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Gadget (bombe atomique)

Gadget est le nom de code donné à l'engin explosif expérimental ayant servi à produire la première bombe à fission nucléaire (bombe A) de l’Histoire. Sa conception et son assemblage sont le produit des recherches américaines menées sur les armes nucléaires pendant la Seconde Guerre mondiale dans le cadre du projet Manhattan[1]. Le l'engin produisit la première explosion atomique volontairement produite par l'Homme, au Nouveau-Mexique lors de l’essai désigné par le nom de Trinity.

Gadget
Image illustrative de l’article Gadget (bombe atomique)
Gadget partiellement assemblée sur sa tour lors de l'essai Trinity ; le physicien Norris Bradbury se tient près du dispositif.
Présentation
Type de bombe Bombe A Ă  plutonium
Constructeur Forces armées des États-Unis
DĂ©veloppement Projet Manhattan
Statut retiré du service
Utilisateurs
Drapeau des États-Unis États-Unis

Genèse

Le terme de « gadget » était, à l'époque du projet Manhattan, un euphémisme de laboratoire pour désigner une bombe[2]. Dès les origines du projet, en août 1944[1], la division de physique des armes fut ainsi baptisée « Division G », en référence au concept de gadget[3]. Le nom de gadget n'était alors pas spécifiquement utilisé pour désigné l'engin explosif destiné à l'essai Trinity, qui de fait en était encore à ses balbutiements[1]. Dès le commencement de l'assemblage de l'engin, le surnom de Gadget s'imposa naturellement, en parallèle de sa nomenclature officielle, « Y-1561 », qui s'appliqua aussi à l'engin baptisé par la suite Fat Man[4]. Ce dernier était d'ailleurs très proche, en termes de conception, du Gadget de Trinity, Fat Man différant principalement par le fait qu'il n'était non pas destiné à un tir expérimental, mais à un usage opérationnel au Japon. Ce faisant, l'engin utilisé à Nagasaki était muni d'une enveloppe balistique externe et d'une fusée d'allumage, et bénéficiait de quelques modifications mineures permises par les observations faites lors de Trinity.

Architecture

Généralité

Gadget obéit à une architecture bien plus complexe que celle utilisée pour la bombe A désignée par le nom de Little Boy, utilisée à Hiroshima trois jours avant l'explosion de Fat Man. Tout comme cette dernière, Gadget est conçue comme une bombe à implosion au plutonium 239[4], tandis que Little Boy est une bombe à assemblage par insertion à Uranium. Le choix de cet élément comme matériau fissile destiné à une arme était la conséquence de plusieurs constats : d'une part, la haute fissilité du Plutonium 239, en faisait un excellent candidat pour servir de réactif alternatif à l'Uranium, d'autre part, sa production (le Plutonium, élément principalement produit en réacteur, étant rarissime à l'état naturel) était montée en flèche grâce à la mise en route d'usines d'enrichissement de l'Uranium. Cependant, le Plutonium étant plus instable, l'architecture à insertion n'était pas envisageable. Les chercheurs de Los Alamos se tournèrent alors vers l'alternative plus complexe de la bombe à implosion.

