17 – manhattanvéhicules amphibies!! viseurs de bombardement (norden)!! antipaludéens!!...
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PETITE HISTOIRE���DE LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE���
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17 – MANHATTAN���SZILARD, FERMI, SEABORG���
Alain Bouquet!
Laboratoire AstroParticule et Cosmologie!
CNRS - Université Denis Diderot - CEA - Observatoire de Paris!
P ���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 2
Hahn & Strassmann��� Joliot-Curie���
MAUD���
Uranium Committee���
Uranverein��� Heisenberg��� Harteck, Diebner���
Fermi & Szilard��� CP-1���
Meitner & Frisch��� Seaborg��� Wigner���
Bohr��� Frisch & Peierls���
Oppenheimer���Compton���
Flerov��� Kourtchatov���
Manhattan���
Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 3 8 mars 2012!
C ���! Bohr débarqua le 16 janvier
1939 à New York, accueilli par Fermi et Wheeler!
! Wheeler parla de fission le soir même à Princeton!
! À Columbia, Fermi et Dunning ne l’apprirent de Rabi que le mercredi 25 !
! Dunning et Anderson vérifièrent la réalité de la fission le soir même (source Ra-Be + chambre d’ionisation)!
! Fermi partit à Washington pour une conférence les 26 et 27 et parla de la fission!
! Bohr, Urey, Fermi, London, Uhlenbeck, Van Vleck, Bethe, Breit, Condon, Rabi, Stern, Rosenfeld, Teller, etc. !
! Gros titres dans les journaux!
! ☞ lundi 30 janvier : Alvarez vérifia la fission avec le cyclotron de Berkeley!
!
! ☞ Oppenheimer pensa tout de suite à la possibilité d’une réaction en chaîne explosive!
! ☞ Lawrence rechercha des neutrons secondaires!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 4
Arthur Compton et Luis Alvarez���
À C���! Szilárd apprit de Wigner (à
Princeton) la nouvelle de la fission!
! ⇒ il contacta immédiatement Fermi, Bohr et Joliot pour leur demander de garder secrets leurs résultats de crainte que les Allemands en fasse un mauvais usage !
! Il n’eut aucun succès!
! 15 février : Columbia, Carnegie, John Hopkins et Berkeley annoncèrent des neutrons secondaires!
! 16 mars : Szilárd et Zinn : production de neutrons rapides par les neutrons lents!
! Herbert Anderson et John Dunning utilisèrent le cyclotron de Columbia!
! 17 mars : présentation par Fermi à l’US Navy de projets de réacteurs !
! → subvention de 1500$ au Naval Research Laboratory !
! → rapport au cours de l’été sur la propulsion sous-marine!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 5
U 235, N P 239���! Bohr (février 1939) : seul 235U
fissionne par neutrons lents!
! Dunning demanda (le 6 avril 1939) à Nier de vérifier cette hypothèse en isolant de l’uranium 235!
! en 10 mois, Nier parvint à isoler 0,02 µg de 235U au spectromètre de masse !
! et à vérifier (2 mars 1940) qu’il était responsable des fissions lentes!
! Sur 100 neutrons produits par fission dans un bloc d’uranium!! 90 sont capturés par 238U
(→239Pu)!
! 8 fissionnent 238U!
! 2 fissionnent 235U!
! → 2,5*10 = 25 neutrons!
! Division du travail à Columbia!! Dunning ☞ enrichissement par
diffusion gazeuse!
! Anderson, Fermi et Szilárd ☞ réaction en chaîne!
! À Berkeley, travaux sur les transuraniens!
! Edwin McMillan et Philip Abelson (mai 1940)!! n + 23892U → 23992U !
! → 23993Np par β en 23 mn!
! → 23994Pu par β en 56 h!
! → 23592U par α ?!
! résultat négatif ⇒ 239
94Pu ~ stable ⇒ utilisable comme élément fissile à la place de 23592U!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 6
R ���
! Anderson, Fermi et Szilárd (mai-juin 1939)!! source Rn-Be!
! 220 kg d’oxyde d’uranium dans 52 cylindres (∅ 5 cm sur 60 cm) plongés dans l’eau!
! manganèse pour mesurer le flux de neutrons !
n + 5525Mn → 5625Mn → 5626Fe par β en 2h35!
! ⇒ augmentation de 10% du flux de neutrons en présence d’uranium!
