Les effets des explosions nucléaires

Sept ans de bonheur, ces temps de malheur (I)

Aujourd'hui dans le monde, des centaines de personnes sinon des milliers en comptant les habitants du Moyen-Orient, de Russie et des Etats-Unis souffrent dans leurs chairs des conséquences de l'usage des armes atomiques. A travers cet article ainsi que mon plaidoyer, j'aimerais rendre hommage à toutes les victimes du nucléaire et mieux sensibiliser nos responsables au risque nucléaire.

Avec le recul on ne pas discuter de cette énergie sans ignorer les conséquences de l'usage de telles armes de destruction massive ou tactique ou les accidents nucléaires civils qui firent des centaines de milliers de morts.

Afin de rendre hommage à toutes les victimes d'Hiroshima, de Nagasaki, de Mayak, de Mururoa, de Christmas, de Thulé, de Tchernobyl, d'Irak, des Balkans et autre Fukushima, et afin de vous sensibiliser aux risques bien particuliers liés à cette énergie soi-disant propre mais qui tue, nous allons décrire en quelques mots les principes de base de cette technologie et de ces armes trop dangereuses pour les laisser entre les mains des militaires.

Je vais certainement m'attirer les foudres de quelques lecteurs militaires ou civils impliqués dans cette industrie mais quand vous avez vu dans les yeux sombres et tristes des victimes frappées par ce fléau, la détresse, le désespoir et l'incompréhension devant cette injustice qui les frappa, lorsque vous vous sentez impuissant devant la soif de puissance, le mensonge et l'hypocrisie humaine, vous ne pouvez plus voir cette technologie avec un regard émerveillé et innocent comme le signe du progrès et d'un monde meilleur comme tentent de nous en convaincre la publicité des grands lobbies et certains responsables peu scrupuleux.

Comment fonctionne une bombe atomique ? D'où tire-t-elle son énergie ? Quels sont les effets d'une explosion ? Quel est le risque de contamination ? Que deviennent les déchets nucléaires ? Telles sont quelques-unes parmi les nombreuses questions auxquelles nous allons répondre dans cet article. Nous allons apprendre à connaître les effets des explosions nucléaires pour ne plus jamais les connaître.

Les bombes atomiques et non conventionnelles

Nous avons expliqué dans l'article consacré aux réactions de fission et de fusion comment obtenir du combustible nucléaire et comment contrôler la puissance qu'il génère et d'autres paramètres. Reste à présent à trouver un procédé pour libérer son énergie hors de tout contrôle, lors d'une explosion, sans pour autant sacrifier ses propres troupes !

Ainsi qu'Einstein le découvrit en 1905 avec sa fameuse équation d'équivalence E=mc², la masse représente potentiellement de l'énergie. Concrètement, suite aux forces extrêmement résistantes qui assurent la cohésion inter-atomique (l'interaction forte qui maintient protons et neutrons dans le noyau et maintient la cohésion des quarks qui les constituent), le réarrangement des protons et des neutrons pour former d'autres éléments au cours d'une réaction nucléaire libère énormément d'énergie. Les militaires ont essayé d'en tirer profit en "canalisant" cette énergie grâce à l'utilisation de combustibles fissiles à haut rendement, la forme particulière de la cavité des bombes atomiques et les caractéristiques de l'explosion (explosif, temps de confinement, etc.).

Il existe deux types de bombes atomiques :

1. La bombe à fission ou bombe A

2. La bombe à fission-fusion dite thermonucléaire ou bombe H

Il faut y ajouter une bombe thermonucléaire faiblement radioactive :

3. La bombe à neutrons

Ainsi que deux armes non nucléaires mais non conventionnelles, la première étant dite "propre" :

4. La bombe à impulsion électromagnétique, EMP ou E-bombe

5. La bombe à l'uranium appauvri

NB. Par arme "propre" on entend une arme qui ne libère pas de radioactivité en explosant et ne fait généralement pas de victimes. Elle détruit uniquement les équipements et les infrastructures.

