Déclenchement d'une bombe A

[invitee033fdb1]

Bienvenue à tous,

Voilà, j'aime bien comprendre les notions de physique nucléaire relatives aux bombes nucléaires, mais sans plus (laissons de côté les aspects militaires).

Soit une bombe A (plutonium ou uranium), le principe consiste à créer un assemblage de matière fissile dit «surcritique». Plusieurs techniques existes (mise à feu de type revolver, à implosion...). L'énorme explosion est dû à la fission des noyaux fissiles dans un délai de temps très court. La réaction en chaine est provoquée par les neutrons qui [...] et ainsi de suite. Or, la question que je me pose est qu'est-ce qui provoque l'explosion? C'est-à-dire, qu'est-ce qui déclenche la réaction en chaine? Une fois l'assemblage surcritique obtenu, pourquoi les noyaux se fissionnent-ils? Ce sont les neutrons qui provoque la fission, or initialement, l'assemblage surcritique n'a pas été bombardé par un flux de neutrons...

Merci à l'avance
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[Theyggdrazil]

Il me semble qu'on utilise une "coque" d'explosifs très puissants qui comprime et chauffe la matière fissile de façon très intense, de sorte que la réaction se déclenche.
Mais je dis peut-être des bêtises, c'était juste pour exposer le principe, on te répondra sûrement plus en détail...

[Jackyzgood]

En fait en radioactivité tout est une question de probabilité.
Comme disait Theyggdrazil : "Il me semble qu'on utilise une "coque" d'explosifs très puissants qui comprime et chauffe la matière fissile de façon très intense, de sorte que la réaction se déclenche."

L'aspect thermique ne joue pas dans la réaction car c'est une reaction nucléaire. Ce qui va intervenir c'est le fait de comprimer l'uranium ou le plutonium. Il me semble que la matiere fissile a la forme d'une sphere creuse, la probabilité qu'un neutron traverse cet espace vide et vienne percuter un atome d'uranium de l'autre coté de la sphere est faible. Mais apres l'amorcage de la bombe les explosif vont ratatiner cette shpere sur elle même créant ainsi une boule tres compact et cette fois ci la probabilité qu'un neutron cogne un atome d'uranium voisin n'est plus négligeable.

Une autre méthode existe, elle consite a prendre 2 paquet de matiere fissile de masse inferieur (mais proche) a la masse critique et de les assemblé, egalement par une explosion, ainsi on obtient de la matiere fissile bien au dessus de la masse critique.

Voila j'espere avoir repondu a ta question

[erik]

Ce sont les neutrons qui provoque la fission, or initialement, l'assemblage surcritique n'a pas été bombardé par un flux de neutrons...

Si je comprend bien ta question, tu te demandes d'ou viennent les premiers neutrons qui déclenchent la réaction en chaine ? Et bien en fait ils proviennent tout simplement de la radioactivité naturelle/spontanée de l'uranium (ou du plutonium). Lorsque la masse critique est atteinte il y a suffisamment de neutrons dégagés par cette radioactivité pour déclencher la réaction en chaine.

Erik

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitebdaccd77]

erik:
Si je comprend bien ta question, tu te demandes d'ou viennent les premiers neutrons qui déclenchent la réaction en chaine ? Et bien en fait ils proviennent tout simplement de la radioactivité naturelle/spontanée de l'uranium (ou du plutonium). Lorsque la masse critique est atteinte il y a suffisamment de neutrons dégagés par cette radioactivité pour déclencher la réaction en chaine.

Je n'ai jamais construit de bombe, mais si j'avais à le faire je mettrais une petite source de californium 252 (source de neutrons par fission spontanée) pour démarrer la réaction. Je crois d'ailleurs que de telles source sont utilisées pour démarrer les réacteurs nucléaires.

[invitee8b3f97e]

Salut !

Le principe d'amorcage des bombes A (et H d'ailleurs) est celui décrit par Jackyzgood. La matière fissile est enfermée dans une sphère métallique. Cette sphère est recouverte d'explosifs. Lors de la mise à feu les explosifs compriment la sphère. La matière fissile atteint ainsi la masse critique (= densité suffisante) pour déclencher la réaction en chaine.