Principes de la bombe A Ă  implosion

Une bombe à implosion repose non pas sur le déplacement de deux masses subcritiques l'une vers l'autre, mais par la compression rapide, synchrone, et à haute énergie de déformation, d'un ensemble de blocs de matière fissile disposés selon la forme d'une sphère, creuse ou pleine. La compression permet d'augmenter rapidement la densité du réactif, et ainsi atteindre une configuration supercritique, qui déclenchera la réaction de fission nucléaire et donc l'explosion. La mise en œuvre d'une arme à implosion est plus délicate que celle d'une arme à insertion : la compression de la matière fissile est réalisée à l'aide d'explosifs conventionnels, qui doivent être à la fois compacts, homogènes, puissants, et disposés avec une précision millimétrique tout autour de la sphère de matière fissile, afin de provoquer un front d'ondes de compression lui aussi parfaitement sphérique. La détonation de ces explosifs est déclenchée par un ensemble de détonateurs qui doivent être rigoureusement synchronisés et agencés pour que l'onde de compression ait une géométrie parfaite. En septembre 1943, le mathématicien John von Neumann avait proposé un modèle d'arme composé d'un cœur en matière fissile entouré par deux types d'explosifs produisant des ondes de choc de vitesses différentes. En alternant précisément les couches pour former une lentille explosive, il était possible de concentrer l'énergie vers le cœur de plutonium pour le comprimer à plusieurs fois sa densité initiale et atteindre une masse critique. Cette technique était particulièrement délicate à mettre en œuvre et tout le laboratoire de Los Alamos fut réorganisé en août 1944 pour se concentrer sur la création d'une arme à implosion fonctionnelle[5].

Solutions adoptées pour Gadget

Ecorché du coeur de Gadget, entouré de sa cellule de maintien en aluminium et uranium, et de l'assemblage de lentilles explosives.

Pour que la conception de Gagdet reste aussi simple que possible, les ingénieurs et physiciens du projet Manhattan ont dû explorer plusieurs solutions et trancher afin de garantir les chances de succès du tir expérimental, le tout premier du genre, et éviter un long feu, qui se solderait par l'échec de la réaction en chaîne, et provoquerait une explosion très localisée sans puissance nucléaire mais engendrant une forte radioactivité. Ils optèrent pour l'emploi d'un noyau fait de Plutonium 239 sphérique, tendre et malléable, bien que les calculs aient montré qu'un noyau creux permettrait une meilleure rentabilité énergétique du Plutonium au moment de l'explosion[6][7]. Cette conception fut baptisée architecture « Christy Core » ou « Christy pit »[8], du nom du physicien canadien Robert F. Christy, spécialiste des questions de criticité, qui s'attela à la conception d'un noyau adapté au cahier des charges de l'essai Trinity[6] - [9] - [10].

Les ingĂ©nieurs en charge de la conception du noyau choisirent d'employer la phase allotropique δ (delta) du Plutonium 239, mallĂ©able Ă  tempĂ©rature ambiante. L'Ă©lĂ©ment central de la bombe, le cĹ“ur, Ă©tait composĂ© de deux hĂ©misphères moulĂ©s et pressĂ©s de 92 millimètres de diamètre et d'une masse totale de 6 190 grammes. Ces derniers Ă©taient composĂ©s d'un alliage de plutonium — sous sa forme allotropique δ, la plus mallĂ©able et facile Ă  usiner — et de gallium, destinĂ© Ă  maintenir sa stabilitĂ© Ă  tempĂ©rature ambiante[11] - [12]. La dĂ©sintĂ©gration du plutonium gĂ©nĂ©rait une puissance de 15 watts chauffant le cĹ“ur Ă  une tempĂ©rature d'environ 40 °C[11]. Les demi-sphères possĂ©daient par ailleurs un revĂŞtement en argent ; mais des boursouflures apparurent sur ce revĂŞtement, qui furent recouvertes de feuilles d'or, et les cĹ“urs suivants reçurent un revĂŞtement en nickel, plus stable. Le cĹ“ur de Trinity n'Ă©tait composĂ© que de ces deux hĂ©misphères, mais les cĹ“urs ultĂ©rieurs furent Ă©quipĂ©s d'un anneau de section triangulaire, au niveau de la jonction des deux-demi sphères, pour Ă©viter que les neutrons ne puissent s'Ă©chapper et provoquer une prĂ©-dĂ©tonation[13].

