Trois générationsd'armes nucléaires

Fiche technique extraite de l'ACROnique du nucléaire n°46, septembre1999

Dans cette fiche technique, nous allonstenter de décrire simplement les principes de base des bombes atomiqueset montrer les liens avec l'industrie nucléaire. Nous nous limiteronsà des principes généraux. Une fois la bombe fabriquée,il faut pouvoir la déployer, la contrôler, la protéger...puis démanteler les bombes et les installations devenues obsolèteset dépolluer les sites contaminés. Selon les audits atomiquesindépendants effectués en France et aux Etats-Unis cela représenteplus de la moitié des coûts engagés, mais cela dépasselargement notre propos.

 

Un peu de physique

La Fission

La fission du noyau d'élémentslourds naturels comme l'uranium ou artificiels comme le plutonium entraîneun dégagement d'une grande quantité d'énergie et departicules, comme les neutrons. Cette fission peut être déclenchéepar le choc d'un neutron. Une réaction en chaîne se développealors : la fission émettant des neutrons qui déclenchentd'autres fissions qui vont émettre d'autres neutrons... Si le nombrede neutrons produits est inférieur au nombre de neutrons consommésou qui s'échappent, la réaction va s'éteindre d'ellemême, sauf si elle est entretenue par un apport extérieurde neutrons. Si le nombre de neutrons créés est supérieurau nombre de neutrons consommés, alors la réaction s'emballeet conduit à une explosion. Dans le cas de réactions nucléaires,l'emballement est très rapide et l'énergie dégagéeimmense, d'où l'intérêt que lui portent les militaires.Enfin, si le nombre de neutrons créés est égal aunombre de neutrons consommés ou s'échappant, la réactionva s'auto-entretenir. Ce régime, dit critique, est celui qui a lieudans les réacteurs nucléaires. En cas d'explosion, on parlede régime sur-critique et, dans l'autre cas, de régime sous-critique.Les isotopes impairs de l'uranium et du plutonium sont plus facilementfissibles que les isotopes pairs quand ils sont soumis à un fluxde neutrons thermiques, comme dans les réacteurs nucléairesclassiques, mais avec des neutrons rapides, présents dans les surgénérateursou les bombes, tous les isotopes du plutonium ont pratiquement les mêmespropriétés. On appelle masse critique la quantitéde matière fissile minimum nécessaire à la sur-criticité.

L'uranium naturel ne contient que0,72% d'U235, celui qui est le plus fissible, le reste étant essentiellementcomposé d'U238 qui ne convient pas. Pour faire une arme il fautaugmenter cette proportion jusqu'à 80-93%, en utilisant un processusindustriel, l'enrichissement, qui est le même que celui utilisépour la production de combustible civil où la proportion d'U235varie de 3 à 5%. C'est l'usine de Pierrelatte (d'abord CEA puisCOGEMA) qui se charge de cette opération. Le plutonium est produitdans des réacteurs nucléaires par bombardement d'uranium238 par des neutrons et doit ensuite être extrait du combustibleirradié par un processus industriel identique à celui dela technologie civile, à savoir le retraitement. En fonction dela technologie du réacteur et du temps d'irradiation on obtiendraun pourcentage plus ou moins élevé de Pu239, qui est le favorides militaires. Les autres isotopes sont issus de bombardements successifsdu Pu239 par des neutrons, quand ils nâentraînent pas une réactionde fission. Pour avoir un pourcentage élevé de Pu239, ilsuffit d'irradier moins longtemps du combustible dans n'importe quel réacteurnucléaire. Les réacteurs qui fonctionnent à l'uraniumnaturel en produiront plus. Le manteau des surgénérateurscomme Phénix et ou Superphénix, c'est-à-dire les barresde combustibles qui sont à la périphérie, permet ausside produire du Pu239 de bonne qualité.