[invitee033fdb1]

Bonjour, me revoilà
Merci de m'avoir répondu
Alors je commence:
1- «Une autre méthode existe, elle consite a prendre 2 paquet de matiere fissile de masse inferieur (mais proche) a la masse critique et de les assemblé, egalement par une explosion, ainsi on obtient de la matiere fissile bien au dessus de la masse critique.»
C'est cette méthode qui est appelé : mise à feu de type revolver.

2- «Si je comprend bien ta question, tu te demandes d'ou viennent les premiers neutrons qui déclenchent la réaction en chaine ? Et bien en fait ils proviennent tout simplement de la radioactivité naturelle/spontanée de l'uranium (ou du plutonium). »
Oui, c'est tout à fait ça ma question. Or, pour ce que j'en sais, il existe seulement 3 principaux types de radioactivité, à savoir le rayonnement Alpha (noyaux d'Hélium4), Béta (électron/positron) et Gamma (rayonnement électromagnétique)... donc pas de neutron émis naturellement.

Ma question tient donc tjrs, qu'est ce qui provoque la fission, ce sont les neutrons, or d'où proviennent ces derniers?

Merci à l'avance

[invitebdaccd77]

Condensat_B-E:
Ma question tient donc tjrs, qu'est ce qui provoque la fission, ce sont les neutrons, or d'où proviennent ces derniers?

Il me semble que la réponce est dans les messages précédents:

Il existe d'autres type de radioactivité naturel dont la fission spontanée qui émet des neutrons.

Pour être sûr d'avoir assez de neutrons pour déclanché la réaction il faut mettre une source de fissions spontanée assez forte et la plus efficace c'est le californium 252 (96,91% émission d'alpha et 3.09% fissions spontanées)

[FC05]

Juste pour confirmer ce qu'a écrit DanielH.

Il y a plus de 3 modes de transformation radioactives, dont la fission spontannée que l'on trouve sous le terme SF (spontaneous fission) dans les diagrammes de désintégrations.

[invite09c180f9]

Bienvenue à tous,

Voilà, j'aime bien comprendre les notions de physique nucléaire relatives aux bombes nucléaires, mais sans plus (laissons de côté les aspects militaires).

Soit une bombe A (plutonium ou uranium), le principe consiste à créer un assemblage de matière fissile dit «surcritique». Plusieurs techniques existes (mise à feu de type revolver, à implosion...). L'énorme explosion est dû à la fission des noyaux fissiles dans un délai de temps très court. La réaction en chaine est provoquée par les neutrons qui [...] et ainsi de suite. Or, la question que je me pose est qu'est-ce qui provoque l'explosion? C'est-à-dire, qu'est-ce qui déclenche la réaction en chaine? Une fois l'assemblage surcritique obtenu, pourquoi les noyaux se fissionnent-ils? Ce sont les neutrons qui provoque la fission, or initialement, l'assemblage surcritique n'a pas été bombardé par un flux de neutrons...

Merci à l'avance

Salut,
si ça t'intéresse je peux te donner les systèmes utilisés pour les 2 premières bombes A utilisées dans l'Histoire : celle d'Hiroshima ei Nagasaki!
La bombe d'Hiroshima ("little boy") pesait 5t et mesurait 3,50m de long : au départ un détonateur télécommandé fait exploser une charge d'explosif classique. Du coup, une masse d'U-235 est éjectée à travers un "canon" ; cette masse n'est pas assez importante pour amorcer une réaction en chaîne. Elle atterrit dans un logement à sa taille creusé dans une seconde masse d'U-235, elle aussi insuffisante pour démarrer la réaction en chaîne. C'est le mariage des deux qui permet d'atteindre la "masse critique" qui, elle, peut exploser.

La bombe de Nagasaki ("fat man") : elle utilise du plotonium à la place de l'uranium et son système de mise à feu est différent de celui de "little boy". A la périphérie, des charges d'explosifs classiques implosent, l'onde de choc comprimant une couronne d'uranium. A son tour, celle-ci vient comprimer une sphère de plutonium peu dense, incapable de s'allumer seule. La compression a pour effet de lui donner la densité voulue pour exploser.

