Suite de l'épisode précédent sur le premier réacteur nucléaire de l'histoire.

Revenons maintenant à Chicago et sa fameuse pile. Une pile de quoi déjà ? Cette pile était faite de deux choses : du graphite, comme dans les mines des crayons à papier, et de l’uranium naturel. Pourquoi ai-je pris soin de préciser de l’uranium naturel ? Souvenez-vous, je peux faire un noyau de carbone avec 6 neutrons ou 7 ou même 8. Avec 8 neutrons, mon noyau est radioactif, mais avec 6 ou 7 il est stable.. Ce qui veut dire que les deux noyaux de carbone 12 et 13 existent dans la nature et sont présents dans une mine de crayon.

C’est la même chose pour l’uranium : deux isotopes existent dans la nature, l’uranium 235 et l’uranium 238. Les proportions sont les suivantes : 0.72 % pour l’uranium 235 et 99.28 % pour l’uranium 238, ce qui est un peu dommage car c’est justement le premier qui nous intéresse !

Le deuxième composant de cette pile était du graphite. Pourquoi donc du graphite ? Attention, encore une longue explication en perspective. Tout à l’heure, je vous ai fait remarqué que vous pouviez lancer votre neutron à n’importe quelle vitesse sur de l’uranium 235 et qu’il allait quand même fissionner. C’était une demi-vérité. Car quand votre neutron tape sur le noyau, deux choses peuvent se produire : soit l’uranium va fissionner et je vous renvoie aux paragraphes précédents, ou alors le noyau d’uranium va simplement garder le neutron bien au chaud sans fissionner. On parle alors de capture. Votre uranium 235 s’est tout simplement transformé en uranium 236 !

Mais le truc ici, c’est que plus votre neutron va lentement, plus les chances que le noyau d’uranium fissionne sont grandes. Or, les neutrons émis par une fission vont beaucoup trop vite : là où vous voulez un escargot, vous avez une comète. Il faut donc les ralentir. Comment ? Avec du graphite. Je m’explique. Prenez un billard et remplissez le de boules de billard tous les 5 centimètres disons (comment ça, vous n’avez pas de billard ?). Maintenant, prenez une balle de golf et lancez la très fort sur votre tapis. Les chances sont grandes qu’elles se cognent contre les boules de billard et ce faisant qu’elle ralentisse. C’est exactement pareil avec votre neutron et le graphite. Il est émis très vite lors de la fission et il va se comporter comme une balle de flipper sur les noyaux des atomes de carbone du graphite. Du fait, il va ralentir et la chance qu’il déclenche une fission en cognant sur un atome d’uranium 235 va augmenter. Alors, regardons un peu où nous en sommes : nous avons des neutrons qui sont ralentis et des noyaux pouvant fissionner (on parle de noyaux fissiles). Il ne nous manque plus qu’une chose : de quoi contrôler la réaction. Souvenez-vous, nous voulons que seulement un seul des neutrons émis lors d’une fission en entraine une nouvelle. Il va donc falloir disposer des deux autres neutrons restants d’une manière ou d’autre.

Comment ? Pour cela, on se servir de noyaux particuliers qui ont une très grande chance de capturer un neutron. De cette manière, les neutrons vont être capturés avant de pouvoir donner lieu à une nouvelle fission et le tour est joué ! Dans le cas de Chicago, on a utilisé du cadmium, qui en plus d’être hautement toxique, présente l’avantage de très bien capturer les neutrons (un noyau charmant sous tout rapport). Vous remarquerez également que je n’ai plus parlé de l’uranium 238, qui compose quand même la plus grande partie de l’uranium présent dans la pile. La principale contribution de celui-ci à toute cette affaire va être de capturer des neutrons en se transformant ainsi en uranium 239. Or, l’uranium 239 n’est pas un noyau stable, il va se désintégrer en neptunium 239 en transformant un neutron en proton, et ce dernier noyau va faire de même pour finalement donner du plutonium 239, auquel nous nous intéresserons plus tard.

Et voila, il n’y a plus qu’à assembler votre pile (enfin, il y avait là quand même quelques tonnes de graphite et d’uranium) et vous avez un réacteur nucléaire. Schématiquement, un neutron va donner lieu à une fission de l’uranium 235, qui va donner lieu à l’émission de trois neutrons. Sur ces trois neutrons, un va être utilisé pour faire une nouvelle fission tandis que les deux autres vont être capturés par du cadmium ou de l’uranium 238 ou d’autres noyaux présents dans le réacteur pour éviter que la réaction ne s’emballe. La réaction de fission va également produire de l’énergie, sous forme de chaleur, ce qui va faire grimper la température de votre pile. Dans le cas de celle de Chicago, le refroidissement était simplement assuré par une circulation naturelle d’air.

Somme toute, un réacteur nucléaire est une affaire d’équilibre : il est nécessaire de faire un bilan précis du nombre de neutrons disponibles et du nombre de fissions nécessaires. Les autres neutrons sont quant à eux capturés par d’autres noyaux ou sortir du réacteur sans interagir avec lui. Dans la pratique, le problème est pris en sens inverse : on évalue le nombre de neutrons perdus dans des réactions parasites et on ajuste la quantité d’uranium 235 pour compenser exactement ces pertes.

Là où se trouve tout le génie de Fermi et de son équipe, c’est qu’ils ont calculé avec succès la bonne quantité de graphite, d’uranium et de cadmium nécessaire pour qu’une fission donne exactement lieu à une nouvelle fission, ni plus ni moins, et ce pour la première fois. La pile de Chicago fut utilisée quelques temps pour produire du plutonium et fut ensuite démontée pour être installé dans un endroit plus sur que le centre ville de Chicago.

La semaine prochaine : Los Alamos, l’enrichissement de l’uranium et le projet Manhattan.