Bombe H

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Explosion de Ivy Mike, la première bombe H testée, le 1^er novembre 1952.

La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe thermonucléaire) est une bombe nucléaire dont l'énergie principale provient de la fusion de noyaux légers.

Les bombes H classiques sont divisées en deux étages :

Le fonctionnement du premier étage est celui d'une bombe A (sphère creuse de plutonium).
Le deuxième étage est constitué des combustibles de fusion ; c'est son fonctionnement qui constitue l'explosion thermonucléaire proprement dite.

Historique

Maquette de ce qui est présenté comme la première bombe H de l'arsenal nucléaire de la Chine. Le premier essai chinois, le H-Test n^o 6 (3,3 Mt), a eu lieu le 17 juin 1967.

Dès 1940, le physicien nucléaire hongro-américain Edward Teller entrevoit la possibilité d'utiliser l'énorme puissance thermique (permettant d'atteindre une température de 10⁸ K, soit cent millions de kelvins, ou de degrés Celsius^[1]) produite par l'explosion d'une bombe A pour déclencher le processus de fusion nucléaire. En 1941, Teller rejoint le projet Manhattan, qui a pour objectif de développer la bombe à fission.

Après des travaux préliminaires à Chicago avec Enrico Fermi, et à Berkeley avec Robert Oppenheimer, Teller se rend au laboratoire national de Los Alamos pour travailler sur la bombe atomique sous la direction d'Oppenheimer. Mais au vu de la difficulté à réaliser une bombe à fusion, la piste de la bombe H n'est pas suivie, à la grande déception de Teller.

En 1949, après que les Soviétiques ont fait exploser leur propre bombe à fission le 29 août, les analyses des services de renseignements américains démontrent que c'est une bombe utilisant le plutonium. Le monopole des États-Unis n'existe alors plus et la nouvelle cause un choc psychologique considérable. En effet, les Américains estimaient pouvoir conserver le monopole de l'arme nucléaire pendant une dizaine d'années. Ils s'engagent alors dans une nouvelle épopée, celle de la recherche d'une bombe encore plus puissante que la bombe à fission : la bombe à fusion.

Le président des États-Unis Harry Truman demande ainsi au laboratoire national de Los Alamos de développer une bombe fonctionnant grâce à la fusion des noyaux. Oppenheimer est contre cette décision, considérant qu'elle n'est qu'un autre instrument de génocide. Teller est alors nommé responsable du programme. Cependant, son modèle, bien que raisonnable, ne permet pas d'atteindre le but visé.

Le mathématicien polono-américain Stanislaw Marcin Ulam, en collaboration avec C. J. Everett, réalise des calculs détaillés qui montrent que le modèle de Teller est inefficace. Ulam suggère alors une méthode qui sera retenue. En plaçant une bombe à fission à une extrémité et le matériel thermonucléaire à l'autre extrémité d'une enceinte, il est possible de diriger les ondes de choc produites par la bombe à fission. Ces ondes compressent et « allument » le combustible thermonucléaire.

Au début, Teller infirme l'idée puis en comprend tout le mérite, mais suggère l'utilisation des radiations plutôt que des ondes de choc pour comprimer le matériel thermonucléaire. La première bombe H, Ivy Mike, explose sur l'atoll de Eniwetok (près de l'île de Bikini, dans l'océan Pacifique) le 1^er novembre 1952 et ce, à la satisfaction de Teller, malgré le désaccord d'une majeure partie de la communauté scientifique. Cette bombe était d'une puissance de 10,4 Mt.

L'« implosion par radiation » est maintenant la méthode standard pour créer les bombes à fusion. Les deux créateurs, Ulam et Teller, ont d'ailleurs breveté leur bombe H.

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)

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 partie haute ou partie primaire : c'est la bombe à fission (de type bombe A) qui, en explosant, entraîne une très forte augmentation de la température et par là 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 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^[2]. Cette approche est utilisée dans les armes modernes pour assurer une puissance suffisante malgré une diminution importante de la taille et du poids^[3].