Voilà pour cette petite page d'histoire qui ne me semble pas négligeable, connaître les origines des "choses" me semble très intéresssant!! Il faut savoir qu'à l'époque la fRance était en tête dans la recherche nucléaire (Pierre et Marie Curie) !!!!!
à++

[invitee033fdb1]

Oui, merci à tous, c'est très intéressant,

Pour commencer, je dois avouer que je n'avais jamais entendu parler de fission spontanée. Donc si vous me dites qu'on utilisait bel et une source de fissions spontanées assez forte et efficace tel le californium 252, là je vais retrouver la logique des choses... parce que tant qu'à moi, sans ça, il n'y aurait aucune explosion...

Amicalement Condensat_B-E

[invitebdaccd77]

Condensat_B-E:
parce que tant qu'à moi, sans ça, il n'y aurait aucune explosion...

C'est pas tout à fait vrai. En fait dans la radioactivité naturelle il y a des neutrons, essentiellement dans les rayons cosmiques. Donc lorsque les deux parties de la bombe sont réunies, il suffit d'attendre qu'un neutron passe par là, et il y en aura dans les secondes qui viennent. Le problème est que même pour un massif surcritique (le cas de notre bombe) le plus probable est que le passage d'un neutron a toutes les chances de ne pas provoquer d'explosion. Le plus probable est qu'il ne provoque pas de fission et puis si il provoque une fission alors quelques neutrons vont apparaître mais il est loin d'être certain qu'ils provoquent une autre fission, etc... Conclusion il faudra attendre un autre neutron jusqu'à ce qu'une réaction en chaîne très longue apparaisse et alors c'est l'explosion.

Comme on a pas envie de dépendre du bon vouloir de quelques neutrons, on en met explicitement.

D'un autre côté, un massif sur-critique laissé à lui-même finira toujours par exploser parce qu'il y aura toujours un neutron ou un autre passant par là qui déclenchera la réaction enchaîne. Et pour ça un seul neutron peut suffire!!!

[invitee033fdb1]

Ah ok, merci, j'ai saisi,

Il me semblait aussi qu'on devait avoir une source de neutrons, car je me disais que dans les années 40, l'exisence de neutrons dans les rayons n'était meme pas encore connu, si je ne me trompe pas...

[Sylvestre]

Salut à tous,

Au fait, je me demande toujours pourquoi on parle de "masse" critique. Est-ce que ce n'est pas plutôt la densité qui est importante ?

Merci beaucoup à ceux qui pourront m'éclairer

[invitebdaccd77]

[/QUOTE]Sylvestre:
Au fait, je me demande toujours pourquoi on parle de "masse" critique. Est-ce que ce n'est pas plutôt la densité qui est importante ?[QUOTE]
C'est surtout la masse qui compte. Si on diminue la densité sans changer la masse on garde le même nombre d'atomes et donc le neutron voit à peu pret la même chose. En fait, dans un millieu inifini la densité ne joue aucun rôle. Dons notre cas, le millieu est fini et donc des neutrons s'échappent. Ils s'échapperont plus facilement à plus faible densité mais ce n'est pas l'effet dominant.

[Sylvestre]

Oui mais, est-ce que le neutron qui s'échappe n'a pas plus de chance de rencontrer un atome si la densité est plus grande. Est-ce que cette probabilité ne détermine pas un seuil pour le déclenchement de la réaction en chaîne ?

[invitebdaccd77]

Sylvestre:
Oui mais, est-ce que le neutron qui s'échappe n'a pas plus de chance de rencontrer un atome si la densité est plus grande.

Si un neutron s'échappe, il s'échappe. Si la densité est plus grande, seuls les neutrons naissant proche de la surface seront sensiblent à cette augmentation. Ceux qui naissent à l'interieur voient un millieu infini. Ils n'ont pas le temps d'explorer assez loin avant d'être absorbés pour faire, par exemple, une nouvelle fission.

Proche de la surface ça veux dire à quelques libre parcours moyen qui est de l'ordre de queques millimètres.

Ceci dit, effectivement, ce peyit effet contribu à fixxer la limite de la masse critique, mais c'est juste une petite correction.

