Pile atomique expérimentale du Haigerloch

Werner Heisenberg, à partir de 1942 directeur de l'Institut de Physique Kaiser Wilhelm.

L'objectif du projet allemand pendant la Seconde Guerre mondiale était de pouvoir maîtriser la fission nucléaire découverte en 1938 par Otto Hahn et Fritz Straßmann . Dans une série d'essais, appelés "essais à grande échelle", les découvertes de la recherche fondamentale allemande pour générer de l'énergie à partir d'uranium devaient être confirmées par la pratique. À cette fin, l'uranium naturel de l'eau lourde a été bombardé avec des neutrons comme modérateur et la multiplication des neutrons qui en a résulté a été observée. Les chercheurs allemands parlaient non pas d'un réacteur, mais d'une "machine à uranium" ou d'un "brûleur à uranium"[1].

• Sous la direction du lauréat du prix Nobel Werner Heisenberg, un total de sept expériences à grande échelle, nommées B ₁ à B ₇, ont été réalisées à l' Institut Kaiser Wilhelm de physique à Berlin-Dahlem de 1941 à 1944. Les physiciens ont examiné des plaques d'uranium métal de différentes épaisseurs pour leur réactivité avec un succès croissant[2].
• Dans une deuxième installation d'essai à Leipzig, Heisenberg et ses collaborateurs ont effectué quatre autres essais L ₁ à L ₄ en 1941 et 1942 avec de l'oxyde d'uranium dissous dans de l'eau lourde. Après deux accidents mineurs, cette piste a été abandonnée et depuis lors, seul l'uranium a été utilisé[2].
• Au même moment, un autre groupe, dirigé par Kurt Diebner, travaillait sur des expériences similaires sur le site d'essai de Gottow près de Berlin. Dans leurs trois expériences G ₁ à G ₃ en 1942 et 1943, des cubes d'uranium ont été utilisés à la place des plaques avec de bons résultats ; en plus de l'eau lourde, la paraffine a également été utilisée comme modérateur. Les groupes Heisenberg et Diebner se disputaient les ressources pour leurs essais[2].

Carte des terres de Hohenzollern

En 1943, toutes les grandes villes allemandes sont menacées par les bombardements alliés. Par conséquent, les autorités allemandes décident de déplacer l'Institut Kaiser Wilhelm de physique dans une zone plus rurale. L'idée d'utiliser la province de Hohenzollern à cette fin vient probablement du chef du département de physique du Conseil de la recherche du Reich, Walther Gerlach, qui avait étudié puis enseigné à l' Université de Tübingen et connaissait dont l'endroit. Cette région avait jusque-là été largement épargnée par les raids aériens, ce qui plaidait en sa faveur. De plus, les scientifiques impliqués avait moins de chance d'être capturés par les troupes soviétiques, en cas de défaite[3].

L'Institut de physique Kaiser Wilhelm a donc été transféré à Hechingen, à 15 kilomètres de Haigerloch, et y a été installé dans les usines textiles Grotz et Conzelmann et dans la brasserie de l'ancien monastère franciscain de Sankt Luzen. Le déménagement s'est déroulé en plusieurs étapes. Le premier tiers de l'institut a déménagé à Hechingen fin 1943, suivi dans le courant de 1944 par Carl Friedrich von Weizsäcker et Karl-Heinz Höcker alors en poste à l'Université de Strasbourg et enfin par Werner Heisenberg lui-même. L'Institut Kaiser Wilhelm de chimie a été déménagé en parallèle à proximité de Tailfingen avec Otto Hahn et Max von Laue[3].

En janvier 1945, seuls Karl Wirtz, Kurt Diebner et quelques techniciens de l'Association pour l'Uranium restèrent à Berlin. Karl Wirtz était en train de mettre en place le plus grand test de réacteur à ce jour dans le bunker encore intact de l'institut Dahlem alors que l'Armée rouge était à 80 kilomètres de Berlin. En conséquence, on décide le 27 janvier 1945 de tout annuler et d'évacuer tous les scientifiques et le matériel vers le sud de l'Allemagne[3].

