de l'uranium, une réaction en chaîne se déclenche. Les neutrons libérés atteignent alors une vitesse d'environ 1 4x10⁷ m/s et traversent la masse de matière fissile d'environ 10 à 20 centimètres de diamètre en seulement 10^-8 seconde. Le temps moyen entre deux fissions est de 10^-8 seconde. La matière radioactive destinée à une utilisation militaire doit ainsi libérer au moins deux neutrons à chaque collision afin d'atteindre une réaction suffisante. Une bombe avec environ 2x10²⁴ fissions produit une énergie équivalente à 20 kilotonnes de TNT (soit un peu plus que la puissance de la bombe atomique larguée sur Hiroshima). En considérant que 2 neutrons sont libérés à chaque fission, on peut approximativement déterminer le nombre de générations nécessaires pour obtenir cette puissance de 20 kt (en partant d'un neutron initial) :

Si la réaction n'est pas interrompue, la libération de l'énergie est terminée après 0,8 microseconde. Comme cette progression suit une loi exponentielle, la plus grande partie de l'énergie est produite durant les dernières générations. Pendant les 60 premières générations, l'énergie est équivalente à la charge explosive conventionnelle nécessaire pour lancer l'explosion atomique ; après 77 générations, elle atteint environ 1 000 tonnes de TNT (1 kt). 95 % de l'énergie de la bombe sont produits durant les cinq dernières générations.

En pratique, ce phénomène n'est pas parfaitement séquentiel : une fission antérieure poursuit son action alors même qu'une nouvelle fission est en cours. Des modèles plus précis permettent d'obtenir une meilleure idée de la durée du phénomène et du nombre de fissions.

Bombe à fusion

Boule de feu et surpression

Boule de feu saisie avec une exposition d’un millionième de seconde. On aperçoit encore la base de la tour de tir au sommet de laquelle était installée la bombe (104 Kt, 1952).

On distingue l'onde de choc qui précède le front de la boule de feu: elle perturbe une fine colonne de fumée (flèche) (18 Kt, 1945).

Dans les premières microsecondes, l’énergie est libérée par la réaction nucléaire essentiellement sous forme de rayons γ et de neutrons. Ces rayonnements étant absorbés par l'air en quelques mètres, un dégagement de chaleur (au sens énergie thermique) a lieu, la température dépassant localement le million de degrés Celsius. Cet air surchauffé forme alors une "boule de feu" (masse sphérique de gaz incandescents) de quelques dizaines de mètres. Se comportant comme un corps noir, elle émet un rayonnement thermique intense d’abord sous forme de rayons X. L’atmosphère étant peu transparente à ces derniers, ils sont réabsorbés en quelques mètres. Dans les millisecondes qui suivent, la boule de feu se dilate et se refroidit. Son rayonnement thermique « glisse » vers l’ultraviolet, la lumière visible et l’infrarouge. L'air étant transparent à ces longueurs d'onde, le rayonnement thermique peut alors se propager sur plusieurs dizaines de kilomètres. Intense, il brûle et enflamme des objets à distance. En quelques secondes, la boule de feu qui continue de se refroidir atteint son diamètre maximal (autour de 2,2 km en 10 s pour 1 Mt). Cette dilatation ayant lieu initialement à vitesse supersonique, il y a genèse d'une onde de choc suivie d'un effet de souffle.

Formation du champignon

Le champignon atomique est un pyrocumulonimbus, c'est-à-dire un nuage de type cumulonimbus formé par une source de chaleur autre que le rayonnement solaire. Par convection, la boule de feu s'élève rapidement du fait de sa chaleur. En se refroidissant, elle cesse d'émettre de la lumière visible (donc cesse d'être incandescente). La vapeur d'eau qu'elle contient se condense formant le sommet du champignon atomique. En principe, il atteint la stratosphère soit environ 20 km d'altitude pour une explosion de 1 Mt puis il s'écrase horizontalement sur une distance de 35 km de diamètre pour 1 Mt. Si la boule de feu, au moment de sa formation, n'a pas touché le sol, le nuage est plutôt blanc, il contient surtout de l'oxyde d'azote issu de l'échauffement des composants de l'atmosphère absorbés par la boule de feu, de la vapeur d'eau et une faible quantité de débris (poussières, gaz) rendus fortement radioactifs par la présence de radionucléides issues de la réaction nucléaire initiale. Si la boule de feu touche la surface du sol, une grande quantité de débris solides pulvérisés (poussière) sont aspirés dans le nuage ; il prend alors une couleur marron. Il peut s'y ajouter la suie des incendies.

Retombées radioactives

Si la boule de feu touche la surface ou si la puissance de l'engin est faible (<10 kt) :

• dans les minutes qui suivent, une partie de cette poussière et de cette suie associée à l'eau liquide de la condensation (refroidissement conséquent à l’ascension du nuage) redescend rapidement sous forme de pluie noire (retombées radioactives) à proximité de la cible ;
• dans les heures et les jours qui suivent, entraînées par les courants aériens, ces retombées se poursuivent jusqu'à des centaines de kilomètres sous le vent de la cible.