[Sylvestre]

En fait, tu veux dire que la densité de la matière fissible est fixée à l'intérieur de cette matière et donc la densité n'a pas d'effet.
Je te remercie pour ton explication.

[Narduccio]

Au fait, je me demande toujours pourquoi on parle de "masse" critique. Est-ce que ce n'est pas plutôt la densité qui est importante ?

je ne suis pas tout à fait d'accord avec danielH sur le sujet. Dans un réacteur nucléaire civil, la masse de matière fissile est supérieure à la masse critique. Mais la géométrie du coeur empêche, même en pahese accidentelle que l'on approche de la densité critique, un tel réacteur serait incontrolable.

[invitebdaccd77]

Narduccio:
je ne suis pas tout à fait d'accord avec danielH sur le sujet. Dans un réacteur nucléaire civil, la masse de matière fissile est supérieure à la masse critique. Mais la géométrie du coeur empêche, même en pahese accidentelle que l'on approche de la densité critique, un tel réacteur serait incontrolable.

On parlait d'une bombe A. Pour un réacteur nucléaire, tu as raison, la masse de matière fissil est concidérablement plus grande. Mais je ne vois pas ce que tu appelles densité critique. Un réacteur est contrôlable parce qu'il y a des neutrons retardés et que les coéfficients de températures sont négatifs (enfin pas tous pour certain réacteur !!!) mais c'est tout autre chose.

Sylvestre:
En fait, tu veux dire que la densité de la matière fissible est fixée à l'intérieur

C'est pas vraiment ce que je disais. La densité pourait varier mais pas changer la masse critique (pour une bombe) de manière très significative.

Bon, je me prend une semaine de vacances alors si cette discussion existe encore d'ici là, je veux bien la reprendre...

A+

[invitefbd60b13]

J'arrive un peu après la bataille mébon, il y en peut-être qui liront quand même.
Pour ce qui est du déclenchement de la bombe, l'uranium 235 est naturellement radioactif alpha. Sans en mettre ma main à couper, je soupçonne que si un neutron peut faire un boulot, un noyau d'helium 4 bien chargé cinétiquement puisse le faire aussi. On attire l'attention sur les 3 neutrons crachés par le noyau lors de sa fission, parce que eux aussi ont la capacité de faire fissionner les voisins, et par là-même de provoquer la réaction en chaîne s'il y a suffisamment de noyaux fissiles dans le lot (l'uranium des bombes est enrichi à plus 95%, contre 3% environ pour celui des centrales nucléaires).
Notons du reste que le problème, paradoxalement, est de récupérer ces neutrons, et même de les ralentir : trop rapides, ils passent à côté des noyaux sans s'arrêter. D'où la nécessité de l'eau lourde (invoquée dans le film "Bon voyage", soit dit en passant), ralentisseur notoire de neutrons. Les nazis achetaient celle-ci en abondance en Norvège, mais le patron de l'unité de production, pro-allié, avait déjà bazardé son stock outre-atlantique.
J'en reviens à la récupération. Deux effets contradictoires sont en jeu : effets de volume (plus c'est dense, plus la probabilité de collision est élevée) et effets de surface (plus la surface est importante, plus les neutrons peuvent sortir et ne pas revenir). Pour minimiser les effets de surface, la matériau fissile est mis en forme de sphère (surface minimale pour un volume donné). Du reste, comme le volume croît plus vite avec le rayon (évolution en R^3) que la surface (évolution en R²), plus cette sphère est grande, plus ça a de probabilité de s'emballer. De là l'idée de masse critique, qui relève finalement plus d'un volume critique. La densité joue cependant aussi, puisque la masse critique est inversement proportionnelle au carré de la densité du matériau considéré. Du reste, pour que la réaction en chaîne se fasse, la masse critique ne suffit pas (enfin, ça doit dégager quand même), il faut atteindre environ 3 fois cette masse, ce qui donne dans les 50 kg pour l'uranium et 16 kg pour le plutonium.
On peut "améliorer" cela en utilisant un réflecteur à neutrons, qui divise par 3 environ la masse nécessaire.
A partir de là le principe est d'une terrifiante simplicité : deux morceaux séparés, en-dessous de la masse critique, un pétard conventionnel (à base de nitroglycérine, je crois) qui tire le premier bout dans le deuxième, d'où augmentation de masse et compression sous effet de l'impact, et c'est parti.
Dans ces conditions, on obtient une série de fissions qui évolue exponentiellement avec le temps, et balance un e^50 en une microseconde. La thermalisation n'a pas franchement le temps de se faire, et la température passe localement à quelques millions de kelvin. La pression grimpe du coup à quelque dizaines de milliers de bars, et la détente d'un gaz à cette température et à cette pression, c'est plutôt ravageur.
Dans un explosif conventionnel, ce sont les liaisons chimiques des électrons qui sont en jeu (quelques eV par molécule). Ici, ce sont les liaisons entre nucléons, suffisamment puissantes pour tenir ensemble des protons à moins de 10^(-15)m (quelques centaines de MeV par noyau), d'où des effets environ 100 millions de fois plus dévastateurs.