L'entrée actuelle de la cave rocheuse avec la couche de chaux et l'église du château

Le 29 Le 1er juillet 1944, une cave à pommes de terre et à bière du Schwanenwirt d'Haigerloch est louée pour 100 Reichsmarks par mois comme nouvel emplacement du réacteur de recherche de Berlin[4]. Cette cave troglodyte a été creusée au début du XX^e siècle, en vue de la construction de tunnel ferroviaire. Il a été percé dans une colline et est protégé contre les attentats à la bombe par une couche de calcaire coquillier de 20 à 30 mètres d'épaisseur[5].

Le tunnel mesurait environ 20 mètres de long et trois mètres de haut. Il avait une section trapézoïdale, avec un plafond d'environ quatre mètres de large pour un sol d'environ cinq mètres de large. Le tunnel était supporté sur toute sa longueur par des étaies en bois espacées de deux mètres. Un petit porche en masquait l'entrée.

Une fosse cylindrique de trois mètres de profondeur a été creusée pour le réacteur dans la partie arrière de la cave troglodyte. Une grue de transport était installée sur le plafond de la cave et un générateur diesel était dans la brasserie abandonnée située de l'autre côté de la rue. Fin 1944, les travaux de conversion du Felsenkeller, déguisé en "Centre de recherche sur les cavernes", a tellement progressé que la construction de la pile atomique peut démarrer[5].

le 31 janvier 1945, Gerlach, Wirtz et Diebner quittent la capitale à la tête d'un petit convoi, suivi de camions chargés de plusieurs tonnes d'eau lourde, d'uranium, de graphite et de matériel de génie.

Après une nuit de route, le convoi s'est arrêté à 240 kilomètres au sud de Berlin dans la ville thuringienne de Stadtilm, où le groupe de travail de Diebner avait déménagé dès l'été précédent. Gerlach pense que le laboratoire de Diebner est plus avancé que celui d'Heisenberg et décide d'y déverser le contenu des camions. Très contrarié par ce changement de plan, Wirtz contacte Heisenberg à Hechingen, qui part immédiatement pour Stadtilm avec von Weizsäcker[6].

Une fois arrivé, Heisenberg tente de convaincre Gerlach d'apporter les matériaux à Haigerloch. Les deux hommes partent le 12 février 1945 pour prendre connaissance de la situation, sur place. Après que Gerlach se soit assuré que le Felsenkeller était plus approprié comme nouvel emplacement pour le réacteur, il a accepté un nouveau déménagement[6].

Quatre semaines après avoir quitté Berlin, 1,5 tonne d'uranium, 1,5 tonne d'eau lourde, 10 tonnes de graphite et une petite quantité de cadmium arrivent, fin février 1945, à Haigerloch. L'uranium avait été extrait à Sankt Joachimsthal dans les Sudètes et provenait de la société Degussa. L'eau lourde a été produite par Norsk Hydro en Norvège. De plus, le physicien Fritz Bopp de Berlin a fait voler un échantillon de 500 milligrammes de radium - béryllium comme source de neutrons[6].

Croquis du réacteur de recherche

La disposition spatiale des cubes d'uranium dans un réseau cubique à faces centrées

Les travaux de construction de la pile expérimentale débutent dès l'arrivée des matériaux radioactifs à Haigerloch. Von Weizsäcker et Wirtz ont travaillé à la construction et aux expériences. Heisenberg lui-même a géré le projet depuis Hechingen, faisant souvent des allers-retours entre les deux villes. En plus de Bagge et Bopp, d'autres scientifiques locaux sont impliqués dans le projet, tels Korsching et Erich Fischer[7].

L'enveloppe extérieure du réacteur est constituée d'un cylindre en béton dans lequel est insérée une chaudière en aluminium d'un diamètre de 2,11 mètres et d'une hauteur de 2,16 mètres. Cette chaudière repose sur des poutres en bois placées au sol. L'espace entre ces poutres est rempli d' eau non radioactive. Une autre coque en alliage de magnésium très léger d'un diamètre de 1,24 mètre et de la même hauteur a été insérée dans la coque en aluminium. Le réservoir en magnésium avait déjà été utilisé dans les essais à grande échelle B ₆. Celui en aluminium avait été utilisé pour la première fois dans l'essai à grande échelle B ₇ . Les deux chaudières ont été fabriquées par une société berlinoise : la Bamag-Meguin[8].

