D’où vient l’énergie de la bombe atomique ?

J’ai vu récemment sur un magazine en ligne un article sensé expliquer le plus simplement du monde le fonctionnement d’une bombe atomique. L’apocalypse pour les nuls en somme. Le résultat - le premier essai en tous cas - était une catastrophe, un Fukushima pédagogique. L’article, en plus des erreurs factuelles, ne formulait pas une question essentielle: «pourquoi y a-t-il autant d’énergie dans une bombe atomique?» Évidemment, formuler une réponse claire n’est pas si facile. Alors prenez ce qui suis pour un exercice.

Quand elle explose, une bombe atomique libère une quantité énorme d’énergie, équivalente à des millions de fois celle d’une bombe classique, alors que le volume et la masse sont du même ordre. On à l’habitude d’en comparer les effets mécaniques avec la quantité d’explosif chimique (du TNT - Trinitrotoluène) qui produirait une explosion équivalente. Et on doit parler en kilotonnes (milliers de tonnes) ou mégatonnes (millions de tonnes). Et ces unités ne rendent pas compte des effets thermiques ou radiologiques. Ce concentré d’énergie procure à la nation qui possède la bombe une puissance politique importante et parfois disproportionnée.

Une explosion atomique à fission produit une détonation équivalente à des dizaines de milliers de tonnes de TNT.



Mais d’où sort cette énergie ?

De différentes manières, la matière peut stocker d’importantes quantités d’énergie. Qu’on pense à un réservoir de barrage ou un ressort de montre, et on a une idée de ce qu’est cette énergie potentielle. A petite échelle, celle des molécules ou des noyaux d’atomes, l’énergie potentielle est liée aux forces qu’exercent ces constituants les uns sur les autres. En passant d’une configuration riche en énergie à un autre qui en contient moins, le surplus est libéré sous forme de rayonnement et de chaleur. On parle d’une réaction exothermique - le ressort se détend. Inversement, si l’état final contient plus d’énergie que l’état initial, c’est que la réaction en a absorbé. On parle alors de processus endothermique - on retend le ressort.

Les réactions avec des molécules, c’est de la chimie.

Certains composés chimiques se prêtent bien au stockage de l’énergie. Prenons l’exemple de l’hydrogène. L’électrolyse de l’eau décompose cet élément connu pour être parfaitement incombustible en deux gaz, l’oxygène et l’hydrogène. Là, on stocke l’énergie électrique sous forme chimique. Ensuite, si on brûle l’hydrogène dans l’oxygène, on récupère l’énergie initiale sous forme de chaleur (moins les pertes de rendement). On récupère aussi la quantité d’eau que l’on avait électrolysée au départ. Ressort tendu, puis relâché.

Le réservoir de la navette était rempli d’hydrogène et d’oxygène qui peuvent être produits à partir d’eau et de beaucoup d’énergie. Au lancement, cette énergie stockée momentanément sous forme chimique est transformée en chaleur et en mouvement.




Les réaction avec les noyaux d’atomes, c’est le nucléaire.

L’énergie mise en jeu dans les réactions chimiques a quelque chose à voir avec les forces qu’exercent entre eux les atomes au sein des molécules. Mais l’atome recèle d’autres force beaucoup plus puissantes dans son noyau formé de nucléons: les protons, particules chargées positivement et les neutrons, sans charge électrique. Les nucléons cohabitent à faible distance dans le noyau qui est très petit. La force électromagnétique fait se repousser très fortement les protons car ils sont positivement chargés. Le noyau tient ensemble grâce à une autre force fondamentale, la force nucléaire forte qui agit sur les protons et les neutrons lorsqu’ils sont à une très petite distance, de l’ordre quelques diamètres de nucléons. Ce qui nous intéresse pour comprendre pourquoi une réaction nucléaire peut être cent millions de fois plus énergétique qu’une réaction chimique, c’est que les niveaux d’énergie dans le noyau sont plus élevés que dans les molécules du même ordre de grandeur.

Noyaux instables

Un élément est caractérisé par le nombre de protons de son noyau (le numéro atomique) mais peut avoir un nombre variable de neutrons. On parle d’isotopes pour ces noyaux. Par exemple, l’oxygène 16 contient huit protons et huit neutrons tandis que son isotope 18 contient deux neutrons de plus. Certaines configurations de noyau, trop riches ou trop pauvres en neutrons, ne sont pas stables. Ils ont une probabilité élevée de subir une désintégration radioactive, réaction spontanée qui émet de l’énergie sous forme de particules rapides ou de rayonnement gamma. Les noyaux plus gros que l’uranium (92 protons et 146 neutrons pour l’isotope 238) sont également peu stables. Après une désintégration, le noyau contient moins d’énergie qu’avant.