A+,

Clayvermore

[invitef2ea68d7]

On peut "améliorer" cela en utilisant un réflecteur à neutrons, qui divise par 3 environ la masse nécessaire.
A partir de là le principe est d'une terrifiante simplicité : deux morceaux séparés, en-dessous de la masse critique, un pétard conventionnel (à base de nitroglycérine, je crois) qui tire le premier bout dans le deuxième, d'où augmentation de masse et compression sous effet de l'impact, et c'est parti.

Clayvermore

C'est en effet presque aussi simple que ça! presque, heureusement!!
2 pb: d'abord entourer la charge (les deux demi-charges) d'un réflecteur de neutrons... Il faut trouver le bon matériaux et l'usiner correctement..

Ensuite, pour aider un peu la réaction, l'explosion chimique d'inition est dirigée vers l'intérieur des charges. L'explosif n'est pas de la nitro: trop instable, liquide. C'est un explo. solide que l'on peut usiner. Il faut ensuite allumer ensemble les multiples petits morceaux d'explo. qui ceinturent la charge. En quand je dis ensemble, je veux simultanément à 10-6 s près (et même moins...) là aussi, c'est pas évident de trouver un système de déclenchement de ce genre...

Bref, le principe est simple, la techno un peu moins! Et s'il est possible de faire une bombinette sur un coin de table, il y a de très fortes chances qu'elle fasse long feu (i.e. elle ne dégagera que quelques fractions de kt, ce qui est dèja trop...). Heureusement, car je ne suis pas pressé que ce genre de savoir-faire tombe dans le domaine public.

[invitefbd60b13]

Pour l'explosif initiateur, je me suis effectivement trompé : je pensais à la cordite (faite à base, entre autres, de nitroglycérine et nitrocellulose). Pour ce qui est du réflecteur, il paraît que celui de Little boy était en carbure de tungstène. Je pense en effet que ces matériaux (ainsi que les matières fissiles) ne sont pas faciles à se procurer, et encore moins à usiner. Je me doute également (et je me réjouis) de la difficulté technique des différents dispositifs de mise à feu.
Malgré tout, la simplicité, fut-elle de principe, ne cesse de m'étonner. A se demander si un mineur n'aurait pas essayé de casser ce gros caillou bizarre à coups de masse, au début du siècle passé, dans le coin de Tunguska

[invitef2ea68d7]

Pour l'explosif initiateur, je me suis effectivement trompé : je pensais à la cordite (faite à base, entre autres, de nitroglycérine et nitrocellulose). Pour ce qui est du réflecteur, il paraît que celui de Little boy était en carbure de tungstène. Je pense en effet que ces matériaux (ainsi que les matières fissiles) ne sont pas faciles à se procurer, et encore moins à usiner. Je me doute également (et je me réjouis) de la difficulté technique des différents dispositifs de mise à feu.
Malgré tout, la simplicité, fut-elle de principe, ne cesse de m'étonner. A se demander si un mineur n'aurait pas essayé de casser ce gros caillou bizarre à coups de masse, au début du siècle passé, dans le coin de Tunguska

Les matériaux reflecteurs de neutrons seraient plutôt organiques aujourd'hui, sans plus de précision.
Pour les explo., la famille des nitrocellulose et autres ne convient pas. La propagation du front d'explosion est trop lente. On utilise d'autres familles. L'une d'elle a donné le Semtex, explo. maintenant plus connu et utilisé dans certaines munitions.

