Pendant les vacances de Noël en 1938, les physiciens Lise Meitner et Otto Frisch ont reçu des nouvelles scientifiques déroutantes dans une lettre privée du chimiste nucléaire Otto Hahn. En bombardant l’uranium avec des neutrons, Hahn avait fait des observations surprenantes qui allaient à l’encontre de tout ce que l’on savait à l’époque sur les noyaux denses des atomes – leurs noyaux.
Meitner et Frisch ont pu fournir une explication à ce qu’il voyait qui allait révolutionner le domaine de la physique nucléaire: un noyau d’uranium pourrait se diviser en deux – ou fission, comme ils l’appelaient – produisant deux nouveaux noyaux, appelés fragments de fission. Plus important encore, ce processus de fission libère d’énormes quantités d’énergie. Cette découverte à l’aube de la Seconde Guerre mondiale a été le début d’une course scientifique et militaire pour comprendre et utiliser cette nouvelle source d’énergie atomique.
La publication de ces résultats la communauté universitaire a immédiatement inspiré de nombreux scientifiques nucléaires à étudier davantage le processus de fission nucléaire. Le physicien Leo Szilard a réalisé une réalisation importante: si la fission émet des neutrons et que les neutrons peuvent induire la fission, les neutrons provenant de la fission d’un noyau pourraient provoquer la fission d’un autre noyau. Tout cela pourrait se dérouler en cascade dans un processus « en chaîne” auto-entretenu.
C’est ainsi qu’a commencé la quête pour prouver expérimentalement qu’une réaction nucléaire en chaîne était possible – et il y a 75 ans, des chercheurs de l’Université de Chicago ont réussi, ouvrant la porte à ce qui allait devenir l’ère nucléaire.
Exploiter la fission
Dans le cadre du projet Manhattan visant à construire une bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale, Szilard a travaillé avec le physicien Enrico Fermi et d’autres collègues de l’Université de Chicago pour créer le premier réacteur nucléaire expérimental au monde.
Pour une réaction en chaîne soutenue et contrôlée, chaque fission ne doit induire qu’une seule fission supplémentaire. Plus encore, et il y aurait une explosion. Pas moins et la réaction s’essoufflerait.
Dans des études antérieures, Fermi avait découvert que les noyaux d’uranium absorberaient plus facilement les neutrons si les neutrons se déplaçaient relativement lentement. Mais les neutrons émis par la fission de l’uranium sont rapides. Ainsi, pour l’expérience de Chicago, les physiciens ont utilisé du graphite pour ralentir les neutrons émis, via de multiples processus de diffusion. L’idée était d’augmenter les chances des neutrons d’être absorbés par un autre noyau d’uranium.
Pour s’assurer qu’ils pouvaient contrôler en toute sécurité la réaction en chaîne, l’équipe a assemblé ce qu’ils ont appelé des « tiges de contrôle. »Il s’agissait simplement de feuilles de l’élément cadmium, un excellent absorbeur de neutrons. Les physiciens ont intercalé des barres de contrôle à travers le tas d’uranium-graphite. À chaque étape du processus, Fermi a calculé l’émission de neutrons attendue et a lentement retiré une tige de contrôle pour confirmer ses attentes. En tant que mécanisme de sécurité, les tiges de contrôle du cadmium pourraient être rapidement insérées si quelque chose commençait à mal tourner, pour arrêter la réaction en chaîne.
Ils ont appelé cette installation de 20x6x25 pieds Chicago Pile Number One, ou CP-1 pour faire court – et c’est ici qu’ils ont obtenu la première réaction nucléaire en chaîne contrôlée au monde le 2 décembre 1942. Un seul neutron aléatoire suffisait pour démarrer le processus de réaction en chaîne une fois que les physiciens avaient assemblé CP-1. Le premier neutron induirait une fission sur un noyau d’uranium, émettant un ensemble de nouveaux neutrons. Ces neutrons secondaires frappent les noyaux de carbone dans le graphite et ralentissent. Ensuite, ils rencontraient d’autres noyaux d’uranium et induisaient une deuxième série de réactions de fission, émettaient encore plus de neutrons, et encore et encore. Les tiges de contrôle du cadmium ont fait en sorte que le processus ne se poursuive pas indéfiniment, car Fermi et son équipe pouvaient choisir exactement comment et où les insérer pour contrôler la réaction en chaîne.
Le contrôle de la réaction en chaîne était extrêmement important: Si l’équilibre entre les neutrons produits et absorbés n’était pas exactement correct, alors les réactions en chaîne ne se produiraient pas du tout, ou dans l’autre extrême beaucoup plus dangereux, les réactions en chaîne se multiplieraient rapidement avec la libération d’énormes quantités d’énergie.