Il existe bien entendu toute une panoplie d'armes non conventionnelles pour ne citer que les armes chimiques et biologiques dont les fameuses bombes à effets neurotoxiques. On les utilise depuis la Première guerre mondiale (Gaz moutarde, Zyklon B, etc). Ces types de bombes sont interdites par l'ONU contrairement aux bombes nucléaires dont seule la prolifération est interdite. Toutefois, le commerce et l'usage de combustible nucléaire font l'objet d'une étroite surveillance de la part des instances supranationales (AIEA, Euratom, ONU, etc).

1. La bombe à fission ou bombe A

La bombe A exploite une réaction de fission nucléaire enchaînée. On provoque la fission de noyaux d'uranium-235 enrichis auxquels sont souvent ajoutés du tritium (³H) pour accentuer l'explosion. Le tritium est un élément radioactif artificiel dont la période est de 10 ans. On l'obtient en bombardant du lithium (³Li) avec des neutrons. Le tritium est également utilisé dans la bombe H. Les produits de fission sont notamment le strontium (Sr) et le xénon (Xe) suivant la réaction suivante :

²³⁵U + neutron →⁹⁴ Sr + ¹⁴⁰Xe + 2 neutrons + hν

Des centaines d'autres combinaisons sont possibles. L'essentiel est de savoir que dans chacune de ces réactions, le nombre total de nucléons (protons + neutrons) est conservé : dans notre exemple 235+1 = 94+140+2.

En accord avec la loi d'équivalence d'Einstein, E=mc², l'énergie libérée par la fission d'un seul noyau d'uranium-235 libère environ 200 MeV (1 MeV = 1.609 x 10^-13 J) et d'environ 210 MeV pour le plutonium-239. Etant donné que les neutrons émis par la première réaction de fission vont frapper chacun un autre noyau d'uranium qui va à son tour émettre deux neutrons et ainsi de suite jusqu'à épuisement de tous les noyaux, il va se produire une réaction en chaîne qui concerna des milliards de milliards de milliards de nucléides d'uranium (10²⁷ nucléides pour 50 kg d'uranium).

Au cours de l'explosion d'une bombe atomique toute cette énergie est contenue dans le terme hν qui correspond à la conversion de la masse en énergie de liaison au cours de la formation des produits de fission.

Dans une bombe A c'est l'amorce d'un combustible conventionnel qui déclenche la première réaction de fission. Lorsque la bombe n'est pas armée, c'est cette amorce qui peut exploser et notablement endommager l'enveloppe de la bombe mais elle ne la fera jamais exploser, un peu comme un pétard dont la mèche est mouillée. En revanche du combustible radioactif, solide ou gazeux (vapeurs) peut s'échapper de la bombe lors d'un tel accident et contaminer les soldats, les civils ou l'environnement. Quelques accidents de ce genre se sont déjà produits du temps de la Guerre Froide (années 1960) et des exercices aériens du Strategic Air Command, certains bombardiers ayant tout simplement perdu leurs bombes atomiques !

L'explosion atomique est totalement différente et beaucoup plus violente qu'une explosion conventionnelle. Dans une bombe traditionnelle il s'opère une réaction chimique qui n'altère pas les propriétés physiques des substances explosives; elles s'oxydent en présence d'oxygène (brûlent) et le résidu est généralement plus lourd que l'élément original du fait que la molécule d'oxygène de l'air s'est fixée sur la substance (oxydation du plomb, du coke, etc), mais l'élément pur lui-même existe toujours, même s'il est à présent lié à un autre corps.

Dans une réaction atomique les nucléides d'uranium sont fissionnés et donc physiquement détruits : l'uranium se brise et génère deux nouveaux éléments presque deux fois plus légers que lui. Ensuite la quantité d'uranium entrant en jeu est également très importante.

