Les matériaux fissiles.

Mais se pose alors le plus gros problème que rencontrera le projet Manhattan : la rareté des produits fissiles et le fait fait qu’ils sont difficiles et couteux à produire ( le cout de la production de matière fissile représentera 90% de la somme d’argent investie dans le projet ( 2 milliards de dollars, ce qui correspond, de nos jours, à 25 milliards de dollars ).
En effet, pour la bombe atomique, il faut utiliser des éléments fissiles dont l’énergie libérée par leur fission nucléaire serait gigantesque et utilisable pour la bombe. De plus, ils doivent répondre à deux autres critères : Ils doivent être facilement produits et en quantité suffisante. 
En mars 1940, John R. Dunning et ses collèges démontrent que l’uranium 235 est plus fissile que l’uranium 238.
Dés lors, différentes méthodes de séparation isotopique sont étudiés.
4 différentes façons de séparer l’uranium seront retenues : la séparation par diffusion gazeuse, électromagnétique, par diffusion thermique et par force centrifuge.
Ces séparations isotopiques sont nécessaires car l’uranium naturel (extrait du sol) n’est composé qu’ à 0,71% d’uranium 235 et à 99,2% d’uranium 238. Une bombe ayant besoin d’uranium enrichi à plus de 90% , un enrichissement de ce dernier est nécessaire.l’U-235 et l’U-238 possèdent des propriétés chimiques quasiment identiques mais diffères par leur poids, en effet, l’U-238 est, de 1,26%, plus lourd que l’U-235, c’est cette différence de poids, aussi minime soit-elle, qui sera exploitée pour les séparer.

La diffusion gazeuse utilise des énormes filtres ( des parois poreuses ) dans lesquels l’hexafluorure d’uranium 235 diffuse légèrement plus vite que l’hexafluorure d’uranium 238. Apres avoir traversé de nombreux diffuseurs, le gaz se retrouve enrichit en uranium 235.
Afin de former de l’hexafluorure d’uranium gazeux, il faut extraire l’uranium du sol, puis, le dissoudre avec de l’acide, ce qui donne du « yellow cake » ( en raison de sa couleur ) qui est ensuite purifié ( le « yellow cake «  n’est composé qu’ à 75% d’oxyde d’uranium ), donnant ainsi de la poudre d’UO3 ( poudre de trioxyde d’uranium ) qui est ensuite hydrofluorée ( avec de l’acide fluorhydrique ) donnant de l’UF4 ( du tétrafluorure d’uranium ) toujours sous forme de poudre.
L’UF4 est ensuite converti en hexafluorure d’uranium (UF6 ) avec du fluor gazeux ( obtenu par électrolyse d’acide fluorhydrique ) à très haute température.
Ensuite, l’UF6 est chauffé à plus de 80°, le faisant passer d’un état solide à un état gazeux.

Schéma présentant la façon avec laquelle on obtient de l’hexafluorure d’uranium :

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l’usine K-25, utilisant cette méthode d’enrichissement de l’uranium fut construite le 27 septembre 1943 à Oak Ridge, dans le Tennessee. Elle produit une partie de l’uranium qui fut utilisée pour crée la bombe « little boy ».

La séparation électromagnétique utilise le Calutron (qui fut inventé pour la séparation isotopique lors du projet Manhattan par Ernest O. Lawrence ), un spectromètre de masse qui permet de détecter et identifier des éléments selon leur masse. Cette méthode est basée sur le fait qu’une particule chargée qui se déplace dans un champ magnétique suit une trajectoire curviligne, dont le rayon dépend de la masse de cette particule. Ainsi, les particules les plus lourdes décrivent un cercle plus grand ( l’U-238 ) que les particules plus légères ( l’U-235 ) lorsqu’elles ont la même charge et se déplacent à la même vitesse.
Afin de séparer électromagnétiquement l’uranium, il faut l’ioniser.
C’est pour cela qu’on utilise de l’UCL4 ( l’UF6 n’est pas utilisé car il est trop corrosif ) qui est obtenu en mélangeant du trioxyde d’uranium ( UO3 ) et de l’hexachloropropène. Cet UCL4 est ensuite vaporisé par chauffage ( à plus de 791° ) et subit ensuite une bombardement électronique.