Au centre du cĹ“ur de la sphère, se trouvait une petite cavitĂ© sphĂ©rique d'environ 25 millimètres de diamètre, destinĂ©e Ă  accueillir une source de neutrons, appelĂ©e « initiateur ». L'initiateur Ă©tait quant Ă  lui composĂ© de deux hĂ©misphères en bĂ©ryllium, entourant une plus petite sphère de bĂ©ryllium recouverte de polonium, Ă  la manière de « poupĂ©es russes » ; la compression de cet initiateur par les ondes de choc gĂ©nĂ©rĂ©es par les charges explosives devait ainsi provoquer une forte Ă©lĂ©vation de la tempĂ©rature, donc une fusion partielle et le mĂ©lange des deux composants, et gĂ©nĂ©rer un important influx de neutrons, dans toutes les directions de la sphère, destinĂ©s Ă  dĂ©clencher en retour la rĂ©action en chaĂ®ne du plutonium[14].

Dans l'assemblage final, le cœur en plutonium était placé au milieu de deux demi-cylindres en uranium. Cet élément surnommé slug était positionné à son tour dans une plus grande sphère en uranium, de centre creux, elle-même placée entre deux hémisphères en aluminium au contact des lentilles explosives. Cette conception, variante plus sophistiquée du simple assemblage de sphères sous la forme de poupées gigognes était liée à des questions de sécurité : le slug en uranium contenant les éléments destinés à la réaction nucléaire pouvait, en ayant cette forme cylindrique d'insert, être assemblé au dernier moment plus facilement et être maintenu aussi longtemps que possible à l'écart des explosifs. Le choix de l'uranium pour le slug et la sphère centrale était lié à sa densité, très élevée, qui permettrait de maintenir le cœur comprimé lors de la réaction en chaîne, et d'obtenir le meilleur rendement possible. Cet uranium n'était cependant pas enrichi, et n'était pas destiné à participer à la réaction en chaîne initiale, mais des études ultérieures de l'essai Trinity révélèrent qu'environ 30 % l'énergie de l'arme était en fait liée à la fission de l'uranium[15] induite par les neutrons rapides de l'explosion.

Schéma simplifié de l'assemblage du cœur de la bombe atomique Gadget, utilisée pour le test Trinity

Assemblage et préparation du test Trinity

Un essai d'assemblage de Gadget, sans les composants nucléaires et explosifs, fut réalisé avec succès par l'équipe de Norris Bradbury à Los Alamos le 3 juillet. Les lentilles explosives arrivèrent au laboratoire les 7 et ; chacune fut analysée par Bradbury et l'expert en explosifs George Kistiakowsky, qui choisirent les meilleures[16]. Les autres furent confiées à Edward Creutz (en), qui réalisa un essai de détonation près de Los Alamos[17]. Les premières analyses semblèrent montrer que les lentilles n'avaient pas explosé simultanément. Cela laissait penser que l'essai Trinity échouerait, mais Bethe étudia de manière approfondie les résultats durant la nuit, et conclut que tout avait fonctionné correctement[18].

L'assemblage final des Ă©lĂ©ments nuclĂ©aires commença le 13 juillet dans la ferme du ranch McDonald, dont la chambre principale avait Ă©tĂ© transformĂ©e en salle blanche. L'initiateur, assemblĂ© par Louis Slotin, fut placĂ© au centre des deux hĂ©misphères de plutonium. La sphère obtenue fut alors positionnĂ©e par Cyril Stanley Smith dans les demi-cylindres du slug ; les interstices furent comblĂ©s avec des feuilles d'or, et les deux moitiĂ©s du slug Ă©taient maintenues jointes par des vis en uranium. La capsule de 48 kilogrammes ainsi assemblĂ©e fut alors transportĂ©e Ă  la base de la tour, oĂą son sommet fut percĂ© pour permettre son accrochage Ă  un treuil[19]. HissĂ©e au sommet de Gadget, la capsule contenant le cĹ“ur fut descendue dans son centre via un espace crĂ©Ă© par le retrait de deux lentilles explosives. Au moment de son arrivĂ©e au niveau de la sphère percĂ©e en uranium, il s'avĂ©ra que la capsule Ă©tait trop large pour l'orifice. Robert Bacher rĂ©alisa que la chaleur dĂ©gagĂ©e par le plutonium avait entraĂ®nĂ© une dilatation de la capsule, tandis que le froid nocturne avait provoquĂ© une diminution de volume de la sphère en uranium[20]. La mise en contact des deux Ă©lĂ©ments permit un Ă©quilibrage thermique, et la capsule entra complètement dans son emplacement au bout de quelques minutes[20]. L'anneau de levage fut retirĂ©, et l'orifice dans la capsule comblĂ© par un bouchon en uranium. Un disque de bore fut placĂ© au sommet de la capsule et un bouchon en aluminium fut vissĂ© dans la sphère du mĂŞme mĂ©tal, avant que les deux lentilles explosives manquantes soient ajoutĂ©es. Le dernier Ă©lĂ©ment de l'enveloppe en duralumin fut mis en place, et l'assemblage fut achevĂ© vers 16 h 45 le 13 juillet[21].

