“reuss” — 2007/1/9 — 17:32 — page 23 — #37
i
i
i
i
i
i
i
i
1 - Les prémices de l’énergie nucléaire
23
analytiques des équations, réalisables avec un crayon et une feuille de papier, étaient possibles. Pour les applications numériques usuelles, l’ingénieur utilisait, avec une grande
dextérité, sa règle à calcul ; lorsqu’il avait besoin d’une meilleure précision ou qu’il fallait
bâtir des tables ou des abaques, il faisait appel au personnel spécialisé d’un « bureau de
calcul ».
Pour l’ingénieur d’aujourd’hui qui fait largement appel, notamment en physique des
réacteurs, aux stations de travail et autres ordinateurs, c’est toujours un sujet d’étonnement
que de constater avec quelle remarquable précision les tailles critiques de CP1 ou de Zoé
(voir plus loin) ont été prédites.
Essayons de décrire ce que pouvait connaître un physicien tel Fermi au début des
années 1940.
• L’énergie des neutrons et la modération
L’énergie cinétique des neutrons émis par fission avait été mesurée : elle tourne autour de
deux millions d’électronvolts ce qui donne aux neutrons une vitesse de l’ordre de 20 000
km/s, soit 7 % de la vitesse de la lumière : on parle à juste titre de neutrons rapides !
On savait qu’on pouvait ralentir les neutrons par diffusions successives sur des noyaux
d’atomes, analogues aux chocs d’une boule de billard en percutant d’autres sur la table.
Les matériaux utilisables pour cela, appelés « modérateurs » étaient connus : ce sont le
graphite (carbone), le béryllium et l’eau lourde
8 . Cette dernière, découverte par Harold
Urey en 1931, est obtenue en ne conservant dans les molécules d’eau H 2 O que l’isotope
rare et lourd de l’hydrogène, le deutérium (noyau formé d’un proton et d’un neutron) après
séparation isotopique de l’hydrogène naturel (l’hydrogène usuel a un noyau formé d’un
seul proton). L’eau lourde est le meilleur modérateur qui existe. Seul Joliot en possédait
un stock, acquis auprès des Norvégiens, seuls capables d’en produire à l’époque (c’est un
sous-produit des usines de fabrication de l’ammoniac). Fermi dut se résoudre à envisager
le graphite, que les industriels savaient produire à un coût raisonnable malgré la grande
pureté exigée, notamment vis-à-vis du bore qui est un fort absorbant neutronique.
Ralentis par un modérateur, les neutrons finissent par atteindre approximativement
l’équilibre thermique avec la matière dans laquelle ils diffusent : pour une température
usuelle, cela correspond à une énergie cinétique d’un quarantième d’électronvolt seulement, soit 2,2 km/s. La vitesse des « neutrons thermiques » (ou neutrons lents) reste appréciable à notre échelle de la vie quotidienne, mais est beaucoup plus faible que leur vitesse
lors de l’émission par fission : dans les réacteurs, le spectre en énergie ou en vitesse, des
neutrons est très étendu !
• Les interactions entre les neutrons et la matière
À la suite des travaux de Louis de Broglie (prix Nobel, 1929) on sait que toute particule
a non seulement un aspect corpusculaire, mais aussi un aspect ondulatoire. Cela est vrai
en particulier pour le neutron : la longueur d’onde du neutron thermique est beaucoup
plus grande que celle du neutron rapide ; en termes imagés, on peut dire que le neutron
8 L’eau ordinaire peut aussi — et même mieux — modérer les neutrons ; mais les expériences de l’époque avaient
déjà montré que l’hydrogène naturel est trop capturant pour qu’un système eau-uranium naturel soit critique.
i
i
i
i
i
i
i
i
1 - Les prémices de l’énergie nucléaire
23
analytiques des équations, réalisables avec un crayon et une feuille de papier, étaient possibles. Pour les applications numériques usuelles, l’ingénieur utilisait, avec une grande
dextérité, sa règle à calcul ; lorsqu’il avait besoin d’une meilleure précision ou qu’il fallait
bâtir des tables ou des abaques, il faisait appel au personnel spécialisé d’un « bureau de
calcul ».
Pour l’ingénieur d’aujourd’hui qui fait largement appel, notamment en physique des
réacteurs, aux stations de travail et autres ordinateurs, c’est toujours un sujet d’étonnement
que de constater avec quelle remarquable précision les tailles critiques de CP1 ou de Zoé
(voir plus loin) ont été prédites.
Essayons de décrire ce que pouvait connaître un physicien tel Fermi au début des
années 1940.
• L’énergie des neutrons et la modération
L’énergie cinétique des neutrons émis par fission avait été mesurée : elle tourne autour de
deux millions d’électronvolts ce qui donne aux neutrons une vitesse de l’ordre de 20 000
km/s, soit 7 % de la vitesse de la lumière : on parle à juste titre de neutrons rapides !
On savait qu’on pouvait ralentir les neutrons par diffusions successives sur des noyaux
d’atomes, analogues aux chocs d’une boule de billard en percutant d’autres sur la table.
Les matériaux utilisables pour cela, appelés « modérateurs » étaient connus : ce sont le
graphite (carbone), le béryllium et l’eau lourde
8 . Cette dernière, découverte par Harold
Urey en 1931, est obtenue en ne conservant dans les molécules d’eau H 2 O que l’isotope
rare et lourd de l’hydrogène, le deutérium (noyau formé d’un proton et d’un neutron) après
séparation isotopique de l’hydrogène naturel (l’hydrogène usuel a un noyau formé d’un
seul proton). L’eau lourde est le meilleur modérateur qui existe. Seul Joliot en possédait
un stock, acquis auprès des Norvégiens, seuls capables d’en produire à l’époque (c’est un
sous-produit des usines de fabrication de l’ammoniac). Fermi dut se résoudre à envisager
le graphite, que les industriels savaient produire à un coût raisonnable malgré la grande
pureté exigée, notamment vis-à-vis du bore qui est un fort absorbant neutronique.
Ralentis par un modérateur, les neutrons finissent par atteindre approximativement
l’équilibre thermique avec la matière dans laquelle ils diffusent : pour une température
usuelle, cela correspond à une énergie cinétique d’un quarantième d’électronvolt seulement, soit 2,2 km/s. La vitesse des « neutrons thermiques » (ou neutrons lents) reste appréciable à notre échelle de la vie quotidienne, mais est beaucoup plus faible que leur vitesse
lors de l’émission par fission : dans les réacteurs, le spectre en énergie ou en vitesse, des
neutrons est très étendu !
• Les interactions entre les neutrons et la matière
À la suite des travaux de Louis de Broglie (prix Nobel, 1929) on sait que toute particule
a non seulement un aspect corpusculaire, mais aussi un aspect ondulatoire. Cela est vrai
en particulier pour le neutron : la longueur d’onde du neutron thermique est beaucoup
plus grande que celle du neutron rapide ; en termes imagés, on peut dire que le neutron
8 L’eau ordinaire peut aussi — et même mieux — modérer les neutrons ; mais les expériences de l’époque avaient
déjà montré que l’hydrogène naturel est trop capturant pour qu’un système eau-uranium naturel soit critique.