Articles détaillés : Bombe A et Bombe à fission dopée.

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.

Une bombe à architecture Teller-Ulam est la même chose qu'une bombe à fission-fusion-fission.

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) :

$D + T\longrightarrow ^4He + n + \ 17.6 MeV$
$D + D \longrightarrow \ ^3He + n + \ 3.3 MeV$
$D + D \longrightarrow T + p + 4.0 \ MeV$
$T + T \longrightarrow ^4He + 2n$
$^3He + D \longrightarrow ^4He + p$
$^6Li + n \longrightarrow T + ^4He$
$^7Li + n \longrightarrow T + ^4He + n$

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 14,1 MeV, ce qui est suffisant pour provoquer 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^[4].

L'explosion d'une bombe H se déroule sur un intervalle de temps très court : 6 • 10^-7 s, soit 600 nanosecondes. La réaction de fission réclame 550 nanosecondes et celle de fusion 50 nanosecondes.

Après l'allumage de l'explosif chimique, la bombe à fission se déclenche.
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.
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.
Compressé et porté à de très hautes températures, le deutérure de lithium (⁶LiD) démarre la réaction de fusion. On observe généralement ce type de réaction 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.
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 détone 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…

Puissance et effet de l'explosion

Article détaillé : Explosion atomique.

Les bombes thermonucléaires ont des effets qualitativement semblables aux autres armes nucléaires. Cependant, elles sont généralement plus puissantes que les bombes A, donc les effets peuvent être quantitativement beaucoup plus importants.

Une valeur « classique » de l'énergie dégagée par l'explosion d'une bombe à fission est d'environ 14 kt de TNT (soit 14 000 tonnes ), une tonne de TNT développant 10⁹ calories, soit 4,184×10⁹ joules. De par leur conception, la valeur maximale ne dépasse guère 700 kt.

En comparaison, les bombes H seraient théoriquement au moins 1 000 fois plus puissantes que Little Boy, la bombe à fission larguée en 1945 sur Hiroshima. Par exemple, Ivy Mike, la première bombe à fusion américaine, a dégagé une énergie d'environ 10 400 kt (10,4 Mt). L'explosion la plus puissante de l'Histoire fut celle de la Tsar Bomba soviétique qui devait servir de test à des bombes de 100 Mt : sa puissance était de 57 Mt. Ce fut une bombe de type « FFF » (fission-fusion-fission) mais « bridée » : le 3^e étage étant inerte. Khrouchtchev expliquera qu'il s'agissait de ne pas « briser tous les miroirs de Moscou ».

L'énergie maximale dégagée par une bombe à fusion peut être augmentée indéfiniment (du moins sur le papier). La Tsar Bomba dégagea 2,84×10¹⁷ joules.

Les autres bombes H

Bombes russes

La structure de certaines bombes H soviétiques puis russes utilise une approche différente, en couches au lieu des composants séparés, ce qui permit à l'URSS d'avoir les premières bombes H transportables (et donc aptes à être utilisées en bombardement). La première explosion de bombe H soviétique s'est produite le 12 août 1953. L'URSS utilisera par la suite le concept Teller-Ulam, (re)découvert par Andreï Sakharov^[5].

Bombes des autres pays

Les Britanniques n'eurent pas accès à la technologie américaine pour concevoir leur bombe à fusion et tâtonnèrent jusqu'en 1957 pour réussir à produire une bombe de plusieurs mégatonnes.

La République populaire de Chine (1967) et la France (1968) ont construit et testé des bombes « H » mégatonniques. À cause du secret qui entoure les armes nucléaires, la structure Teller-Ulam a été « réinventée » (en France par Michel Carayol).

L'Inde prétend avoir fait de même, mais plusieurs experts, en se référant aux enregistrements sismographiques, contestent ce résultat.

