17 – MANHATTANvéhicules amphibies!! viseurs de bombardement (Norden)!! antipaludéens!! pénicilline!! DDT!! ☞ contrats avec plus de 300 laboratoires et industriels (> 1 milliard

PETITE HISTOIRE��DE LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE��

��

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!


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!


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!


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]!


! Placzek avait identifié la capture résonante des neutrons par l’uranium comme un frein à la réaction en chaîne!


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 »��


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!


R « - »��


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!


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)!


7 1941 : P H��



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!


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!


A ��


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!


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)��


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!


C F��


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)!


L’ CP-1��


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!


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!


À !��

8 mars 2012! Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 17 32 Mais c’est tout pour aujourd’hui!!


Documents

17 – MANHATTANvéhicules amphibies!! viseurs de bombardement (Norden)!! antipaludéens!! pénicilline!! DDT!! ☞ contrats avec plus de 300 laboratoires et industriels (> 1 milliard