Alain Bouquet - Le programme Manhattan

Le 18 juin 1942, Roosevelt avait ouvert un crédit de 80 M$ pour la recherche sur les armes nucléaires. Le Manhattan Engineer District (dont le siège fut initialement à Manhattan, 270 Broadway) fut constitué en août 1942. Le Corps des Ingénieurs de l’U.S. Army est découpé sur une base géographique en divisions et en districts, de manière très souple puisque les districts sont créés et supprimés selon les besoins. Il n’y avait donc rien de surprenant à la création d’un nouveau district basé à Manhattan. Sauf que ce district particulier possédait en réalité une compétence territoriale couvrant tous les États-Unis, et que son siège a vite quitté Manhattan pour Washington.

Le colonel Leslie R. Groves (1896-1970) fut nommé le 17 septembre 1942 à la tête du Manhattan District, et promu général. Il avait supervisé la construction du Pentagone (septembre 1941-janvier 1943), le plus grand immeuble de bureaux du monde, et il avait une réputation de redoutable efficacité. Les choses allèrent effectivement très vite, puisque l’objectif était d’avoir des bombes opérationnelles dès l’été 1945.

Groves

Leslie R. Groves

Au moment où Groves prit ses fonctions, les États-Unis disposaient d’assez peu d’uranium 238, et bien sûr pas d’uranium 235 ou de plutonium. Il n’existait pas de plans d’armes nucléaires autres que les esquisses du Summer Study, ni d’idées précises sur les quantités de matériau fissile nécessaires, juste un ordre de grandeur. Il n’existait aucune usine de séparation isotopique, à peine des plans pour en construire. Aucun réacteur nucléaire ne fonctionnait encore, même à titre expérimental, et aucune usine de production et de séparation du plutonium n’était décidée. Et, malgré tous les efforts de Compton, il n’existait qu’une vague coordination entre les projets plus ou moins disparates menées dans plusieurs dizaines de laboratoires différents.

Le général Groves avait une forte personnalité et ne s’embarrassait guère de nuances et de subtilités. Sa vision du monde était en noir et blanc et il se méfiait grandement des scientifiques (à ses yeux tous quelque peu antimilitaristes, voire communistes, et trop souvent d’origine étrangère et donc peu fiables). Il était beaucoup plus à l’aise avec les ingénieurs, étant l’un d’eux, et il fit très largement appel aux sociétés d’ingénierie comme Stone & Webster ou Kellogg, et aux grandes entreprises privées comme DuPont, Kodak, Union Carbide, General Electric, Standard Oil ou Chrysler à qui il accorda les contrats de construction et d’exploitation des immenses usines nécessaires.

Liste (partielle) des groupes industriels impliqués :

* Allis-Chalmers Company

* Bakelite Corporation

* Bell Telephone Laboratories

* Canadian Radium and Uranium Company

* Consolidated Mining and Smelting Company - later Cominco

* E.I. du Pont de Nemours and Company

* General Electric Company

* Hooker Electrochemical Company

* M.W. Kellogg Company (sans rapport avec les céréales !)

* Monsanto Chemical Company

* Standard Oil Development Company

* Tennessee Eastman Company

* Union Carbide and Carbon Corporation

* Westinghouse Electric and Manufacturing Company

Donner aux ingénieurs plutôt qu’aux physiciens le contrôle du projet garantissait également Groves contre toute « rébellion » possible des scientifiques qui ne s’étaient lancés dans le projet d’arme nucléaire que par crainte de l’Allemagne nazie. En URSS au contraire, ce sont les physiciens, Kourtchatov et Khariton en tête, qui supervisèrent la construction des usines et les contrôlèrent ensuite. L’incompréhension, parfois teintée de mépris, fut longtemps réciproque entre physiciens et ingénieurs du programme Manhattan. Wigner, Fermi et les physiciens du Met Lab estimaient que seuls les physiciens pouvaient concevoir les réacteurs et les usines de séparation isotopique (ce qui était assez juste) et qu’ils étaient parfaitement capables de s’occuper de leur développement et de leur réalisation industrielle. Ils se rebellèrent devant ce qu’ils considéraient comme un « hold-up » commis par les gros industriels. Wigner écrivit directement le 20 novembre 1942 à Bush pour exiger que ce soit les physiciens qui contrôlent le programme (conception, fabrication et utilisation des usines) et non les ingénieurs, et encore moins les militaires. Il soutenait qu’il faudrait des mois avant que les ingénieurs de DuPont se familiarisent avec le domaine tout nouveau pour eux du nucléaire, alors que le temps était extraordinairement précieux. Il soupçonnait également, à tort, DuPont de se soucier plus de bien se placer pour dominer le nucléaire civil après la guerre que de réaliser au plus vite les réacteurs de Hanford.

Wigner était extrêmement anxieux des progrès éventuels des Allemands vers une bombe nucléaire. Pendant l’été 1942, Compton avait demandé à Wigner et Fermi leur avis sur ce risque, Wigner dit qu’il avait reçu un avertissement de Houtermans et il estima que — si les Allemands avaient les mêmes connaissances qu’eux — il leur faudrait 6 mois pour construire un réacteur de production de plutonium, 3 mois de fonctionnement avant d’en extraire le plutonium, deux mois pour en faire une bombe. Les délais étaient très courts !