 Les bombes A utilisent au moins 50 kg d'uranium et la réaction en chaîne, non contrôlée dans ce cas ci, implique 10²⁷ nucléides qui vont chacun subir une réaction de fission ! On comprend aisément que dans ces conditions l'énergie libérée soit phénoménale. C'est ainsi qu'on obtient des explosions nucléaires dont l'énergie libérée oscille entre l'équivaut de 15 kT de TNT (Hiroshima) et 60 MT dans le cas d'une bombe H.

La radioactivité

Ainsi que nous l'avons expliqué dans l'article sur la fission nucléaire, lorsqu'un neutron frappe un nucléide et parvient à le briser, pour retrouver sa stabilité, le nucléon va générer une émission de radioactivité constituée d'un ou plusieurs des rayonnements corpusculaires suivants :

- rayonnement alpha : émission d'un noyau d'hélium

- rayonnement bêta :  émission d'un électron

- produits de fission (les 2 fragments résultant de la réaction de fussion, parfois radioactifs).

Citons également les rayonnements X et gamma, deux rayonnements électromagnétiques de très courte fréquence. Les rayons X sont émis lors de réactions nucléaires impliquant des électrons. Les rayons gamma sont émis soit lorsque le noyau est excité soit au cours de réactions avec d'autres noyaux et sont souvent accompagnés de rayonnements α ou β. On reviendra en détails sur leurs effets.

Suite à la radioactivité émise spontanément par l'uranium et les autres combustibles nucléaires, la masse fissile doit être conservée en petite quantité séparées car la fission est un phénomène spontané au-delà d'une certaine quantité de matière qui, passée ce seuil critique, crée une explosion en l'espace d'un millionième de seconde. On reviendra sur la toxicité de ces rayonnements page suivante.

Le plutonium

Comme pour l'uranium il existe plusieurs isotopes du plutonium et tous peuvent être utilisés dans la fabrication d'une bombe mais ils offrent certains inconvénients.

On peut utiliser du plutonium-238 qui libère plus de chaleur ou du plutonium-239 de la même façon que l'uranium-235, dont la collision avec des neutrons thermiques crée également une fission explosive. Toutefois le produit devait être purifié de son plutonium-240 qui est trop instable.

Le plutonium-239 représente le deuxième combustible des réacteurs nucléaires et des bombes atomiques et contribue à un tiers de l'énergie émise. La masse des produits de fission se distribue entre les masses atomiques 100 et 135.

On peut également utiliser de l'américium-241 mais il libère assez bien de rayonnements gamma et il n'est donc pas facile de travailler avec ces substances.

Deux types de bombes A furent ainsi fabriquées par les Etats-Unis : une bombe à l'uranium enrichi, "Little Boy" (équivalente à ~15 kT de TNT) qui fut lancée sur Hiroshima et une bombe au plutonium, "Fat Man" (22 kT) nettement plus puissante qui fut lancée sur Nagasaki  (cf. la petite histoire du Projet Manhattan).

2. La bombe à fission-fusion ou bombe H

Nous avons vu dans l'article sur la fission et la fusion nucléaires que la fusion nucléaire consomme plus d'énergie qu'elle n'en libère. Il faut donc utiliser l'énergie d'une autre réaction exothermique pour augmenter la puissance de la première explosion.

La bombe à hydrogène (thermonucléaire) explose en trois étapes. Tout d'abord on réalise une fission en tous points similaire à la précédente pour amorcer une réaction de fusion qui ne peut se produire qu'à de très hautes pressions et à des températures proches de 100 millions de degrés dans le noyau afin de vaincre la répulsion atomique.

La deuxième étape est la fusion thermonucléaire d'atomes légers comme l'hydrogène. 

