II. Des difficultés majeures rapidement surmontées...

Hahn et Strassman ont réalisé, quelques années avant le début du projet, la première fission. Par contre, même si elle a été démontrée théoriquement, aucune réaction en chaîne maîtrisée n'a encore été réalisée.

Le principe de cette réaction paraît simple : les neutrons supplémentaires émis par la fission d'un noyau peuvent à leur tour fissionner d'autres noyaux.

Mais, pour faire une réaction en chaîne, il faut avoir une quantité suffisante de matière fissile, appelée masse critique. Ce paramètre est essentiel, car si la quantité est trop peu importante, trop de neutrons émis sont perdus, et la réaction n’est pas entretenue. L’explosion ne peut dès lors plus avoir lieu.

Une masse de matériau fissile est donc qualifiée de critique lorsqu’elle est capable d’engendrer une réaction en chaîne. Plusieurs facteurs sont pris en compte dans le calcul de cette masse, comme la forme que prend la matière (sphère (forme compacte) : minimum de contact avec l’extérieur = moins de neutrons perdus), sa taille (le plus compact possible), sa pureté, et sa composition isotopique.

Elle se calcule avec la relation suivante, après une estimation du nombre de neutrons perdus :

 k=f-I : f est le nombre de neutrons relâchés en moyenne lors de la réaction en chaîne par la fission d’un atome, et I est le nombre de neutrons perdus (ils s’échappent du système ou ils sont capturés par d’autres atomes sans provoquer de fission).

Quand k<1, la masse est dite sub-critique.

Quand k=1, la masse est dite critique.

Quand k>1, la masse est dite super-critique.

La première réaction en chaîne auto-entretenue est réalisée le 2 Décembre 1942 par Enrico Fermi à l’université de Chicago, dans une ancienne salle de squash. La première pile atomique est constituée de 6 tonnes d’uranium et de 36 tonnes d’oxyde d’uranium entourées de 50.000 blocs de graphite pur (400 tonnes de carbone). Le graphite sert de modérateur de neutrons. Le contrôle du système est obtenu grâce à des barres de Cadmium immergées dans la masse, chargées d'absorber les neutrons libérés. Lorsqu'elles sont retirées, la réaction commence. Il suffit de les replonger dans la masse pour arrêter la réaction. Sa puissance est très faible (un demi watt), car Fermi a du la modérer à cause de l’absence de système pour absorber les radiations produites. 

Une fois que la masse critique est calculée, la structure de la pile est définie. Les travaux commencent en Novembre : deux équipes de "construction" se relaient presque 24 heures sur 24. La construction se fait évidemment dans le plus grand secret. 

Fermi et son équipe sont conscients de l'importance de leur tâche : le projet continue de son côté et le gouvernement investit pour mettre en place des usines. Mais tout dépend de leur succès : sans réaction en chaîne, pas de bombe atomique.

Le savant italien Fermi sera un vrai guide pour son équipe à travers les quelques mois de construction et d'expérimentation. Il montre ses capacités de leader et maitrise aussi sa science avec perfection (il est presque capable de déterminer quelle sera la dernière brique nécessaire pour commencer la réaction).

L'équipe de scientifiques de la pile de Chicago pour le quatrième anniversaire de sa conception.

Dernier rang, de gauche à droite : Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill, Robert G. Nobles, Warren Nyer, et Marvin Wilkening. Milieu : Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger, Leona W. Marshall, et Leo Szilard. Premier rang : Enrico Fermi, Walter H. Zinn, Albert Wattenberg, et Herbert L. Anderson.

Cette peinture de John Cadel montre la salle de la pile atomique de Fermi durant l'expérience. On voit, en haut à gauche, l'équipe de physcien au complet devant les instruments de contrôle. En haut à droite, c'est la pile elle-même: des couche d'uranium et de graphite consolidées par une structure de bois. En haut de la pile, on remarque un groupe de physiciens chargé d'inonder la pile avec une solution de Cadmium et de sels au cas où les barres de contrôle de fonctionnerai pas. On peut observer ces dernières en bas, sur l'image du milieu : George Weil est le scientifique chargé de manipuler les barres de Cadmium. Celle qu'il tient dans les mains est celle qui déclenche la réaction à mesure qu'il la retire.

L'expérience est un succès: une fois la barre de contrôle retirée, la pile entretient une réaction en chaîne. Les savants s'applaudissent alors et trinquent à leur exploit. Grâce à eux, la réaction en chaîne est une réalité.

Fermi a pu réaliser sa réaction en chaîne à partir d'uranium naturel (²³⁸U majoritaire) mais il en a eu besoin de plusieurs tonnes pour produire peu d'énergie. Son isotope fissile est en fait l'uranium 235, qui représente 0,7% du minerai. Il est impensable de faire une bombe en utilisant plusieurs tonnes d'uranium naturel. Un enrichissement est donc nécessaire car la masse critique est d’autant plus élevée que la concentration en isotope ²³⁵U est faible, car les neutrons peuvent être absorbés par un isotope 238 et donc ne pas entraîner de fission. L’uranium dit de « qualité militaire » est fortement enrichi, et se compose d’un taux de 80% à 90% de ²³⁵U. Un uranium enrichi à 85% a une masse critique d’environ 50 kilogrammes.