! ⇒ 3 juillet : faute d’eau lourde, Szilárd suggéra à Fermi un entrelacement de briques d’uranium (5 t) et de briques de graphite (40 t, 25 m3) [sous-estimation d’un facteur 10]!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 7
! Placzek avait identifié la capture résonante des neutrons par l’uranium comme un frein à la réaction en chaîne!
Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 8 8 mars 2012!
L « ’E »���! Inquiétudes de Szilárd !
! réaction en chaîne ⇒ possibilité d’une arme nucléaire!
! embargo allemand sur l’uranium ⇒ existence d’un programme nucléaire secret!
! Passer par Einstein pour avoir plus de poids!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17! 9!
! Roosevelt ne reçut la lettre que le 11 octobre (à cause des événements en Europe)!
! ☞ création immédiate d’un Advisory Committee on Uranium!
! ☞ affectation en mars 1940 de 6000 $ à l’achat de graphite!
L « ’E »���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 10
V B (1890-1974)���! Ingénieur et visionnaire!
! 1922 : fondateur de Raytheon!
! 1927 : analyseur différentiel (calculateur analogique)!
! 1932 : vice-président du MIT!
! 1938 : direction du Carnegie Institute, et du NACA (→NASA)!
! 1945 : rapport «Science, the endless frontier» → création de la NSF en 1950!
! 1945 : hypertexte et savoirs distribués par un réseau d’ordinateurs «As we may think»!
! 1° juillet 1940 : obtint la création par Roosevelt du National Defense Research Council (NDRC)!
! ☞ création dès octobre 1940 du Radiation Laboratory du MIT pour les recherches sur le radar!! budget de plusieurs centaines
de millions de $ dès 1941 (>3 milliards en 4 ans)!
! 2000 physiciens et ingénieurs en 1943, 4000 en 1945!
! priorité donné au radar ⇒ la plupart des physiciens passèrent par le RadLab!
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R « - »���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 12
Magnétron���
Redresseurs���Tubes à vide���
Radars���
Fours à micro-ondes���
Missiles���
Transistors���
Téléviseurs���
Aviation���
Électronique militaire���
L’OSRD C S-1���! 28 juin 1941 : absorption du
NDRC par l’Office of Scientific Research and Development (OSRD)!! moyens quasi illimités !
! développement industriel!
! radar!
! sonar!
! fusées de proximité!
! véhicules amphibies!
! viseurs de bombardement (Norden)!
! antipaludéens!
! pénicilline!
! DDT!
! ☞ contrats avec plus de 300 laboratoires et industriels (> 1 milliard de $ par an)!
! Initialement sceptique, Bush changea vite d’avis sur le nucléaire!
! ☞ 300 000$ de contrats en 1941 sur la fission, répartis entre une douzaine de laboratoires!
! ☞ demanda 3 rapports en 1941 à l’Académie des Sciences pour convaincre Roosevelt de lancer un programme de grande ampleur!! 17 mai → réacteur en 2 ans!
! 11 juillet → séparation isotopique réaliste!
! 6 novembre → arme nucléaire dans un délai de 3 ans!
! ⇒ 6 décembre : comité S-1 sous la direction de Compton!
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L ���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 14 Ernest Lawrence [RadLab] – Arthur Compton [MetLab] – Vannevar Bush [OSRD] – James Conant [NDRC]���
6 1941���! Le Comité S-1 de l’OSRD conclut à une extrême urgence!
! forte probabilité d’un programme allemand disposant de physiciens remarquables, d’un accès à l’uranium (Bohême), à l’eau lourde (Norvège) et au graphite!
! bombe à l’uranium possible avec entre 2 et 100 kg d’uranium 235!
! destruction des 50 principaux objectifs en Allemagne ⇒ 500 000 t de bombes ⇒ 50 bombes nucléaires ⇒ 100 à 5000 kg d’uranium 235!
! ⇒ estimation de 3 ans [et 1 M$] pour les obtenir par séparation électromagnétique (Lawrence), diffusion gazeuse (Dunning) ou centrifugation (Urey)!
! ⇒ passage du laboratoire à l’échelle industrielle (Murphree, Standard Oil)!
! Plutonium encore trop mal connu!! mais [par sécurité] programme de réacteur (n+238U→239U→239Np→239Pu)
confié à Compton, avec regroupement à Chicago de tous les travaux!