Entre ces deux chaudières on a intercalé une couche de graphite de 43 centimètres d'épaisseur, pesant 10 tonnes, qui sert de réflecteur de neutrons et de bouclier. Le graphite a été utilisé comme réflecteur pour la première fois dans le précédent essai à grande échelle B _7. [9] Le couvercle de la chaudière intérieure est constitué de deux plaques de magnésium, entre lesquelles se trouvait également une couche de graphite[8].

Au total, la pile contient 664 cubes en uranium d'une longueur d'arête de cinq centimètres et d'une masse de 2,4 kilogrammes chacun. Ils sont attachés à 78 fils d'aluminium sur ce couvercle. 40 fils contenaient neuf cubes chacun, les 38 fils restants contenaient huit cubes chacun. Les cubes d'uranium représentent un poids total de 1,58 tonne. Ils sont descendus dans le récipient intérieur à l'aide de la grue et l'ensemble est fermé par le couvercle. Dans ce réseau cubique à faces centrées, les cubes d'uranium sont disposés dans les coins et dans les points centraux d'un cube imaginaire. Les cubes d'uranium étaient distants de 14 centimètres les uns des autres.

Le schéma avec les cubes d'uranium décalés a été utilisé pour la première fois en 1943 par Diebner dans le test à grande échelle G ₃ dans l'installation de test du Bureau des armes de l'armée à Gottow. Des plaques d'uranium avaient déjà été utilisées dans les tests de Berlin, mais avec de moins bons résultats. À l'origine, les physiciens voulaient tester une construction faite de cylindres d'uranium suspendus, comparables aux barres de combustible actuelles. Cependant, il n'y avait plus assez de temps pour produire de tels cylindres et les chercheurs ont donc décidé de réutiliser des cubes, issus des des expériences de Diebner. Ceux ci n'avaient toutefois pas une taille idéale pour leur expérience (6 à 7 centimètres)[8].

La source de neutrons au radium-béryllium peut être introduite au centre du réacteur par une cheminée. L'eau lourde a également été versée dans la cuve interne du réacteur par la cheminée. De plus, il y a des ouvertures dans le couvercle à travers lesquels des détecteurs de neutrons sont insérés. De cette manière, la distribution spatiale des neutrons dans l'ensemble de l'arrangement a pu être mesurée en utilisant la symétrie cylindrique. Les travaux de construction du réacteur sont achevés durant la première semaine de mars 1945[10].

Schéma d'une réaction en chaîne de fission nucléaire, ici avec un facteur de multiplication de 2

Dans l'expérience à grande échelle B ₈, une réaction en chaîne de fission nucléaire devait être provoquée et observée par bombardement neutronique d'uranium. Ces expériences de recherche fondamentale ont pour but d'utiliser les mesures produites pour déterminer autant que possible les paramètres physiques nucléaires associés, tels que les sections efficaces . Ces découvertes, nécessaires pour les utilisations civiles de la fission nucléaire, sont également utiles pour des utilisations militaires. Certains chercheurs espéraient également atteindre la criticité du système et ainsi déclencher une réaction de fission en chaîne auto-entretenue[11]. Ils ne savaient pas que dès décembre 1942, Enrico Fermi et ses collaborateurs du réacteur nucléaire Chicago Pile 1 aux États-Unis avaient réussi avant eux.

Cependant, la pile atomique n'a aucun moyen de réguler une condition critique car il n'a ni barre de contrôle, ni un système de vidange rapide de l'eau lourde. Si la densité de flux de neutrons mesurée et donc la vitesse de réaction nucléaire devait trop augmenter, il est prévu d'interrompre l' expérience, avant d'atteindre l'état critique, en retirant rapidement la source de neutrons et en mettant fin à l'alimentation en eau lourde[1]. Si, contre toute attente, la centrale était devenue incontrôlable, le morceau de cadmium, qui agit comme un absorbeur de neutrons, aurait été projeté dans le réacteur par la cheminée, interrompant ainsi la réaction en chaîne. Cependant les physiciens auraient été exposés à une forte dose de rayonnement, car le système était insuffisamment protégé contre les rayonnements au sommet[10].