Gadget fut hissĂ© jusqu'au sommet de la tour en acier de 30 mètres, oĂą se trouvait une plate-forme en bois et un abri rudimentaire en tĂ´le ondulĂ©e ; des matelas avaient Ă©tĂ© positionnĂ©s Ă  la base de la tour au cas oĂą le câble cĂ©derait[22]. Le choix d'une explosion en hauteur Ă©tait destinĂ© Ă  simuler un largage par un bombardier, et Ă  rĂ©duire la contamination radioactive du sol. Une Ă©quipe composĂ©e de Bainbridge, Kistiakowsky, Joseph McKibben et de quatre soldats dont le lieutenant Bush rĂ©alisa l'armement final peu après 22 h le 15 juillet[22].

  • Louis Slotin et Gadget en cours d'assemblage
    Louis Slotin et Gadget en cours d'assemblage
  • Gadget dans la tour du site d'essai de Trinity en attente de dĂ©tonation. Norris Bradbury est Ă  gauche, Boyce McDaniel Ă  droite.
    Gadget dans la tour du site d'essai de Trinity en attente de détonation. Norris Bradbury est à gauche, Boyce McDaniel à droite.
  • R. Oppenheimer supervisant l'assemblage final de Gadget
    R. Oppenheimer supervisant l'assemblage final de Gadget
  • PrĂ©paration de Gadget pour le levage sur la tour de tir de l'essai Trinity.
    Préparation de Gadget pour le levage sur la tour de tir de l'essai Trinity.

Le test Trinity

Pour le test de ce nouveau type d'arme, les scientifiques du projet Manhattan dĂ©siraient une bonne visibilitĂ©, un faible taux d'humiditĂ©, des vents faibles Ă  basse altitude et des vents orientĂ©s Ă  l'ouest Ă  haute altitude. Des conditions optimales furent prĂ©vues entre le 18 et le mais la confĂ©rence de Potsdam devait dĂ©buter le 16 et le prĂ©sident Harry S. Truman voulait que l'essai eut lieu avant. Le test fut donc planifiĂ© pour le au moment oĂą tous les Ă©lĂ©ments de la bombe devenaient disponibles[23]. Le 16 juillet, Ă  5 h 29 min 21 s (± 2 secondes)[24] du matin, Gadget explosa avec une Ă©nergie d'environ 20 kilotonnes de TNT. Les observateurs rapportèrent que les montagnes alentour furent Ă©clairĂ©es « plus brillamment qu'en plein jour » pendant une ou deux secondes tandis que les personnes prĂ©sentes au camp de base indiquèrent que la chaleur « Ă©tait aussi forte que dans un four ». Le son de l'explosion fut entendu Ă  plus de 160 kilomètres et le nuage en champignon s'Ă©leva jusqu'Ă  une altitude de 12 100 mètres[25]. La lumière produite par l'explosion fut quant Ă  elle visible jusqu'Ă  300 kilomètres de l'Ă©picentre.