Bombe H « propre »

Les militaires parlent de bombe H « propre » lorsque moins de 50 % de son énergie totale provient de la réaction de fission. En effet, la fusion seule ne produit directement aucun composé radioactif^[6]. Les retombées radioactives d’une bombe H « propre » seraient donc a priori moins importantes que celles d’une bombe A classique de même puissance, alors que les autres effets restent tout aussi dévastateurs. La différence provient de la conception de l'étage de fusion. Si le tampon est en uranium, alors il fissionnera, libérant ainsi la moitié de la puissance de la bombe, mais provoquant 90 % des retombées radioactives. En le remplaçant par un tampon en un autre métal lourd, mais non fissible, comme le plomb, la bombe perdra la moitié de sa puissance, mais avec des retombées bien plus faibles.

Bombes à fusion « célèbres »

Ivy Mike, une bombe américaine, fut la première bombe H à être testée. Elle a explosé sur l'atoll d'Eniwetok (dans les îles Marshall) le 1^er novembre 1952. Elle avait une puissance de 10,4 Mt.

Le test Castle Bravo avec une puissance de 15 mégatonnes (Bikini, 1954).

Castle Bravo est le nom de la plus puissante bombe H testée par les États-Unis. D'une puissance de 15 Mt, l'explosion eut lieu sur l'atoll de Bikini (dans les îles Marshall), le 1^er mars 1954.

Tsar Bomba est le nom de la bombe H la plus puissante de toute l'histoire, une bombe H à trois étages développée par l'Union soviétique. D'une puissance estimée de plus de 50 Mt, 57 Mt selon plusieurs sources, elle explosa le 30 octobre 1961 sur l'archipel de la Nouvelle-Zemble (sur le « site C » de Soukhoï Nos 73° 51′ N 54° 30′ E / 73.85, 54.5), lors d'une démonstration de force effectuée par les Soviétiques. Il s'agit de la plus puissante explosion nucléaire d'origine humaine de l'histoire.

Parmi les accidents impliquant des bombes H opérationnelles, deux ont été particulièrement célèbres :

l'accident nucléaire de Palomares a eu lieu à Palomares près d’Almérie en Espagne le 17 janvier 1966. Un Boeing B-52, contenant quatre bombes H, explosa après une collision en vol. L’une d’elles est tombée près de la côte espagnole et une autre est tombée près de Palomares. Ces bombes ont été récupérées depuis^[7].

Un autre accident a eu lieu à la base aérienne de Thulé (Groenland) le 21 janvier 1968. Un B-52 contenant quatre bombes H s'est écrasé près de Thulé. Les quatre bombes ont été détruites dans l'explosion et leur contenu radioactif s'est échappé^[8]^,^[9].

Cependant, le caractère thermonucléaire de ces bombes n'intervint pas dans ces accidents, l'allumage correct de l'étage secondaire étant impossible dans des circonstances accidentelles.

Notes et références

↑ Aux hautes températures, les échelles Kelvin et Celsius se confondent, car l'écart entre les deux échelles (273,16 K ou °C) est alors négligeable.
↑ D'après The Department of Energy's Tritium Production Program, Richard E. Rowberg, Clifford Lau, 1997.
↑ Federation of American Scientists, Nuclear Weapon Design
↑ D'après Lithium 6 for thermonuclear weapons, Donald McIntyre
↑ http://nuclearweaponarchive.org/Russia/Sovwpnprog.html section The Soviet Thermonuclear Weapons Program (Part 2): 1954-1955
↑ Indirectement, les neutrons ionisent la matière, et peuvent « activer » les éléments stables, en produisant des éléments radioactifs, par capture neutronique.
↑ Article
↑ La bombe nucléaire américaine du Groenland n'a jamais existé, lemonde.fr, 03/08/09
↑ conclusions sur le site du DIIS, 29/07/09

Annexes

Liens externes

(en) Born Secret Description et mise sous secret du fonctionnement de la bombe H.

Bibliographie

Richard Rhodes, Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb, Touchestone/Simon & Schuster, 1996. (ISBN 0-684-824140)
Bernhard Bröcker, Atlas de la physique atomique et nucléaire, Le Livre de poche, 1997.

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