La Fusion

La fusion de deux noyaux légersdégage une plus grande quantité dâénergie, maisil faut comprimer beaucoup plus les gaz utilisés pour que la réactionpuisse avoir lieu. Dans les armes thermonucléaires, c'est la fusiondu tritium (H3) avec le deutérium (H2) qui est utilisée ;elle produit de lâhélium plus un neutron. L'avantage c'estque ces gaz sont légers et qu'une faible masse est suffisante pourdégager une énergie énorme. La difficulté estliée à l'allumage, des explosifs chimiques classiques nâétantpas suffisants pour atteindre la compression nécessaire.

Le tritium est aussi produit dansdes réacteurs nucléaires par bombardement du lithium 6 parun neutron. Le Lithium 6, lui, est présent dans la nature, maisil doit être séparé de son isotope, le lithium 7. EnFrance, c'est la COGEMA qui se charge de cette opération dans sonusine de Miramas. L'ensemble du processus de production du tritium restegéré par le CEA dans deux réacteurs à eau lourde(Célestin 1 & 2 à Marcoule). Le deutérium, quantà lui, nécessite de l'eau lourde pour sa fabrication, quia été importée de Norvège, des Etats-Unis,mais aussi fabriquée en France dans deux usines pilotes qui ne fonctionnentplus (Toulouse et Mazingarbe, Nord). Le site de production du deutériumgazeux à partir d'eau lourde n'est pas connu clairement. Il estpossible que le deutérium soit produit au centre civil du CEA deGrenoble, mais également qu'il soit extrait du processus d'extractiondu tritium à Marcoule.

Première génération

Les armes de premièregénération n'utilisent que la fission de noyaux lourds. Deuxmasses sous critique d'uranium sont regroupées ou une masse de plutoniumou d'uranium est brusquement comprimée à l'aide d'un explosifchimique afin d'en faire une seule masse sur-critique. La réactionen chaîne est généralement amorcée par une sourcede neutrons qui doit être parfaitement synchronisée avec lepassage au régime sur-critique pour avoir le meilleur rendement,mais cela n'est pas une nécessité. Les bombes sud-africainesétaient amorcées par les neutrons du bruit de fond. La puissancede la bombe peut être améliorée grâce àun matériau réflecteur de neutrons, comme le béryllium.Il est relativement facile de fabriquer une bombe atomique de premièregénération, à condition que l'on possède lamatière fissile. Les Etats-Unis n'ont jamais testé la bombeà lâuranium enrichi avant de la larguer sur Hiroshima et n'ontfait qu'un seul essai pour celle au plutonium avant de bombarder Nagasaki.Une équipe de 400 personnes environ a été suffisanteà l'Afrique du Sud pour construire six bombes à l'uraniumenrichi. La fin des essais nucléaires ne supprime donc pas le risquede prolifération horizontale, à savoir l'émergencede nouvelles puissances nucléaires ou la menace d'un groupe terroristequi se serait procuré la matière première au marchénoir.
Une importante questionconcerne l'utilisation de plutonium issu des réacteurs civils àeau sous pression pour fabriquer ce type d'arme. Pour les partisans duretraitement du combustible irradié, le Pu 240 est indésirablecar il risque de déclencher une implosion avant même que lasur-criticité soit atteinte, réduisant ainsi la puissancede la bombe. Cela peut même être un avantage pour fabriquerune bombe rudimentaire, car il nây a pas besoin de source de neutronspour initier la réaction. Même de puissance réduite,une telle bombe peut faire beaucoup de dégâts. Un autre inconvénientavancé pour le plutonium civil est que le pourcentage de Pu238 esttrop élevé (environ 2%, pour environ 0,01% pour du Pu ditmilitaire). D'une durée de vie relativement courte (88 ans), ladésintégration du Pu 238 entraîne un échauffementqui peut endommager les explosifs chimiques. Si la bombe larguéesur Nagasaki avait contenu 2% de Pu 238, elle aurait eu une températurede l'ordre de 250°C. Cette montée en température peutnéanmoins être réduite des deux tiers à l'aided'un système de refroidissement en aluminium. Enfin, le troisièmeargument avancé par les promoteurs du retraitement est que le plutoniumcivil est beaucoup plus irradiant, entraînant un risque beaucoupplus élevé pour les personnes travaillant à proximité.L'utilisation de cobayes humains par les puissances nucléaires pourtester les effets de la radioactivité laisse penser que cet argumentn'est pas forcément un inconvénient majeur... (Note: cettediscussion est tirée d'un article de Frank von Hippel, Fissile materialsecurity in post-cold-war world, PhysicsToday, june 1995 et de A.B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactorplutonium, Nature,Vol. 283, 28 fev. 1980, p. 817).