1. Fermi : réalisation d’une réaction en chaîne entretenue et contrôlée (délai 1 an)!
2. Wigner : réalisation des réacteurs de puissance (délai 2 ans)!
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7 1941 : P H���
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Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 17 8 mars 2012!
C M L���! Arthur H. Compton (1892-1962)!
! Effet Compton 1923 (→ prix Nobel 1927)!
! Philosophie des sciences!
! Administration universitaire (Washington U à Saint-Louis)!
! Principal rédacteur des rapports sur l’énergie nucléaire pour l’OSRD!
! ⇒ idée de rassembler toutes les recherches à Chicago [MetLab]!
! Quatre objectifs :!
1. Fermi : réussite d’une réaction en chaîne avec de l’uranium naturel modéré par le graphite!
2. Wigner : préparation de la production du plutonium à grande échelle en concevant des réacteurs de puissance (>100 MW)!
3. Franck et Seaborg : extraction chimique du plutonium de l’uranium!
4. et plus généralement obtention de toutes les données nécessaires à la réalisation d’une réaction explosive de l’uranium et du plutonium!
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G T. S (1912-1999) ���! Thèse en 1937 à Berkeley sur
la diffusion inélastique des neutrons et la spallation!
! Production d’isotopes avec le cyclotron!
! McMillan → RadLab (radars), Abelson → NRL (séparation isotopique)☞ Seaborg prit leur suite à Berkeley, puis au MetLab (avril 1942)!
! Fission lente du plutonium (mars 1941)!
! Chimie du plutonium!
! Concept d’actinide (1944)!
! Production des transuraniens 95 à 102 (americium, curium, berkelium, californium, einsteinium, fermium, mendelevium, nobelium)!
! Prix Nobel de chimie en 1951 avec Edwin McMillan!
! Conseiller scientifique des présidents Kennedy et Johnson!
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A ���
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A���! Éléments Z=89 (actinium) à Z=103 (lawrencium) aux propriétés
chimiques très voisines en raison du remplissage progressif des couches internes 5f et 6d qui ne modifie guère les propriétés chimiques dues aux électrons externes!
! Niveau n → moment angulaire orbital l < n → 2l+1 orbitales!! orbitales s [2 places] p [2*3 places] d [2*5 places] et f [2*7 places]!
! ⇒ n=1 → 2 éléments (1H → 2He) ! !s ! 1s!
! ⇒ n=2 → 8 éléments (3Li → 10Ne)! !s,p ! [He],2s,2p!
! ⇒ n=3 → 8 éléments (11Na → 18Ar)! !s,p,d ! [Ne],3s,3p!
! ⇒ n=4 → 18 éléments (19K → 36Kr) ! !s,p,d,f ! [Ar],4s,3d,4p!
! ⇒ n=5 → 18 éléments (37Rb → 54Xe)! !s,p,d,f ! [Kr],5s,4d,5p!
! ⇒ n=6 → 32 éléments (55Cs → 86Rn)! !s,p,d,f ! [Xe],6s,4f,5d,6p!
! ⇒ n=7 → 32 éléments (87Fr → 118Uuo) !s,p,d,f ! [Rn],7s,5f,6d,7p!
! ⧋ 89Ac = [Rn] 6d1 7s2 92U = [Rn] 5f3 6d1 7s2! 94Pu = [Rn] 5f6 7s2!
! Analogues aux lanthanides, de Z=57 (lanthane) à Z=71 (lutétium), où la similitude des propriétés chimiques est due au remplissage de la couche interne 4f!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17! 21!
P ���! Février 1941 : identification
du plutonium (Glenn, Segrè et Wahl)!
! Production de 0,2 µg de Pu par bombardement d’uranium pendant un mois avec le faisceau de deutérium du cyclotron de Berkeley!
! Mars 1941 : démonstration de la fission du plutonium par neutrons lents!
! nombre de neutrons secondaires ~ 3!
! section efficace de fission supérieure à celle de l’uranium 235!
! ⇒ parfait matériau fissile!
! Août 1942 : 2,8 µg de Pu 239!
! Décembre 1942 : 500 µg!
! ☞ extraction chimique du Pu plus difficile qu’imaginé (→ notion d’actinides)!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 22 Août 1942 : premier échantillon de plutonium���
C ���! Recherche de différentes
méthodes pour !
1. extraire de l’uranium les faibles quantités de plutonium produites par bombardement de neutrons (~ 1 g par tonne d’uranium et par jour dans un réacteur)!