Pour le coté fun, moi je dirai plutôt que ton mineur aurait rassemblé dans sa brouette un tas de cailloux bizarres, histoire de constituer une masse critique. Tu sais sans doute que c'est arrivé par accident dans un labo US dans les années 40, où plusieurs physiciens ont été irradiés pour avoir rassemblé un peu trop de matière fissible dans un bécher. Parce que en général, ça l'explose pas, ça te dégage une grande quantité de neutrons et autres saloperies...

[SPH]

j'avais une question paralelle :
les radiations emise par la charge sont elles stoppé pour ne pas rendre l'environnement dangereux une fois la bombe construite ?
Si oui, c'est du plomb qui arrete les radiations ?

[invitef2ea68d7]

j'avais une question paralelle :
les radiations emise par la charge sont elles stoppé pour ne pas rendre l'environnement dangereux une fois la bombe construite ?
Si oui, c'est du plomb qui arrete les radiations ?

En fait, une charge militaire, convenablement conditionnée est très peu émettrice... très peu ne veut pas dire pas. On se sert de ces radiations pour tenter de faire du contrôle de non prolifération. Mais c'est hard...
Donc, pour répondre à ta question, on ne protège pas particulièrement l'environnement, le rayonnement d'une charge encapsulée dans son vecteur étant du même ordre que le rayonnement naturel.
Sauf si l'on veut dissimuler la charge aux yeux indiscrets d'un contrôleur ou d'un satellite. Auquel cas, un peu de béton ou d'acier suffit amplement.
Je parle ici bien sur des charges militaires propres et pas des charges "sales" que produiraient des gens mal intentionnés...

[SPH]

En fait, une charge militaire, convenablement conditionnée est très peu émettrice... très peu ne veut pas dire pas. On se sert de ces radiations pour tenter de faire du contrôle de non prolifération. Mais c'est hard...
Donc, pour répondre à ta question, on ne protège pas particulièrement l'environnement, le rayonnement d'une charge encapsulée dans son vecteur étant du même ordre que le rayonnement naturel.

Sauf que l'enrichissement militaire a + de 90% n'a rien a voir avec les taux naturels et que les radiations transpercent tout plus ou moins facilement (1 cm de plomb = 10 cm de beton il parait)

[invitef2ea68d7]

Sauf que l'enrichissement militaire a + de 90% n'a rien a voir avec les taux naturels et que les radiations transpercent tout plus ou moins facilement (1 cm de plomb = 10 cm de beton il parait)

Hum, tu as l'air de penser que toutes les charges sont à U235... En fait, il s'agit maintenant pour la plupart,ce sont des charges Pu qui rayonnent très peu.
Même sur les charges atomiques U235, le rayonnement mesuré au niveau de la tête de l'arme n'est pas très supérieur au rayonnement naturel en bretagne par exemple. Il faut dire que dans ce cas, la tête est renforcée avec des alliages spéciaux. Mais pas de plomb! Les militaires ont l'habitude de réserver toute la masse emportable par la plateforme (le missile généralement) à la charge militaire et pas à un blindage dont le seul intérêt serait d'empêcher la détection à distance de l'arme avant le tir (il y a d'autres moyens).

[FC05]

Les charges nucléaires "fraîchement fabriquée" sont des émetteurs alpha pur. Le rayonnement alpha étant stoppé par "une feuille de papier cigarette" ... le "blindage" n'a pas besoin d'être bien épais ...

Idem pour du combustible de centrale (non usagé, bien sur ...).

[invitef2ea68d7]

c'est très juste.
L'enveloppe (on dit blindage, mais c'est par habitude...) sert à contenir le rayonnement résiduel qui apparaît lors du stockage de l'arme et empêcher sa détection (if any...). Il sert aussi à contrecarrer certaines agressions prévisibles et aussi à aider la pénétration de la tête si c'est une charge balistique ou à pénétration renforcée.