Les chercheurs savent que leurs travaux peuvent être utilisés à des fins militaires. tout d'abord, Heisenberg a déjà informé l'Heereswaffeamt fin 1939 que l'uranium 235 était un puissant explosif nucléaire . Von Weizsäcker a également souligné très tôt qu'il pourrait être utilisé comme arme et qu'un nouvel élément fissile - connu plus tard sous le nom de plutonium - serait créé dans des réacteurs à uranium[12]. Si les expériences menées à Haigerloch auraient pu conduire à la confirmation de ces supputations, de nombreuses années de travaux de recherche approfondis auraient été nécessaires pour développer des armes opérationnelles[13].

Intérieur du réacteur et cube d'uranium (réplique)

Les réservoirs d'eau lourde (réplique)

Lors de l'expérience de début mars 1945, Heisenberg est également présent dans ce centre d'essai souterrain, « assis et calculant sans cesse »[14]. Une fois le réacteur fermé et la source de neutrons placée dans la pile, l'eau lourde est soigneusement versée dans la cuve interne du réacteur.

L'alimentation en eau est stoppée à intervalles réguliers, le temps de surveiller la multiplication des neutrons grâce à des sondes. En appliquant l'inverse de l'intensité neutronique mesurée à la quantité d'eau lourde introduite - une idée de Heisenberg - les scientifiques ont pu prédire le niveau d'eau auquel le réacteur atteindrait son niveau critique[10].

Cependant, la criticité n'est pas atteinte à la fin de l'expérience. La densité de neutrons a augmenté de 6,7 fois. Bien que cette valeur soit deux fois plus élevée que celle obtenue lors de la tentative précédente, elle reste toujours insuffisante pour obtenir une réaction nucléaire en chaîne auto-entretenue. Le facteur de multiplication des neutrons était k = 0,85 ; la criticité aurait correspondu à k =1. Des calculs ultérieurs ont montré que le système aurait dû être environ une fois et demie plus grand pour devenir critique[10].

Cependant, les chercheurs n'ont ni le temps ni suffisamment d'uranium et d'eau lourde pour reconstruire une autre pile car l'usine d'eau lourde de Norsk Hydro à Rjukan a déjà été détruite par des bombardiers britanniques en novembre 1943 et, en septembre 1944, l'usine de Degussa à Francfort-sur-le-Main a également été durement touchée par un raid aérien[15].

Dans une dernière tentative pour atteindre l'état critique, Heisenberg veut amenerles stocks d'eau lourde et d'uranium qui restent de Stadtilm à Haigerloch. De plus, il veut jeter toute théorie au vent et apporter de l'oxyde d'uranium dans le bouclier de graphite. Wirtz a découvert lors des dernières mesures que le graphite serait un meilleur modérateur qu'on ne le pensait auparavant. Cependant, les chercheurs sont incapable de contacter Stadtilm car le réseau de communication allemand, n'est plus opérationnel[16].

Nous n'avons pas de détails plus précis sur cette installation et le déroulement de cette expérience. En effet, les rapports d'expérience originaux [7] ont été récupéré par les forces armées américaines[17]. Cependant, Heisenberg et Witz ont rédigé une description globale de leurs huit expériences à grande échelle, vers 1950[1]. Lors d'une analyse ultérieure de deux fragments de cube d'uranium de Haigerloch par l' Institut des éléments transuraniens du Centre de recherche de Karlsruhe, il s'est avéré que l'uranium n'avait pas été suffisamment irradié par les neutrons pour que du plutonium puisse être détecté.

L'absence de plutonium indique que les chercheurs allemands était encore loin d'obtenir une réaction nucléaire en chaîne avec le dispositif et donc, d'avoir la possibilité de créer une bombe atomique[18].

Boris Pash (à droite) lors de la mission Alsos III à Hechingen

Samuel Goudsmit (à droite) lors de la mission Alsos III à Stadtilm

Les Alliés soupçonnent depuis longtemps que des chercheurs allemands travaillent sur une bombe atomique. L'objectif de l'unité spéciale américaine Alsos, fondée en 1943 dans le cadre du projet Manhattan sous le général Leslie R. Groves, est de trouver et de mettre en sécurité les installations de recherche nucléaire allemandes, et enfin de capturer les principaux scientifiques nazis. De cette façon, non seulement le propre programme d'armement nucléaire pourraient progresser, tout en privant l'Union soviétique et les autres puissances alliées de ces précieuses connaissances. Le chef militaire de la mission est le lieutenant-colonel Boris Pash, l'équipe scientifique est dirigée par le physicien d'origine néerlandaise Samuel Goudsmit[19].