2. passer aisément au processus industriel (du µg au kg = facteur 1 milliard)!
3. purifier le plutonium (les α frappant des impuretés pouvant engendrer des neutrons provoquant une prédétonation)!
! ⇒ construction d’immenses usines à Hanford!
! La métallurgie du plutonium se révéla très délicate!! plusieurs phases (allotropes)
selon la température!
! métal cassant dans certaines phases, ductiles dans d’autres!
! plus facile à manipuler en alliage (avec aluminium p.e.)!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 23 5 kg de plutonium (∅ 11 cm)���
Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 24 8 mars 2012!
P ���
! Volume infini!
1. 100 neutrons produits par fission !
2. traversée du modérateur ☞ 30 y sont absorbés!
3. arrivée dans l’uranium!! ☞ 20 y sont malgré tout
absorbés (→ Pu)!
! ☞ les 50 restant provoquent 50 fissions → 125 neutrons!
! ⇒ facteur de multiplication k∞ = 125/100 > 1 !
! ⇒ divergence exponentielle!
oui mais …!
! Complications!
! Volume fini ⇒ pertes de neutrons à travers la surface!
! ☞ notion de taille critique!
! Mauvais choix de modérateur ⇒ ↗ perte de neutrons par capture par le modérateur!
! Mauvaise géométrie ⇒ ↗ perte de neutrons par capture par l’uranium!
! En partie compensée par ↗ fission rapide → 4% neutrons de plus!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 25
C F���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 26
L « » F���! Décembre 1941 : l’Italie
déclara la guerre aux Etats-Unis ⇒ Fermi se retrouva ressortissant d’une puissance ennemie!
! Février 1942 : Fermi dut rejoindre le MetLab!
! Étude de « piles » avec de l’oxyde d’uranium modéré par le graphite (veto politique de Compton sur l’eau lourde)!
! Calculs numériques des flux de neutrons avec différentes géométries!
! Juillet 1942 : estimation k∞ ~ 1,04!
! ☞ série de petites piles pour mesurer k selon la configuration (et la pureté des matériaux) de septembre à novembre 1942!! source de neutrons!
! détecteur = feuille d’indium (11549In→116
49In→11650Sn en 54 mn)!
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L’ CP-1���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 28
Fermi���
Anderson���
Szilard���
Zinn���
Allison���
F M -���! En régime sous-critique k < 1!
! N neutrons initialement!
! ⇒ Nk à la 1° génération!
! ⇒ Nk2 à la 2° génération!
! !…!
! ⇒ Nkn à la n° génération!
! ⇒ en tout NΣkn = N/(1-k) ≣ NM!
! ⇒ l’augmentation du flux de neutrons [de N à NM] donne donc k = 1 – 1/M!
! ⇒ il suffit de porter 1/M en fonction du paramètre étudié (distance ou taille des blocs, nombre de couches, oxyde ou métal, pureté du graphite, etc.) et d’extrapoler à zéro!
! Fermi avait découvert qu’il lui suffisait de mesurer le flux de neutrons en certains points précis de la pile pour reconstituer la distribution en 3 dimensions!
! Il pouvait ainsi suivre l’approche de la criticité!
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CP-1���! Montage prévu dans la forêt d’Argonne!
! Retards du bâtiment → montage sous le stade (désaffecté) de l’université de Chicago!
! Construction du 16 novembre au 1° décembre (2 équipes se relayant 24h/24)!
! Cylindres d’uranium (et d’oxyde) de 6 cm sur 6 espacés de 20 cm → 6 t d’uranium et 36 t d’oxyde dans 385 t de graphite!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 30 8 m���
2 1942���! Fermi avait surestimé la
taille critique (→ forme un peu aplatie)!
! → barre de contrôle (cadmium) lentement retirée!
! → augmentation – puis stabilisation – du flux de neutrons!
! → mesure du facteur de multiplication sous-critique M → k!
! Fermi imposa une pause déjeuner juste avant d’arriver au seuil critique!
! 15h20 : réaction en chaîne entretenue et contrôlée!
! → k = 1,0006!
! (Puissance < 200 W)!
! «Le navigateur italien a abordé le rivage du nouveau monde, et il a trouvé les indigènes amicaux. Le monde est plus petit qu’il le pensait.» Compte-rendu de Compton à Conant!
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À !���
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 32 Mais c’est tout pour aujourd’hui!!
8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 33