Wigner

Jenö Pál (Eugene) Wigner (1902-1995)

Arthur Compton dut user de toute sa diplomatie pour parvenir à instaurer une étroite collaboration entre les physiciens (dont beaucoup avaient déjà reçu le prix Nobel comme Fermi et Franck, ou allaient le recevoir comme Seaborg, McMillan, Wigner ou Segrè) et les ingénieurs (parmi lesquels de futurs stars comme Crawford Greenewalt, futur président de DuPont, ou Eger Murphree, co-inventeur du craquage catalytique et futur président de la Standard Oil, devenue Exxon. Que DuPont, en particulier, ait construit sa fortune sur les poudres et explosifs, et que ses dirigeants soient politiquement très conservateurs, n’arrangeait pas les choses.

Condon parlait d’une « préférence abusive pour l’action au préjudice de la pensée », en se référant aux choix effectués par Groves et par les contractants industriels, et il démissionna au bout de deux mois de ses fonctions de directeur adjoint de Los Alamos en raison de divergences d'appréciation irrémédiables. Groves essaya également à plusieurs reprises de mettre Szilárd à l’écart du programme Manhattan, et même de le faire interner comme risque pour la sécurité. Szilárd avait tenté de jouer des droits que lui conféraient ses brevets pour maintenir son influence dans le programme nucléaire, mais Groves lui adressa un ultimatum : céder ses brevets ou être placé complètement à l’écart du projet. Szilárd céda. Groves mit en place une politique de brevets telle qu’aucun physicien, ni aucun contractant industriel, ne puisse se prévaloir de ses travaux pour influencer la politique nucléaire du gouvernement américain.

Condon

Edward Condon en 1950 © Life

Groves avait une parfaite connaissance des programmes de construction, des questions financières, du monde industriel et de la planification de la production. Il avait une grande expérience de la coordination des tâches complexes et de la gestion des grands projets. Il n’était pas impliqué émotionnellement dans les choix techniques et scientifiques, il n’était pas sensible à l’élégance d’une solution si elle risquait de retarder le programme, et il ne perdit jamais de vue l’objectif final. Groves sut déléguer ses responsabilités en structurant très fortement l’ensemble du programme nucléaire. Il le découpa en secteurs pratiquement étanches les uns vis-à-vis des autres, sauf aux plus hauts niveaux de la hiérarchie qui en assurait la coordination. Cela assurait bien sûr la sécurité militaire en limitant au maximum les risques de fuite, mais cela limita aussi gravement la transmission des connaissances et des expériences d’un secteur à l’autre, entraînant des retards et des erreurs évitables. L’expertise des Britanniques en matière d’enrichissement comme en matière d’explosifs fut longtemps délibérément rejetée. En majorité, les scientifiques n’acceptèrent que très difficilement ce cloisonnement, et un petit nombre finit par ne plus le supporter et par quitter le programme. Ils n’ont pas été très nombreux, d’abord parce que c’était la guerre et que l’adversaire risquait de les précéder dans la construction d’une bombe nucléaire, et ensuite parce que les défis scientifiques et techniques rencontrés étaient extrêmement stimulants.

Organigramme simplifié du programme Manhattan

Organigramme (très simplifié) de l’ensemble du programme Manhattan © Groves Now it can be told

Le Manhattan Engineer District (MED) était très fortement hiérarchisé, du fait de sa structure militaire, mais il rassemblait un vaste réseau de laboratoires fédéraux (à commencer par Los Alamos), de laboratoires universitaires (universités publiques comme Berkeley ou privées comme Columbia), de laboratoires industriels (DuPont, General Electric, Eastman), d’usines (construites par le privé et gérées sous contrat par le privé ou par le public selon le cas) et d’une foule de sous-traitants. Les décisions importantes, politiques, industrielles ou techniques ne furent pratiquement jamais prises par un individu seul mais par des commissions (commission Lewis en 1942 sur le choix des méthodes de séparation isotopiques, Top Policy Group sur les décisions stratégiques, etc.).

Bush rédigea le 16 décembre 1942 un rapport à Roosevelt, qui faisait le point des travaux (dont la première divergence de la pile de Fermi) et présentait le programme prévu : construction à grande échelle d’usines de séparation isotopique (par diffusion gazeuse et par séparation électromagnétique), construction de réacteurs de production et d’une usine de production d’eau lourde, et production des premières bombes à partir du premier semestre 1945. Le rapport présentait aussi une facture de 500 M$, et Roosevelt donna son feu vert le 28 décembre pour un programme devant mener à la production de bombes (le feu vert un an plus tôt était pour un programme de recherches sur la faisabilité de ces bombes).