Le public apprit formellement la réalité de l'explosion peu après le bombardement d'Hiroshima par le biais du rapport Smyth publié le 12 août 1945. Rédigé par le physicien Henry DeWolf Smyth, ce document retraçait l'histoire du projet Manhattan et donnait des informations sur l'essai Trinity avec des photographies[26]. Groves, Oppenheimer, des représentants du gouvernement et des journalistes se rendirent sur le site de l'essai en septembre 1945 en portant des surchaussures pour empêcher que leurs chaussures ne soient contaminées par les matières radioactives[27].

  • Le bunker S-10,000 utilisĂ© par les observateurs.
    Le bunker S-10,000 utilisé par les observateurs.
  • Scientifiques au point zĂ©ro en aoĂ»t 1945.
    Scientifiques au point zéro en août 1945.
  • Photographie aĂ©rienne du site après l'essai.
    Photographie aérienne du site après l'essai[28].
  • Jumbo après l'essai.
    Jumbo après l'essai.

Dans la fiction

Ce genre de bombes a inspiré les développeurs de jeux vidéo Black Isle Studios pour la série de jeux vidéo Fallout.

Notes et références

  1. Hoddeson et al. 1993, p. 307–308.
  2. « Robert F. Christy » [archive du ], Atomic Heritage Foundation (consulté le ).
  3. Hawkins, Truslow et Smith 1961, p. 228.
  4. Coster-Mullen 2012, p. 47–53.
  5. Hoddeson et al. 1993, p. 130-138, 245-247.
  6. Robert Christy, « Constructing the Nagasaki Atomic Bomb » [archive du ], Web of Stories (consulté le ).
  7. Hoddeson et al. 1993, p. 293.
  8. Hoddeson et al. 1993, p. 270–271, 293–294.
  9. Alex Wellerstein, « Christy's Gadget: Reflections on a death » [archive du ], Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog (consulté le ).
  10. « Hans Bethe 94 – Help from the British, and the 'Christy Gadget' » [archive du ], Web of Stories (consulté le ).
  11. Coster-Mullen 2012, p. 47-53.
  12. (en) Alex Wellerstein, « The third core's revenge », sur Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog.
  13. (en) Alex Wellerstein, « You don't know Fat Man », sur Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog.
  14. (en) Alex Wellerstein, « What did Bohr do at Los Alamos? », sur Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog.
  15. (en) Alex Wellerstein, « The Fat Man's uranium », sur Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog.
  16. Hoddeson et al. 1993, p. 365.
  17. Rhodes 1986, p. 657.
  18. Rhodes 1986, p. 661-663.
  19. Coster-Mullen 2012, p. 56-57.
  20. Coster-Mullen 2012, p. 49-50.
  21. Coster-Mullen 2012, p. 58.
  22. Hoddeson et al. 1993, p. 368-370.
  23. Hoddeson et al. 1993, p. 364.
  24. Gutenberg 1946, p. 327-330.
  25. Smyth 1945, p. 247-254.
  26. Smyth 1945, p. vii-viii, 138-139, 247-254.
  27. (en) « Science:Atomic Footprint », Time,‎ (lire en ligne).
  28. Le petit cratère dans le coin en bas Ă  gauche est celui qui avait Ă©tĂ© provoquĂ© par le test prĂ©liminaire avec 108 tonnes d'explosifs.

Bibliographie

  • (en) John Coster-Mullen, Atom Bombs: The Top Secret Inside Story of Little Boy and Fat Man, Waukesha, Wisconsin, J. Coster-Mullen, (OCLC 298514167)
  • (en) Lillian Hoddeson, Paul W. Henriksen, Roger A. Meade et Catherine L. Westfall, Critical Assembly: A Technical History of Los Alamos During the Oppenheimer Years, 1943–1945, New York, Cambridge University Press, (ISBN 0-521-44132-3, OCLC 26764320)
  • Alcante (scĂ©nario), BollĂ©e (scĂ©nario) et Rodier (dessin), La Bombe, Grenoble, GlĂ©nat, , 472 p. (ISBN 978-2-344-02063-0 et 2-344-02063-2, OCLC 1149551082, prĂ©sentation en ligne)
    Bande dessinée historique.

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