D'autre part, des équipes étudient les moyens de production de plutonium 239 (encore plus fissile que l'uranium) sous les directives de Glenn Seaborg, qui l'a découvert en 1941 grâce au cyclotron (un accélérateur de particules qui permet de désintégrer et fissionner des noyaux) inventé par Ernest Lawrence. 

Des énormes complexes industriels sont construits par Leslie Groves. Il a compris l'importance d'obtenir suffisamment de matière fissile rapidement et ne lésine pas sur les moyens. Pour l'uranium, plusieurs usines utilisant des méthodes différentes (afin de retenir la meilleure) sont installées:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          Le cyclotron de Lawrence. 

 

 

- Usine K-25 (Oak Ridge, Tennesee): La méthode utilisée est la diffusion gazeuse par hexafluorure d’uranium (UF₆) : les molécules d’hexafluorure d’uranium (UF₆), sous forme gazeuse, traversent des filtres ; les molécules contenant de l’uranium 235 les franchissent plus rapidement et au bout d’un nombre conséquent de ces barrières, le taux d’enrichissement des combustibles est obtenu. 

L'usine emploie 12 000 ouvriers. Sa construction, qui démarre avant que les plans soient terminé, coûte au total 500 millions de dollars.  

 

 

 

-Usine Y-12 (Oak Ridge, Tennessee): La méthode utilisée est la séparation électromagnétique (avec le calutron). Son principe est d’ioniser de l’uranium métallique (on obtient alors du tétrachlorure d'uranium), de l’accélérer puis de le dévier grâce à un champ magnétique. La différence de masse entre les deux isotopes induira une différence dans la trajectoire déviée, ce qui permet de récupérer seulement une partie (celle enrichie en uranium 235) du faisceau dévié. On utilise pour cela des calutrons (inventé aussi par Lawrence, le calutron repose sur le même principe que le cyclotron, l'utilisation d'un champ magnétique). Groves autorise la construction de 1152 enceintes ( 17 "pistes de courses") constituées de bobines d'argent qui produisent environ 1Kg de matière enrichie en 100 jours. C'est le ministre de la guerre Henry Stimson qui demande en 1942 au ministre des finances 13 000 tonnes de minerai d'argent (dont l'intégralité sera restituée après la guerre). L'usine consomme, au pic de son activité en 1945, 1% de l’électricité des Etats-Unis. Cette technique est beaucoup moins efficace que celle par diffusion gazeuse et elle est abandonnée en 1946. Cependant, certains calutrons restent en service pour la production d'isotopes médicaux jusqu'en 1998.

 

A gauche, une "piste de course" consituée de 96 bobines, ou calutrons (schéma ci-dessus). On peut les voir en bas à gauche, en forme de U. 

Il existe une troisième usine, S-50, qui utilise la technique de diffusion thermique  pour enrichir l'uranium. Peu efficace, elle est abandonnée après la guerre. Seule K-25 servira à l'enrichissement de l'uranium durant la guerre froide.

La ville d'Oak Ridge a été choisie pour ses vallées, qui permettent de dissimuler l'immense complexe industriel, et pour son fleuve qui permettait de produire une partie de l'énergie nécessaire au fonctionement des usines. Le village passe de 13 000 à 50 000 habitants suite à l'implantation des usines. Quasiment toute la population participe ainsi à l'effort de guerre.

Pour ce qui est du Plutonium 239, il est produit à partir de l’Uranium 238. L' ²³⁸U absorbe un neutron issu de la fission d'un atome d'²³⁵U et se transforme en  Neptunium 239, instable, après une désintégration β^- (émettant un électron). Le ²³⁹Np se transforme ensuite en Plutonium 239 (²³⁹Pu), après une autre désintégration β^-.

C'est le B-Reactor, dans la ville de Hanford (Washington), qui produit le Plutonium.

En 1945, les usines ont produit de quoi construire deux bombes au plutonium et une bombe à l'uranium. On peut souligner encore une fois l'importance des moyens utilisés par Groves: deux immenses complexes industriels sont installés en moins de trois ans, utilisant plusieurs techniques dont certaines seront abandonnées : Groves veut mettre toutes les chances de son côté afin d'obtenir suffisamment de matière fissile le plus rapidement possible. Oak Ridge lui coûte au total 1 milliard de dollars de l'époque (l'équivalent de 14 milliards de notre époque) et Hanford 400 millions de dollars. S'ajoute à cela le minerai d'argent prêté par le ministre des finances sans même le mettre au courant de l'utilisation qu'il va en faire. Leslie Groves et le gouvernement ne comptent pas : ils sont déterminés à posséder l'arme atomique.