Les bombes larguées sur Hiroshimaet Nagasaki, avaient respectivement une puissance de 15 et 22 kilotonnesd'équivalent TNT (Note : 1kt = 1012 cal = 4,18 x 1012J). Les armes à fission pure développées par la suiteont atteint plusieurs dizaines de kilotonnes.

Deuxième génération

Le principe des armes thermonucléairesest simple à comprendre, même si leur réalisation posede gros problèmes technologiques. Dans les armes à fissiondopées (boosted fission), une réaction de fission similaireà celle de l'arme de première génération, déclencheune réaction de fusion du c?ur constitué d'un mélangede tritium (H3) et de deutérium (H2). Les neutrons dégagéspar la réaction de fusion entraînent une réaction defission plus complète que celle qui a lieu dans les armes de premièregénération où une faible portion de la matièrefissile est consommée. La performance d'une telle arme dépendessentiellement de l'explosion chimique initiale car il est important quele gaz soit suffisamment comprimé et ne se mélange pas avecle matériau fissible. Cela peut être testé sans enclencherde réaction nucléaire et reste donc possible dans le cadredu "traité d'interdiction des essais nucléaires", àcondition d'avoir une installation permettant d'étudier l'hydrodynamiquede l'explosion à l'aide de rayons X : c'est un des buts de l'installationAIRIX du CEA, en construction à Moronvillier, sur le site oùont lieu les essais nucléaires froids. Il est généralementadmis qu'Israël, l'Inde et le Pakistan ont atteint ce stade. A noterqu'avec cette technologie, le plutonium, dit de qualité civile,ne change rien, quant à la puissance de l'explosion, mais le plutoniummilitaire est généralement préféré pourdes problèmes de température et de radioactivité.
Dans les bombes thermonucléairesou bombes à hydrogène, une bombe à fission, éventuellementdopée, déclenche l'explosion par réaction de fusion.C'est un mélange de lithium et de deutérium enfermédans une capsule tampon d'uranium ou de plomb qui est utilisé, letritium nécessaire à la réaction de fusion étantdirectement produit lors de l'explosion par le bombardement des neutrons.Il n'y a virtuellement pas de limite à la puissance dégagéepar ce type d'arme ; l'essai nucléaire le plus puissant de l'histoire,avec 60 Mégatonnes (60.000 kilotonnes) dâéquivalentTNT due à 97% à la réaction de fusion, a eu lieu enURSS en octobre 1962. Mais, sachant que la puissance dégagéelors de l'explosion est de l'ordre de 1kt/kg, il est possible de fairebeaucoup de dégâts avec une bombe de quelques kg. Des effortsconstants de miniaturisation ont eu lieu afin de rendre la bombe plus légèreet transportable par toutes sortes de vecteurs, en particulier des missilesintercontinentaux.

