vas-y, viens, on construit une bombe atomique

Comment est-il possible de créer une bombe atomique ? Pour le comprendre, il faut s'intéresser à la science derrière cette arme. La première étape est l'acquisition de l'uranium, un élément essentiel. L'uranium se trouve dans le Pechblende, un minerai radioactif. Cependant, seulement 0,7 % de l'uranium contenu dans le Pechblende est de l'uranium 235, l'isotope nécessaire pour la bombe. Il faudrait miner environ 14 tonnes de minerai pour obtenir les 64 kilogrammes d'uranium 235 requis pour une bombe comme celle d'Hiroshima. Une alternative est d'acheter du "yellowcake", une poudre concentrée d'uranium à au moins 80 %. Pour les 64 kg nécessaires, il faudrait environ 11,5 tonnes de yellowcake, ce qui coûterait environ 2 millions d'euros. L'objectif d'une bombe est de créer une giga-explosion, ce qui nécessite de libérer une grande quantité d'énergie dans un volume limité. Cette énergie transforme les matériaux en un gaz chaud et compressé, créant une onde de choc dévastatrice suivie d'un souffle négatif. La méthode la plus courante pour obtenir rapidement de l'énergie est la chimie, comme avec la TNT. Dans la TNT, des liaisons chimiques empêchent l'azote et l'oxygène de former des gaz. Une onde de choc initiale brise ces liaisons, libérant de l'énergie et créant une réaction en chaîne qui transforme la TNT en gaz, générant ainsi une explosion. Cependant, pour une explosion de l'ampleur de celle d'Hiroshima (équivalente à 16 kilotonnes de TNT), la chimie ne suffit pas. Il faut utiliser l'énergie nucléaire, basée sur la formule E=MC². Cette formule montre l'énorme quantité d'énergie contenue dans la matière. Un gramme de matière, même un trombone, contient l'équivalent de 21,5 kilotonnes de TNT. La matière est composée d'atomes, eux-mêmes constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Les protons se repoussent mutuellement en raison de la force électromagnétique. Pour qu'ils puissent s'assembler dans un noyau, comme dans l'hélium, des neutrons sont nécessaires. Les neutrons, étant neutres, peuvent s'approcher des protons et permettre aux quarks qui les composent de se lier via l'interaction forte. Cette interaction est 100 fois plus puissante que la force électromagnétique, mais elle n'agit qu'à très courte distance. C'est elle qui maintient le noyau atomique stable. L'énergie stockée dans la matière provient de ces forces. Pour la libérer, il faut perturber la stabilité de l'atome. Les atomes ont tendance à atteindre un état d'équilibre, illustré par le concept de la "vallée de stabilité". En se réorganisant pour atteindre cet état stable, un atome peut libérer une partie de l'énergie de l'interaction forte et de la force électromagnétique. Plus un atome est lourd, plus il est instable. Les éléments les plus lourds sont plus faciles à perturber pour libérer leur énergie. L'uranium est choisi car il est relativement abondant et suffisamment instable. L'uranium 238 est stable, mais l'uranium 235, avec trois neutrons en moins, est naturellement instable. Il suffit de lui envoyer un neutron pour le casser. Lorsque le neutron est absorbé, il libère une petite énergie qui suffit à briser les liaisons du noyau. C'est la fission nucléaire. L'atome d'uranium se brise en deux nouveaux atomes et expulse 2 à 3 neutrons. Une partie de la masse de l'uranium 235 s'est transformée en énergie pure, environ 200 méga-électronvolts par atome. Bien que cela semble peu, la fission d'un gramme d'uranium 235 libère l'équivalent de 20 tonnes de TNT. Pour obtenir une explosion monumentale, il faut une réaction en chaîne. Les neutrons éjectés lors de la fission peuvent percuter d'autres atomes d'uranium, provoquant de nouvelles fissions et la libération exponentielle d'énergie. Pour s'assurer que les neutrons frappent d'autres atomes, il faut une "masse critique" d'uranium. Pour l'uranium 235 pur, elle est de 48 kilogrammes. La bombe d'Hiroshima utilisait 64 kilogrammes d'uranium pur à environ 80 %. La construction d'une bombe commence par l'enrichissement de l'uranium. Le yellowcake, qui contient 0,7 % d'uranium 235, doit être transformé en un matériau avec au moins 80 % d'uranium 235. Le yellowcake est d'abord converti en hexafluorure d'uranium gazeux (UF6). Le fluor n'ayant qu'un seul isotope, la seule différence de masse dans l'UF6 provient de l'isotope d'uranium (238 ou 235). L'uranium 235, étant plus léger (trois neutrons en moins), peut être séparé de l'uranium 238 par centrifugation. Des milliers de centrifugeuses sont nécessaires, placées en cascade, car la différence de masse est infime et l'efficacité de chaque centrifugeuse est faible (facteur de séparation de 1,10). Le processus prend des années et coûte des millions d'euros en énergie et en infrastructures. Une fois enrichi, l'UF6 est chauffé avec du magnésium, ce qui produit de l'uranium 235 pur sous forme de barre. Pour déclencher l'explosion, on utilise un design similaire à celui de "Little Boy", la bombe d'Hiroshima. L'uranium est divisé en deux masses sous-critiques : une cible de 25,6 kg entourée de carbure de tungstène (qui réfléchit les neutrons), et un projectile de 38,5 kg. Des initiateurs au polonium-béryllium sont placés autour de la cible, séparés par une fine feuille d'or. Le polonium émet des particules alpha qui, en frappant le béryllium, libèrent des neutrons. Pour déclencher l'explosion, le projectile d'uranium est propulsé à 300 mètres par seconde sur la cible à l'aide de cordite. L'impact brise la feuille d'or, permettant aux neutrons d'être émis, ce qui initie la réaction en chaîne. Le déclenchement est minuté. Une fois la bombe larguée, un compte à rebours de 15 secondes est lancé. Ensuite, un interrupteur barométrique détecte l'approche du sol, puis des radars mesurent la distance. À 600 mètres d'altitude, la cordite est enflammée, le projectile frappe la cible, et la réaction en chaîne commence. La fission est une course contre la montre. Sur les 64 kg d'uranium de Little Boy, seulement 880 grammes ont le temps de fissionner avant que l'énergie libérée ne vaporise la bombe. La température atteint des dizaines de millions de degrés, plus chaud que le soleil. La pression atteint des millions d'atmosphères. Tout dans un rayon de 200 mètres est vaporisé. Des rayons X sont émis, chauffant l'air et formant une boule de feu incandescente qui provoque des incendies sur des kilomètres. L'onde de choc rase tout sur son passage, avec des vents de plusieurs centaines de kilomètres par heure, détruisant les bâtiments sur un rayon de près de deux kilomètres. La boule de feu s'élève, aspirant poussière et débris, formant le champignon atomique. Ces débris, mélangés aux résidus de fission, deviennent radioactifs et sont transportés par le vent, créant le "fallout". Les bombes modernes, incluant la fusion nucléaire, sont encore plus puissantes, atteignant plus de 100 mégatonnes, contre les 15 kilotonnes d'Hiroshima. Une telle bombe sur Paris provoquerait environ 7 millions de morts et 4 millions de blessés, avec des destructions sur des dizaines de kilomètres.