C'est une réaction identique qui se produit dans les étoiles et qui les rend lumineuses. La fusion thermonucléaire d'un seul atome d'hydrogène produit 24.7 MeV d'énergie. La réaction la plus commune est celle impliquant du deutérium (D ou ²H), isotope stable naturel ayant un neutron supplémentaire et que l'on trouve dans l'eau de mer et du tritium (³H), réaction dans laquelle le neutron présente une énergie de 14 MeV. Les différentes réactions de fusion possibles sont les suivantes :

Les neutrons nécessaires à la réaction en chaîne sont formés spontanément au cours de la première explosion en bombardant un matériau appelé du "deutéride de lithium" placé dans le noyau. Lorsque le mélange atteint plus de 100 millions de degrés, les atomes de deutérium et de tritium fusionnent, libérant énormément d'énergie. En fait, à température donnée, le taux de réactions augmente en fonction du carré de la densité : une compression mille fois plus élevée conduit à la production d'un million de fois plus de réactions, d'où l'intérêt d'utiliser un explosif très puissant capable d'augmenter très rapidement et très fortement la pression dans le noyau de la bombe.

La troisième étape se produit au cours de la réaction de fusion durant laquelle des neutrons très rapides sont libérés avec une énergie telle qu'ils sont capables de fissionner les atomes d'uranium-235 et donc de réduire considérablement leur concentration (depletion), un phénomène impossible à réaliser à basse température. Cette troisième étape fait plus que doubler la puissance de l'explosion et produit l'essentiel des retombées radioactives de la bombe H.

Tous ces évènements se produisent en l'espace de 600 milliardièmes de secondes (550 milliardièmes de secondes pour la réaction de fission et 50 milliardièmes de secondes pour la réaction de fusion).

A l'inverse des bombes à fission dont l'énergie est limitée à l'équivalent de quelques milliers de tonnes de TNT (kT), la puissance des bombes H n'a pas de limite pratique : vous pouvez les faire aussi puissantes que vous voulez en ajoutant simplement du deutérium et du tritium à la deuxième étape. C'est pourquoi l'énergie de la plupart des bombes H est exprimée en mégatonnes (MT), l'équivalent de la puissance libérée par plusieurs millions de tonnes de TNT. Elles sont des centaines voire des milliers de fois plus meurtrières que les bombes A.

Du temps de la Guerre Froide et jusqu'en 1969, tous les bombardiers stratégiques de l'US Strategic Air Command en alerte (réelle ou exercice) étaient porteur d'au moins quatre bombes H de 1 MT à plus de 20 MT chacune, ce qui conduisit inévitablement à quelques accidents. Heureusement, si ce n'était pas encore réellement la "détente" en ces temps incertains, ces bombes n'étaient jamais armées (l'ogive nucléaire était souvent séparée du coeur de la bombe) et n'ont jamais provoqué d'apocalypse, mais ce fut parfois à un atome près.

Notons que parmi les applications civiles de la fusion nucléaire, il y a notamment la fusion magnétique dans laquelle un plasma confiné dans un tore magnétique est porté entre 100 et 300 millions de degrés durant quelque minutes. Deux prototypes européens sont actuellement en développement : JET (opérationnel) et ITER (2015). JET peut obtenir des fusions thermonucléaires contrôlées durant 1 minute en libérant une énergie d’environ 16 MW, un record mondial. ITER devait produire 500 MW de puissance de fusion durant 400 secondes.

3. La bombe à neutrons

En général à quelques kilomètres de l'hypocentre d'une explosion nucléaire classique, le blindage en acier d'un tank résiste à l'effet du souffle et à la chaleur d'une bombe A de puissance moyenne (100 kT), préservant ses occupants. Pour le percer et tuer les soldats, au cours des années 1950 le physicien Sam Cohen inventa la bombe à neutrons, une bombe thermonucléaire qui sera testée avec succès par les Américains entre 1958 et 1961. Peu après 1982, un canon de 155 mm fut même adapté à cet engin.

D'un point de vue militaire, la bombe à neutrons est dite "propre" comparée aux bombes A, H ou E. Sa conception a été optimisée afin de réduire les effets de l'explosion, en particulier la radioactivité, et augmenter énormément la quantité de neutrons libérés qui déclenchent la réaction en chaîne. Mais elle est plus mortelle qu'une bombe H !

En général, l'énergie libérée par une arme nucléaire est emportée par l'onde de choc et le souffle (50%), la chaleur (35%), la radioactivité (14.7%) et le rayonnement électromagnétique (0.3%).