Il a fallu de longues annéesde recherche aux Etats-Unis et en URSS pour mettre au point ce type d'armes(Note : voir le dossier de PhysicsToday, Nov. 1996) ; mais une fois les principes de base connus, ilest possible dâaccéder rapidement à cette technologie: la Chine a testé sa première bombe thermonucléaireaprès seulement 3 essais de première génération,un essai à fission dopée et un essai préliminairede bombe à hydrogène. Les armes de deuxième générationsont d'une technologie plus élaborée et, malgré deuxmilliers d'essais nucléaires, le mécanisme n'est pas encoreentièrement compris. Les puissances nucléaires déclaréessont probablement arrivées au bout des améliorations possibleset possèdent une bonne maîtrise de la production de ce typed'armes. La fin des essais nucléaires n'est donc pas trop pénalisantepour elles, mais est certainement un frein pour les autres pays. Il estpeu probable que de telles armes disparaissent car elles sont sûreset très mortelles. Les réductions effectuées dansles arsenaux concernent essentiellement des armes obsolètes ou dâuneutilité devenue douteuse. Le tritium et le Li6 deviennent des élémentsstratégiques qui doivent être contrôlés commeles matières fissibles pour éviter la prolifération.
 

Troisième génération

La troisième générationregroupe des bombes basées sur les technologies précédentes,mais dont certains effets sont accentués ou réduits selonl'utilité stratégique recherchée. Par exemple, labombe à neutrons, qui émet une grande quantité deneutrons avec une puissance réduite, est supposée êtreefficace contre une avancée massive de chars. Son utilitétactique est en fait réduite. D'autres améliorations visentà réduire les "effets collatéraux" de la radioactivitéémise, là aussi avec des succès limités. Anoter que ces améliorations constituent une entorse à ladoctrine de dissuasion, étant un premier pas vers une bombe pouvantêtre utilisée sur le champ de bataille.
Ces armes nécessitentde nombreux développements scientifiques et technologiques et l'arrêtdes essais nucléaires est un frein à leur développement.

Les différents types de têtesnucléaires en service dans l'arsenal français (1960-1998)

 

 
 
 
 
 
 
 

Type
Puissance
Vecteur
Armée
Entrée en service
Retrait du service
      
AN11
60 kt
Mirage IVA
Air
06/07/63
1973
AN22
70 kt
Mirage IVA
Air
1973
01/07/88
MR31
130 kt
S2 Albion
Air
02/08/71
 
MR41
500 kt
M1/M1 SNLE
Marine
2/8/1971
1979
AN52
25 kt
Mi3,JagA,SEt
Air
06/04/73
 
AN51
10/25 kt
Pluton
Terre
3/1974
1993
TN60
1 Mt
M20 SNLE
Marine
23/12/76
-
TN61
1 Mt
M20 SNLE
Marine
1978
1993
TN61
1 Mt
S3 Albion
Air 
01/06/80
16/09/96
TN70
150 kt
M4A SNLE
Marine
25/05/85
1997 
TN80
300 kt
Mirage IVP
Air
01/09/85
01/07/96
TN71
150 kt
M4B SNLE
Marine
09/12/87
 
TN81
300 kt
Mirage 2000 N
Air
01/07/88
 
TN81
300 kt
Super-Etendard
Marine
4/1989
 
TN90
80 kt
Hadès
Terre
1992
1996
TN75
100 kt
M45 SNLE
Marine
1/1997
 
AN: fission Pu ; MR : fission dopée Pu ; TN : thermonucléaire(Tiré du site du CDRPC)


Pour en savoirplus

Cette fiche technique est baséesur les références suivantes (sauf les référencesdéjà indiquées) :

* Bruno Barillot, Audit atomique,CDRPC,187, montree de Choulans, 69005 Lyon (fevrier 1999)

* Stephen I. Schwartz editor, AtomicAudit, Brookings Institution Press, 1775 Massachusetts Ave., N.W. Washington,D.C. 20036 (1998)

* Andre Gsponer et Jean-Pierre Hurni,Fourth generation of nuclear weapons, Technical Report, INESAP,c/o IANUS, Darmstadt University of Technology, D-64289 Darmstadt (mai 1998)

* The military critical technologylist, part II : weapons of mass destruction technologies, section V : nuclearweapon technology, Department of Defence, Etats-Unis, fevrier 1998, peutêtre téléchargé à l'adresse suivante: http://www.dtic.mil/mctl/