Capture d’écran 2013-02-26 à 14.46.37

Les ions (cations ) U+ ainsi produits sont ensuite accélérés et passent ensuite dans un champs magnétique et sont ensuite déviés selon leur rapport m/z ( masse/ charge ), séparant ainsi les U+ 235 et les U+ 238.
Ce procédé donne le résultat le plus pur et ne s’effectue qu’en une seule étape, contrairement aux autres méthodes mais a un débit très faible (on trie les atomes un par un) et consomme beaucoup d’énergie (dû aux puissants champs magnétiques )
L’usine de séparation électromagnétique fut construite à Oak Ridge, dans le Tennessee, aux Etats-Unis, le 18 février 1943 sous le nom de l’usine « Y-12 ». C’est cette usine qui produisit la majorité de l’uranium enrichi qui servit pour créer la bombe « Little boy » ( la bombe larguée sur Hiroshima ). Elle servira également à purifier le plutonium 239 de ses autres isotopes ( Pl-238 mais surtout du Pl-244 )

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La diffusion thermique est une méthode de séparation isotopique de l’uranium qui s’avéra être très peu efficace, si inefficace qu’elle ne servit finalement que comme première étape d’enrichissement avant une séparation isotopique électromagnétique.
Son principe se fonde sur le fait que les molécules les plus lourdes ( l’U-238 ) ont tendance à diffuser vers les surfaces plus froides tandis que les molécules les plus légères ( l’U-235 ) ont tendance à se diffuser vers des surfaces plus chaudes.
Ainsi, de l’UF6 est confiné dans un espace annulaire entre deux cylindres concentriques portés à des températures importantes et différentes. Suite à cette exposition, l’UF6-235 est attiré vers l’extrémité supérieure de la colonne tandis que l’UF6-238 est attiré vers l’autre extrémité de la colonne.
En début de Mars 1945, l’usine « S-50 » utilisant la séparation thermique de l’uranium est opérationnelle à Oak Ridge, dans le Tennessee.

La séparation par centrifugeuse consiste en faire tourner de l’hexafluorure d’uranium à très grande vitesse ( proche de celle du son ).Avec la vitesse de rotation, les atomes les plus lourds ( U-238 ) migrent à la périphérie tandis que les atomes les plus légers ( U-235 ) restent plutôt au centre. L’uranium appauvri est alors attiré vers le haut tandis que l’uranium enrichi est attiré vers le bas. Ensuite, l’uranium enrichi est pompé et renvoyé vers une autre centrifugeuse. Et ainsi de suite en formant une « cascade de centrifugeuses ». Cette méthode sera abandonnée dès le 26 octobre 1942 car cette méthode est trop couteuse, en effet la vitesse de rotation très élevée consomme beaucoup d’énergie et exige que les centrifugeuses soient robustes et soient donc composées de fibres de carbone, de plus, il en faut en très grand nombre.

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Mais un autre élément fissile fait apparition : le plutonium 239.
Cet élément est découvert par Glenn T. Seaborg et son équipe le 24 février 1941 en bombardant une cible d’uranium par du deutérium ( un isotope naturel de l’hydrogène, il possède un neutron et un proton ) au cyclotron de Berkeley et est démontré comme étant plus fissile que l’uranium 235 le 3 mai 1941.
Le plutonium 239 sera ensuite produit avec la pile nucléaire X-10 d’Oak Ridge à partir du 4 novembre 1943. Cette pile fonctionne avec le principe de la réaction en chaine de la fission de l’uranium 235 ( c’est la seconde pile atomique après celle de Fermi ), avec des modérateurs au graphite et est refroidie par un système d’air froid.
Dans le cœur du réacteur (de la pile), la fission de l’uranium 235 libère des neutrons qui peuvent alors être capturés par de l’uranium 238 s’y trouvant ( l’U-238 capture le neutron mais ne se fissure pas ).

L’U-238 se transmute alors en U-239 et émet un rayonnement afin d’évacuer l’énergie en excès.
Réaction :
Capture d’écran 2013-03-01 à 01.14.26

L’U-239 ayant une demi-vie de 23,5 minutes, il se désintègre rapidement, avec une émission B- en neptentrium 239.
Réaction :
Capture d’écran 2013-03-01 à 01.25.00

Le neptentrium 239 a une demi-vie de 2,36 jours donc, en laissant le neptentrium au repos pendant quelques jours, il se désintègre en Plutonium 239 avec une émission B- .
Réaction :
Capture d’écran 2013-03-01 à 01.32.18

Le plutonium 239 est, lui, relativement stable à l’échelle humaine (il a une demi-vie de 24 000 ans).

Un second réacteur, plus efficace, produira du plutonium à partir du 13 septembre 1944, c’est le réacteur B-100 d’Hanford, dans l’Etat de Washington, aux USA. Il fonctionne, lui également, avec pour modérateur neutronique, le graphite mais est, par contre, refroidis avec de l’eau froide.

Capture d’écran 2013-02-26 à 14.49.54
Photo actuelle du réacteur B-100 d’Hanford.

Le problème concernant la matière fissile nécessaire à la bombe ayant été résolu, les bombes peuvent être crées.

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