Une bombe à neutrons libère jusqu'à 80% de son énergie sous forme de neutrons rapides ! Leur rayonnement est amplifié grâce à la diminution du taux de réactions de fission vis-à-vis du taux de réactions de fusion. On y arrive généralement en éliminant l'uranium-238 qui joue un rôle modérateur. Cette réaction de fusion libère jusqu'à 6 fois plus de neutrons qu'une arme de pure fission ou de fission-fusion-fission; son niveau d'énergie par nucléon est d'environ 14 MeV, similaire à celui d'une réaction de fusion nucléaire.

Le rayon de la zone affectée par l'explosion augmente comme le cube de la puissance. Une bombe à neutrons de 1 kT peut libérer instantanément une dose létale de 80 gray (8000 rad) dans un rayon de 690 mètres alors que la zone affectée par le souffle est limitée à 550 m. Par comparaison, une bombe nucléaire de 10 kT présenterait le même rayon létal mais le souffle se ressentirait jusqu'à 1220 mètres.

Pourquoi augmenter l'émission de neutrons ? Electriquement neutres, les neutrons interagissent peu avec la matière, mais ayant une masse voisine de celle du proton, ils interagissent très fortement avec ce dernier et principalement avec les tissus organiques constitués essentiellement d'eau.

La bombe à neutrons tue donc les êtres vivants tout en laissant les infrastructures et les armes intactes. Bien qu'il s'agisse d'une bombe thermonucléaire, c'est une bombe tactique par opposition aux armes stratégiques, car elle est construite de telle manière que le niveau de radiation devient insignifiant 48 heures après l'explosion, permettant aux troupes d'occuper le terrain pris à l'ennemi.

La bombe à neutrons W70 Mod 3 dispose d'un système permettant de choisir une puissance de 0.8 ou 1.6 kT. Cette bombe peut être emportée par un missile nucléaire Lance et lancée depuis la terre, un navire ou un sous-marin. Nous reviendrons sur la bombe à neutrons lorsque nous discuterons de ses effets.

La bombe à neutrons fut inventée suite à la Guerre Froide, du fait que les Russes étaient aux portes de l'Europe. Officiellement les Etats-Unis allait utiliser cette bombe si la Russie envahissait Berlin Ouest. Elle aurait tué les envahisseurs sans détruire le pays. Lorsque le président Jimmy Carter annonça publiquement l'existence de la bombe à neutron, il fut critiqué pour avoir développé une bombe visant les personnes plutôt que les installations. Suite à l'hostilité du public, le programme américain de bombe à neutrons fut finalement abandonné au tournant du millénaire.

Jusqu'à l'administration Clinton (1993-2001) seuls les Etats-Unis et Israël disposaient de bombes à neutrons. Mais suite au scandale du DNC/Chinagate (1993-94), la Chine annonça en 1999 qu'elle disposait de cette technologie depuis les années 1970 et on soupçonne l'Afrique du Sud et la France d'y avoir touché. Aujourd'hui, suite au démantèlement des armes nucléaires tactiques à l'échelle mondiale, ce genre de bombe ne devrait plus exister dans les arsenaux, du moins on l'espère. Comme la bombe atomique, son utilisation n'a jamais été officiellement interdite et tout laisse à penser qu'elle pourrait encore faire partie des arsenaux des Grandes Puissances.

4. La bombe EMP ou E-bombe

Le célèbre physicien soviétique Andreï Sakharov, que l’on connaît surtout pour son action politique s’est également fait connaître pour ses travaux en cosmologie (la nouvelle constante cosmologique, l’énergie du vide, l’évaporation des trous noirs, etc) mais également en matière de fusion nucléaire (cf. la Tsar Bomba) et d’armes à impulsion électromagnétique.