Quelles réactions nucléaires sont exothermiques ?

D’autres réactions nucléaires que les désintégrations produisent de la chaleur. C’est le cas de la fission de l’uranium 235 (92 protons et 143 neutrons). Sous l’action d’un neutron incident, le noyau éclate en deux noyaux plus légers, comme le Krypton et le Baryum, et deux ou trois neutrons. L’énergie émise, 200 millions d’électrons-volts, est très grande... pour quelque chose d’aussi petit qu’un atome. En vol, un moustique dépense 5000 fois plus. La fission d’un gramme d’U235 produit environ 23 000 kilowatts.heure.

Les réactions de fusion d’éléments légers sont aussi très énergétiques, encore plus que la fission des éléments lourds si on la rapporte à chaque nucléon. Dans le soleil, les noyaux d’hydrogène (1 proton) fusionnent - s’agglomèrent - en hélium 4 (2 p, 2 n) au terme d’une longue série de réactions de fusion et de désintégrations. Dans les bombes à hydrogène, on emploie notamment deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium (1p, 1n) et le tritium (1p, 2n). La fusion produit directement de l’hélium 4 très stable contenant moins d’énergie que les éléments de départ. Ces réactions sont très difficiles à obtenir car il faut rapprocher les noyaux à très petite distance, à portée de la force nucléaire forte, et vaincre la répulsion électrostatique des protons. Pour maintenir la fusion, une température et une pression très élevées sont nécessaires.



Comment la réaction est lancée ?

Les premières bombes utilisaient uniquement la réaction de fission. Dans une masse d’uranium, un certain nombre de noyaux fissionnent spontanément à chaque instant. Les neutrons produits, s’ils sont capturés, provoquent d’autres fissions et on a ainsi une réaction en chaîne. La plupart du temps, les neutrons s’échappent du bloc de matière fissile sans être capturés. Mais si on rassemble une quantité suffisante de matière ou si sa densité est suffisamment accrue, les neutrons auront plus de chance de rencontrer un noyau fissile et de propager la réaction. A partir d’une certaine masse/densité - la masse critique - la réaction se maintient : il se créé autant de neutrons qu’il s’en échappe. Au-delà de la masse critique, la réaction diverge, son taux augmente. Dans une bombe à fission, on fait diverger la réaction assez longtemps pour qu’elle atteigne un rythme explosif.

Une sphère d’uranium 235 presque pur est entourée d’un réflecteur de neutrons (béryllium, uranium 238...). A la mise à feu, des explosifs chimiques compressent l’ensemble en produisant une onde de choc sphérique, en même temps qu’un flux de neutrons est généré pour initier la réaction en chaîne.

Un schéma de la première bombe atomique.




Dans les bombes actuelles, la fission sert à créer les conditions de pression et température nécessaires à un étage utilisant la fusion. Le flash de rayons X produit par l’étage à fission est focalisé sur un crayon de deutérium et de lithium. La matière est fortement compressée et chauffée. Les neutrons issus des diverses réactions cassent le lithium en hélium 4 et tritium. Ce dernier alimente les réactions en fusionnant avec le deutérium.

Qu’est-ce qui a mis l’énergie dans l’uranium ?

Si on reprend l’image du ressort, on peut se demander ce qui l’a tendu initialement. D’où vient l’énergie que l’uranium libère en fissionnant ? Il existe des noyaux d’atomes dont on ne peut tirer d’énergie parce qu’ils sont très stables. Ces éléments sont le Fer 56 ou le Cobalt 58. Dans les étoiles massives en fin de vie, ces éléments issus de la fusion d’autres éléments plus légers s’accumulent dans le cœur. Privé de réactions exothermiques, il se refroidit et finit par s’effondrer dans une gigantesque explosion qui souffle une grande partie de l’étoile. Au cours du cataclysme, des atomes de fer fusionnent avec d’autres atomes pour former des éléments plus lourds, comme le cadmium, l’or ou l’uranium. Ces réactions endothermiques absorbent une infime partie de la débauche d’énergie dégagée par l’effondrement de l’étoile. On peut dire que l’uranium retient une partie de l’éclat des supernovæ.



Quant à l’hydrogène, il est le constituant principal du jeune l’univers. L’univers n’est pas né dans un état d’énergie minimal, sans quoi il serait fait de poussières de fer et serait dépourvu d’étoiles. D'une certaine manière, l’hydrogène recèle un peu de la lumière primordiale.