Jusqu'à fin 1944, les Américains ne savaient pas exactement où en sont les recherches allemandes. La mission Alsos I en Italie au cours de l'hiver 1943/44 a été largement infructueuse. Ce n'est que fin novembre 1944, lors de la mission Alsos II en France, que des lettres d'autres membres de l'Association de l'Uranium ont été retrouvées dans le bureau de Weizsäcker à l' Université de Strasbourg. Les américains en ont conclus que l'Allemagne n'avait pas de bombe atomique et n'en produirait pas non plus dans un avenir proche[20]. Cependant, parmi ces documents, certains indiquent l'existence d'un laboratoire de recherche suspect dans la future zone d'occupation française à Hechingen. Pour devancer les troupes françaises, Groves et Pash envisagent d'attaquer le site par les airs avec des parachutistes ou de le détruire par des bombardements. Le physicien Samuel Goudsmit a cependant réussi à convaincre les américains que le projet nazi ne valait pas la peine de déployer de tels efforts, et ils ont donc opté pour une opération terrestre[21].

Les premières unités spéciales de la mission Alsos III ont traversé le Rhin, avec la 7^e armée américaine, le 26 mars 1945. Le 30 mars 1945, elles capturent les physiciens Walther Bothe et Wolfgang Gentner à Heidelberg, alors qu'ils travaillent sur leur cyclotron. Samuel Goudsmit apprend alors que les dispositifs de recherche nucléaire du projet uranium ont été relocalisées à Haigerloch, près de Hechingen, et à Stadtilm, dans la future zone d'occupation soviétique. Le lieutenant-colonel Boris Pash décide de se rendre d'abord à Stadtilm pour devancer l'armée soviétique. Ils réussissent à y arriver environ trois semaines avant les forces russes, mais Diebner a déjà fui avec son état-major et son matériel vers Munich, dans la future zone d'occupation . Il ne leur reste plus qu'à empêcher que le réacteur de Haigerloch ne tombe aux mains des Français[22].

Le démantèlement du réacteur par les membres de la mission Alsos III

L'armée française arrive le 22 avril 1945 à Haigerloch, mais les troupes n'ont pas remarqué le laboratoire nucléaire souterrain. La mission Alsos est arrivée dans la zone d'occupation française un jour plus tard dans le cadre de l'opération Harborage. Elle trouve l'appareil et le démantèle le lendemain. À ce moment, les Américains réalisent que la recherche allemande est en retard de plus de deux ans sur la leur[23] et que les moyens dont disposent les chercheurs allemands sont très inférieurs à ceux du projet Manhattan.

La découverte de cubes d'uranium enfouis

Les scientifiques allemands arrêtés sont toutefois persuadés que leurs travaux sont plus avancés que ceux des Américains se montent peu coopératifs. Ils ont retiré les cubes d'uranium et l'eau lourde de l'installation pour les cacher. Après un interrogatoire de plusieurs heures, les Américains réussissent à arracher à Wirtz et von Weizsäcker l'emplacement des caches en leur promettant qu'ils pourraient reprendre leurs essais après la guerre sous la protection des Alliés. 659 des 664 cubes d'uranium ont été retrouvés enterrés dans un champ près de l'église du château, l'eau lourde avait été transportée dans la cave d'un ancien moulin. Weizsäcker a caché l'ensemble des documents scientifiques, y compris les compte-rendu des expériences, dans la fosse septique de sa maison à Hechingen[24].

Les matériaux et les résultats des recherches sont emportés par les Américains et acheminés aux États-Unis via Paris[24]. Les parties de l'usine de réacteurs qui n'ont pas pu être enlevées ont été détruites par une série de petites explosions, après que le pasteur de l'époque ait convaincu les Américains de ne pas utiliser de fortes charges pour ne pas endommager l'église baroque du château située juste au-dessus. Un groupe de militaires français, dirigé par le physicien Yves Rocard, ont cherché l'usine peu après les troupes américaines. Il n'a trouvé qu'un morceau d'uranium provenant d'un laboratoire, de la taille d'un morceau de sucre. Néanmoins, des pièces du réacteur, comme les briques de graphite de haute pureté, ont été recyclées dans le premier réacteur nucléaire français ZOÉ[25].