C’est à l’époque des premiers tirs nucléaires en haute altitude que les militaires se sont rendus compte que les bombes atomiques libéraient également un intense champ électromagnétique capable d’endommager les installations électriques et électroniques, y compris les ordinateurs embarqués à bord des avions du SAC censés surveiller l’évolution de la situation. L’USAF et les autres armées ont rapidement équipé toutes leurs infrastructures de protections adéquates et remplacé tous les circuits à risque par un réseau de cablage insensible aux champs électromagnétiques (cage de Faraday, fibre optique, etc).

Il existe deux types de bombe à impulsion électromagnétique ou E-bombe. La plus simple est l'UWB à bande ultra large qui tire profit d’un explosif générant un champ magnétique, la seconde est la HPM qui utilise un générateur de micro-ondes de haute puissance. Ces armes peuvent être stratégiques ou tactiques au point qu’elles sont accessibles à de petites armées. Outre les Etats-Unis et la Russie, la France et l’Allemagne ont développé en secret de telles bombes.

Les E-bombes se différencient des armes nucléaires par leur fait qu’elles ne produisent pas de radioactivité, mais uniquement des rayons gamma, elles sont discrètes, elles réduisent ou suppriment les dommages aux bâtiments et ne blessent pas les êtres vivants, elles se moquent des protections conventionnelles (abris) et les UWB sont bon marché et peuvent être utilisées par tout temps.

Comment un champ électromagnétique peut-il détruire des infrastructures ? Le plus simple est d'observer l'effet d'un éclair et de le transposer dans une application militaire avec un effet centuplé. Une arme EMP crée une ionisation des masses de gaz par effet Compton ce qui provoque une interruption temporaire des signaux électriques. Au sol le phénomène se répercute sur plusieurs dizaines de kilomètres et jusqu'à 2500 km de rayon lorsque la bombe explose dans la stratosphère. Ce genre d’arme n’a besoin que d’un support conducteur qui sera endommagé (brûlé) ou explosera à son passage : un système électrique, un réseau téléphonique, un réseau informatique ou une alimentation électronique par exemple.

En fait, le blocage des signaux électromagnétiques se manifeste déjà au cours d’une explosion nucléaire à l’instant où se crée la réaction de fission. On estime qu’une bombe atomique de 1 MT libère une énergie équivalent de 10 gigawatts dont 0.3% sont libérés sous forme électromagnétique. Nous y reviendrons dans un instant, lorsque nous discuterons des effets des explosions nucléaires.

5. La bombe à l'uranium appauvri

Enfin, des munitions (balles, mortiers, bombes, etc) peuvent contenir de l'uranium-238, les rendant extrêment performantes du fait de la grande densité du métal, sa toxicité (empoisonnement aux métaux lourds) et ses propriétés pyrophores (oxyde incendiaire). On y reviendra en quatrième page lorsque nous aborderons la question sensible des déchets nucléaires et discuterons de l'utilisation des armes à l'uranium appauvri et des questions qu'elles posent d'un point de vue éthique.

Maintenant que nous possédons un choix de combustibles et d'armes, des amorces et maîtrisons les réactions  nucléaires, nous avons tous les moyens pour fabriquer une bombe atomique et même contre l'avis général, la faire sauter sur le premier qui viendrait à nous chercher des noises. Tel est en tous cas l'opinion de certains chefs d'Etats ou de groupes terroristes qui aimeraient bien se l'accaparer.

Puisque nous savons comment  faire exploser des bombes, profitons-en également pour essayer de maîtriser à toute bonne fin leurs effets pour ne pas être surpris par un vent contraire par exemple. Protégés et casqués, entrons dans le théâtre des opérations et voyons pour commencer de quelle manière se forme le champignon atomique et ensuite les risques associés à l'explosion d'une bombe nucléaire. Mais n'avancez pas trop (restez au moins à 40 km de distance d'une bombe de 10 MT) car les effets seront violents. Alors tout le monde aux abris, c'est un conseil d'ami, ça va sauter ! 3... 2... 1... feu ! Boum ! Et c'est là qu'on se rend compte que l'homme aurait mieux fait d'enterrer cette invention...

Prochain chapitre

Création du champignon atomique