Physique de guerre : Réactions en chaîne
Réactions en chaîne
Dès la découverte de la radioactivité artificielle, Frédéric Joliot avait imaginé que des réactions en chaîne pourraient constituer un moyen de libérer l’énergie nucléaire, soit de façon douce, soit de façon brutale. Il avait même mentionné ce fait lors du discours qu’il avait prononcé pour la réception de son prix Nobel de chimie en 1935 :
« … nous sommes en droit de penser que les chercheurs, construisant ou brisant les éléments à volonté, sauront réaliser des transmutations à caractère explosif, véritables réactions chimiques en chaîne. »
Pour que de tels phénomènes puissent se produire, il fallait que la fission s’accompagne d’une émission simultanée de neutrons, comme le laissait prévoir la structure des noyaux. En effet, selon la théorie, chaque noyau d’uranium devait posséder davantage de neutrons que l’ensemble des deux fragments. Des neutrons excédentaires risquaient fort d’être libérés. Joliot le savait, et, pour lui, la question vitale était leur nombre. En effet, si chaque fission restituait au moins un neutron, celui-ci aurait une chance d’engendrer une nouvelle réaction, ce qui permettrait d’entretenir une chaîne, et si plusieurs neutrons étaient émis à chaque fission, leur nombre pouvait augmenter très rapidement. Les réactions en chaîne étaient déjà connues en chimie classique, et c’est à cette éventualité que Frédéric Joliot avait fait allusion dans son discours Nobel.
Dès février 1939, avec ses collaborateurs Hans von Halban et Lew Kowarski Joliot met donc en oeuvre une série d’expériences pour déceler d’éventuels neutrons de fission et étudier leurs caractéristiques. En très peu de temps, ces trois chercheurs trouveront des neutrons, montreront que ces particules possèdent une énergie élevée (supérieure à 2 MeV), et détermineront leur nombre. Le verdict de cette dernière expérience est sans appel. Le nombre moyen de neutrons accompagnant chaque fission est largement supérieur à 2. C’est un nombre très suffisant pour ouvrir la perspective de réactions en chaîne. Transposant ce qu’ils connaissent de la chimie classique, les chercheurs entrevoient déjà deux possibilités, une réaction « entretenue », où la fission se poursuivrait à un rythme contrôlé, libérant doucement son énergie, tel un feu qui brûle dans une cheminée, et une réaction explosive, où cette énergie serait délivrée brutalement. Pratiquement certain que ce phénomène aura des applications industrielles, Frédéric Joliot dépose en mai 1939 trois brevets au nom de la toute nouvelle Caisse nationale de la recherche scientifique, organisme précurseur du Centre national de la recherche scientifique (CNRS). Intitulé modestement « Dispositif de production d’énergie », le premier de ces brevets décrit l’ensemble des composants d’un réacteur nucléaire (combustibles possibles, ralentisseurs, absorbant et réflecteurs de neutrons), ainsi que les techniques de mise en marche, d’arrêt et de réglage du réacteur. Il propose aussi d’utiliser un fluide caloporteur pour le transfert de la chaleur hors du cœur. On y trouve ainsi les grands principes sur lesquels fonctionneront tous les réacteurs à neutrons thermiques construits par la suite. Le second brevet s’intitule « Procédé de stabilisation d’un dispositif producteur d’énergie » et donne les différentes manières d’absorber ou de ralentir les neutrons pour stabiliser une réaction en chaîne. Le troisième, « Perfectionnement aux charges explosives », propose les principes de la bombe atomique.
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