1942, sous les gradins du stade de Stagg Field, dans la banlieue de Chicago. Le premier réacteur nucléaire de l'Histoire va démarrer sous la houlette du physicien italien Enrico Fermi.

Nous voici sous les gradins d’un stade de football abandonné, au cœur de Chicago. Enrico Fermi, un physicien italien émigré aux Etats-Unis dans les années 30 est sur le point d’assembler la première pile nucléaire de l’Histoire. Tiens, pourquoi dit-on «pile» nucléaire par ailleurs? Eh bien, la raison est toute simple: ce premier réacteur artisanal avait tout simplement la forme d’une pile d’uranium et de graphite maintenu en place par des poutres en bois. D’où le terme!

Revenons un peu en arrière. Nous sommes en 1942. La radioactivité, c’est-à-dire l’émission spontanée par certains noyaux de radiations, a été découverte voilà quelques décennies par Pierre et Marie Curie, découverte pour laquelle ils ont reçu un Prix Nobel. En 1938, trois physiciens allemands ont expliqué un phénomène étrange observé dans plusieurs laboratoires du monde: quand on expose de l’uranium à des neutrons, on observe l’apparition de nouveaux éléments plus légers tels que le baryum. C’est la fission nucléaire.

Souvenons-nous un peu du lycée: la matière est faite d’éléments et il en existe plus d’une centaine, décrits dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev, ou classification périodique des éléments chimiques. Prenons l’exemple de l’élément Carbone, ou C. Comme tout élément, il est fait d’atomes, qui sont eux-mêmes constitués de deux choses: des électrons et un noyau. L’image classique qu’on en donne est celle des électrons tournant autour du noyau, tout comme les planètes tournent autour du soleil. Oublions maintenant les électrons et intéressons-nous tout particulièrement au noyau.

Celui-ci est fait d’un assemblage de deux constituants distincts, dits nucléons: les protons et les neutrons. Chaque élément est décrit par son nombre de protons. Le noyau d’un atome de carbone contient par exemple 6 protons. Celui du chlore en contient 17 et ainsi de suite. Les neutrons quant à eux servent à maintenir tout ce beau monde ensemble, les protons ayant une fâcheuse tendance à se repousser entre eux.

Tout ceci nous amène à la notion d’isotope. Imaginons que j’ai chez moi une caisse remplie de protons et une caisse remplie de neutrons. Je souhaite construire un atome de carbone. Je prends donc six protons, pour avoir du carbone et pas de l’azote ou du bore, et je les assemble avec des neutrons. Mais de combien de neutrons ai-je besoin? Eh bien, je peux en prendre 6, 7, ou même 8! Dans tous les cas, j’aurais du carbone car mon noyau aura six protons, mais mes différents noyaux avec un neutron en plus ou en moins seront ce qu’on appelle des isotopes du carbone. Même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différents. La coutume est de rajouter derrière le nom de l’élément (qui donne le nombre de protons) le nombre total de constituants du noyau pour savoir de quoi on parle. Ainsi, un noyau avec six protons et six neutrons sera nommé carbone 12.

Certains de ces isotopes, comme le carbone 14, sont radioactifs. Cela signifie qu’ils vont parfois, de manière tout à fait aléatoire, se transformer en un autre élément en émettant des radiations. Le carbone 14 par exemple, va transformer un neutron en proton pour se donner de l’azote 14. Pourquoi me direz-vous? Disons simplement que la Nature préfère arranger 14 nucléons avec 7 protons et 7 neutrons qu’avec 6 protons et 8 neutrons. C’est une affaire de minimisation de l’énergie sur laquelle il n’est pas nécessaire de s’appesantir. Une dernière chose: cette radioactivité étant aléatoire, on la caractérise par la probabilité qu’un noyau a de se désintégrer pendant une seconde.

Imaginez que vous lancez un dé. Vous ne pouvez pas prévoir quand vous allez faire un six précisément, mais vous savez que vous avez une chance sur six de tomber un six. C’est exactement la même chose pour la radioactivité : vous ne savez pas quand votre noyau va se désintégrer, mais vous savez qu’il a une chance sur une million de le faire pendant la minute où vous l’observez par exemple.

Bon, maintenant que tout ceci a été dit, revenons-en à la fission. Prenez un noyau d’uranium 235 (ca fait donc 92 protons et 235–92=143 neutrons). Ce bon noyau est lui-même radioactif, mais assez faiblement. Si vous le regardez pendant un an, il a une chance sur cent millions de se désintégrer ! Mais aujourd’hui, vous êtes de mauvaise humeur, alors plutôt que d’attendre qu’il se désintègre de lui-même, vous lui lancez dessus un neutron. Que se passe t-il?

Votre neutron va sérieusement perturber votre noyau d’uranium 235 au point qu’il va peut-être se casser en deux noyaux plus petits et radioactifs tout en émettant 2 ou 3 neutrons supplémentaires et beaucoup d’énergie. C’est la fission nucléaire. La chose intéressante avec l’uranium 235, c’est que vous pouvez lancer votre neutron dessus tout doucement, il va quand même se casser. Avec d’autres noyaux, comme l’uranium 238, vous devez lancer votre neutron relativement fort pour qu’il fissionne.

Une illustration de la fission de l’uranium 235: un neutron arrive sur le noyau d’uranium 235 et le casse en deux morceaux plus petits et quelques neutrons. Notez la manière de décrire les noyaux: le nombre en haut à gauche représente le nombre total de protons et de neutrons et les lettres donnent l’élément, ici du Krypton et du Baryum.

Admettons que votre noyau d’uranium 235 ait émis 3 neutrons en fissionnant. Vous lui avez jeté un neutron et il vous en renvoie trois. Voila un retour sur investissement à faire saliver n’importe quel banquier, non? Si vous êtes malin, et Enrico Fermi et ses confrères l’étaient sans aucun doute, vous n’avez plus qu’à réutiliser un de ces neutrons pour donner lieu à une nouvelle fission et vous avez ce qu’on appelle une réaction en chaine! Tout le truc est justement de ne réutiliser qu’un seul neutron. Si vous en utilisez deux, vous allez faire deux nouvelles fissions, qui vont donner six nouveaux neutrons, qui vont à nouveau donner trois nouvelles fissions et ainsi de suite. Votre réaction en chaine va s’emballer avec des conséquences assez funestes, mais nous y viendrons plus tard.

Voila pour la partie de la pile faite d'Uranium. La question qui se pose maintenant est, à quoi servait le graphite? La suite dans le prochain billet!