Dans le cas d’une explosion de plus forte puissance en altitude, la force ascensionnelle entraîne les débris de la bombe dans la haute atmosphère. Les retombées n'ont lieu que dans les semaines et les mois qui suivent, et sont globales.

Répartition de l'énergie dissipée

Pour référence, l'énergie dissipée par l'explosion nucléaire de Hiroshima (environ 1/60 mégatonne de TNT, soit plus de 69 terajoules) s'est partagée en :

• 15 % de radiations ;
• 35 % de rayonnements thermiques ;
• 50 % d'onde de choc.

Cette répartition peut varier en fonction :

• de la puissance de la bombe : les petites puissances maximalisent les effets par rayonnements ionisants (radiations), les fortes puissances les effets thermiques.
• de la « géométrie » de l'arme. On pense là à la « bombe à neutrons » : augmentation de la part de l'énergie sous forme de rayonnements ionisants.
• du milieu où a lieu l'explosion :
  • aérienne (à distance de la surface) : maximalise les effets thermiques, mécaniques, et la surface touchée. Utilisée pour détruire des cibles « douces » comme des villes ou des unités militaires non préparées. C'était le cas de la bombe d'Hiroshima qui a explosé à une altitude de 500 m.
  • au contact (ou sous le niveau) de la surface : beaucoup d'énergie mécanique avec génération d'une onde de choc sismique et d'un cratère, les retombées radioactives sont très importantes. Utilisée pour détruire des cibles « durcies » tel les bunkers, les abris sous-terrains ou les silos de missiles. Les effets thermiques et l'onde de choc aérien sont diminués.
  • dans le quasi-vide de l'espace ou de la haute atmosphère : surtout des rayonnements ionisants, avec un très grand rayon d’action. Peu d’effets thermiques. Presque aucun effet mécanique. Il existe par contre, dans ce cas, des effets assez « exotiques » : voir ci-dessous.
• des conditions météorologiques :
  • les nébulosités (nuages, brouillard) ou la présence de neige au sol peuvent beaucoup diminuer ou augmenter « l'efficacité » du rayonnement thermique de la bombe.
  • des phénomènes d'inversions de la température de l'air peuvent également dévier les ondes de chocs et ainsi diminuer les dommages à distance du point zéro.

Aurore formée au-dessus de l'atmosphère par les débris d'une bombe de 1,4 Mt qui vient d'exploser à 400 km d'altitude. L'aurore artificielle dura environ 15 minutes. À 1200 km de là, des lignes à haute tension disjonctèrent. Une partie des satellites en orbite à cette époque furent victimes d'avaries dans les semaines qui suivirent (1962).

Cas particulier des explosions dans l'espace

L'absence d'atmosphère pour absorber les rayonnements initialement formés modifie la répartition des énergies diffusées et la portée de leurs effets.

Suite à la détonation d’une arme nucléaire au niveau de l’orbite basse (quelques centaines de km d'altitude) de la Terre, voici la séquence d’événements qui aurait lieu :

• Durant les premières dizaines de nanosecondes : les puissants rayons γ nés de l’explosion sont arrêtés par les molécules neutres de la haute atmosphère à 30 ou 40 km d’altitude. Ces collisions aboutissent à l’émission simultanée d’électrons de forte énergie (effet Compton). Ce grand nombre de charges en déplacement rapide dans la même direction génère une puissante impulsion électromagnétique qui peut endommager ou détruire les circuits sensibles des appareils électroniques sur une grande partie de la Terre (une étendue comparable à celle d'où l'explosion est visible).
• Durant les secondes suivantes : en l’absence d’atmosphère pour absorber et générer des effets thermiques ou mécaniques, 70 % de l’énergie de l’explosion est émise sous forme de rayons X. Ces rayons X durs sont assez puissants pour pénétrer et « cuire » les systèmes électroniques des satellites dans l’espace voisin.
• Au même instant, les débris de la bombe sous forme de gaz ionisé sont projetés à plusieurs centaines de kilomètres d’altitude. Ces particules chargées interagissent avec le champ magnétique de la Terre, ce qui le distord et crée un gigantesque champ électrique de basse fréquence. Quoique ce champ soit faible (1 millivolt par mètre), il va induire dans les longs câbles terrestres et sous-marins des courants de forte intensité, faisant disjoncter des installations électriques et téléphoniques même à grande distance du point d’explosion (au-delà de l'horizon).
• Ces particules ionisées (électrons et protons) sont finalement capturées et accélérées par le champ magnétique terrestre, puis injectées dans la magnétosphère où elles pourraient rester piégées des années. Le résultat serait une augmentation de l’intensité, de la taille et du nombre des ceintures de radiations de la Terre, ce qui en quelques mois endommagerait l’électronique d’une grande partie de la flotte des satellites en orbite et rendrait le voyage des humains dans l'espace impossible.