Parfois, quelques secondes après la fission dans une réaction nucléaire en chaîne, des neutrons supplémentaires sont libérés. Les fragments de fission sont généralement radioactifs et peuvent émettre différents types de rayonnements, parmi lesquels des neutrons. Tout de suite, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner et d’autres ont reconnu l’importance de ces soi-disant « neutrons retardés” dans le contrôle de la réaction en chaîne.
S’ils n’étaient pas pris en compte, ces neutrons supplémentaires provoqueraient plus de réactions de fission que prévu. En conséquence, la réaction en chaîne nucléaire dans leur expérience de Chicago aurait pu devenir incontrôlable, avec des résultats potentiellement dévastateurs. Plus important encore, cependant, ce délai entre la fission et la libération de plus de neutrons laisse un certain temps aux êtres humains pour réagir et effectuer des ajustements, en contrôlant la puissance de la réaction en chaîne afin qu’elle ne se déroule pas trop vite.
Les événements du 2 décembre 1942 ont marqué une étape importante. Comprendre comment créer et contrôler la réaction nucléaire en chaîne a été la base des 448 réacteurs nucléaires produisant de l’énergie dans le monde aujourd’hui. À l’heure actuelle, 30 pays incluent des réacteurs nucléaires dans leur portefeuille d’énergie. Dans ces pays, l’énergie nucléaire contribue en moyenne à 24 % de leur puissance électrique totale, jusqu’à 72 % en France.
Le succès de CP-1 a également été essentiel pour la poursuite du projet Manhattan et la création des deux bombes atomiques utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale.
Questions restantes des physiciens
La recherche pour comprendre l’émission de neutrons retardés et la fission nucléaire se poursuit dans les laboratoires de physique nucléaire modernes. La course aujourd’hui n’est pas à la construction de bombes atomiques ou même de réacteurs nucléaires; c’est à la compréhension des propriétés fondamentales des noyaux grâce à une étroite collaboration entre l’expérience et la théorie.
Les chercheurs n’ont observé la fission expérimentalement que pour un petit nombre d’isotopes – les différentes versions d’un élément en fonction du nombre de neutrons de chacun – et les détails de ce processus complexe ne sont pas encore bien compris. Des modèles théoriques de pointe tentent d’expliquer les propriétés de fission observées, comme la quantité d’énergie libérée, le nombre de neutrons émis et les masses des fragments de fission.
L’émission de neutrons retardés se produit uniquement pour les noyaux qui ne sont pas naturels, et ces noyaux ne vivent que peu de temps. Bien que des expériences aient révélé certains des noyaux qui émettent des neutrons retardés, nous ne sommes pas encore en mesure de prédire de manière fiable quels isotopes devraient avoir cette propriété. Nous ne connaissons pas non plus les probabilités exactes d’émission de neutrons retardés ni la quantité d’énergie libérée – des propriétés très importantes pour comprendre les détails de la production d’énergie dans les réacteurs nucléaires.
En outre, les chercheurs tentent de prédire de nouveaux noyaux où la fission nucléaire pourrait être possible. Ils construisent de nouvelles expériences et de nouvelles installations puissantes qui donneront accès à des noyaux qui n’ont jamais été étudiés auparavant, dans le but de mesurer directement toutes ces propriétés. Ensemble, les nouvelles études expérimentales et théoriques nous permettront de mieux comprendre la fission nucléaire, ce qui peut contribuer à améliorer les performances et la sûreté des réacteurs nucléaires.
La fission et l’émission de neutrons retardés sont des processus qui se produisent également dans les étoiles. La création d’éléments lourds, comme l’argent et l’or, en particulier, peut dépendre des propriétés de fission et d’émission de neutrons retardés des noyaux exotiques. La fission brise les éléments les plus lourds et les remplace par des éléments plus légers (fragments de fission), modifiant complètement la composition des éléments d’une étoile. L’émission de neutrons retardés ajoute plus de neutrons à l’environnement stellaire, ce qui peut ensuite induire de nouvelles réactions nucléaires. Par exemple, les propriétés nucléaires ont joué un rôle essentiel dans l’événement de fusion neutronique-étoile récemment découvert par les observatoires d’ondes gravitationnelles et électromagnétiques du monde entier.
La science a parcouru un long chemin depuis la vision de Szilard et la preuve de Fermi d’une réaction en chaîne nucléaire contrôlée. En même temps, de nouvelles questions ont émergé, et il reste encore beaucoup à apprendre sur les propriétés nucléaires de base qui animent la réaction en chaîne et son impact sur la production d’énergie ici sur Terre et ailleurs dans notre univers.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation.
Artemis Spyrou, Professeur agrégé d’Astrophysique Nucléaire, Université d’État du Michigan
Wolfgang Mittig, Professeur de Physique, Université d’État du Michigan