Chronologie: 23 octobre 1942, seconde bataille d’El Alamein et victoire de Montgomery sur Rommel ; 8 novembre, débarquement allié en Algérie, 10 novembre, occupation allemande de la « zone libre » en France ; 15 novembre, victoire américaine à Guadalcanal ; 19 novembre, contre-offensive soviétique à Stalingrad ; 2 décembre, divergence de CP-1

Effort industriel

Le programme nucléaire fut d’abord un énorme effort d’organisation et d’ingénierie, bien plus encore qu’un programme de recherche scientifique. D’une certaine façon, l’essentiel des connaissances scientifiques nécessaires était acquis début 1943, et les scientifiques se sont ensuite surtout attachés à réaliser une arme opérationnelle. Groves impulsa sans merci un colossal effort technique, scientifique et industriel. Le programme Manhattan rassembla plus de 120 000 personnes et finit par coûter 2 milliards de dollars de l’époque (environ 30 millions en dollars actuels, et l’équivalent de près de 100 milliards en poids sur l’économie, atteignant 1% du PNB). Henry DeWolf Smyth a rédigé au cours de l’été 1945 un rapport officiel, rendu public après les bombardements d’Hiroshima et de Nagasaki, qui présentait tout l’effort industriel accompli. L’un des buts de ce rapport était bien sûr de justifier le coût immense du programme aux yeux des contribuables, mais il permettait aussi à tous les participants de voir leurs efforts reconnus : la plupart retournèrent en effet à la vie civile à la fin de la guerre, et ils devaient pouvoir justifier de leurs activités et de leurs compétences, malgré le secret militaire et industriel.

Il fallait passer très vite de microgrammes à plusieurs dizaines de kilos de produits fissiles, et le plus souvent inventer des méthodes et des procédés inexistants. Tous les moyens disponibles, toutes les solutions furent explorées en parallèle, et Groves obtint dès le 26 septembre 1942 une priorité maximale (priorité AAA) pour le programme Manhattan. Il était très clair dans son esprit qu’il s’agissait de construire une arme américaine sous contrôle américain exclusif et destinée à jouer un rôle central dans la diplomatie américaine future. Le danger d’une bombe allemande était jugé important, tandis que celui d’une bombe japonaise ou soviétique n’était guère pris au sérieux (ces pays étant - à tort - considérés comme technologiquement arriérés et juste bons à copier les réalisations américaines). La question demeure ouverte de savoir si pour les militaires et les politiques américains, le risque nucléaire allemand pesait alors plus lourd ou moins lourd que la perspective de disposer d’une domination militaire écrasante après la guerre.

Organigramme technique du programme Manhattan

La partie technique et scientifique de l’organigramme du programme Manhattan © Sylvain Lenfle

Nommé le 17 septembre 1942, Groves acquit dès le lendemain 1250 tonnes de minerai d’uranium d’origine belge, stockées à Staten Island. Le 19, il acquit 210 km2 de terrain au bord de la rivière Clinch dans le Tennessee près de la petite ville d’Oak Ridge pour le futur site X destiné à la séparation isotopique. Le 26, il obtint que le programme Manhattan ait une priorité absolue en ce qui concerne le recrutement de personnel et la fourniture de matériaux. Le 5 octobre, il rencontra les principaux scientifiques au Met Lab à Chicago et leur laissa moins d’une semaine pour figer les plans des futurs réacteurs de production de plutonium, et il entra immédiatement en pourparlers avec la firme DuPont de Nemours pour leur réalisation (le site finalement choisi fut le site W, Hanford dans l’état de Washington). Il reprit l’idée d’Oppenheimer d’un petit laboratoire d’étude de la fission rapide, l’amplifia considérablement en lui attribuant aussi la conception et la réalisation des armes, décida le 12 octobre de l’installer à l’écart de toutes les autres installations, et il en confia le 15 octobre la direction à Oppenheimer, choix validé le 19 par Bush. Ce fut le site Y, qu’Oppenheimer choisit le 16 novembre d’installer à Los Alamos au Nouveau Mexique.

À la différence d’Oak Ridge et de Hanford, le site Y n’avait pas de gros besoins en matière d’alimentation électrique. Mais il devait être isolé des regards, car on y concevrait des bombes, et être aussi loin que possible des côtes pour être hors de portée des Allemands et des Japonais (qui avaient peu avant bombardé des villes côtières à partir de sous-marins). Le choix initial de Jemez Springs au Nouveau- Mexique, trop confiné et sans route d’accès utilisable, fut rejeté au profit de Los Alamos, dans une région qu’Oppenheimer connaissait bien pour y passer des vacances depuis plusieurs années dans son ranch de Perro Caliente. L’Armée acquit en février 1943 le site d’un internat de garçons, la Los Alamos Ranch School, ainsi que tous les terrains environnants.

Sites du programme Manhattan

L’emplacement des principaux sites du programme Manhattan.

LE SITE W : HANFORD

DuPont

Groves signa le 28 décembre 1942 un contrat avec la société DuPont pour la conception, la réalisation et l’exploitation d’un ensemble de plusieurs réacteurs nucléaires. Il avait choisi cette société en raison de l’expérience qu’elle venait de démontrer dans le passage rapide de recherches de laboratoire à l’édification d’usines de production géantes avec le nylon. L’ingénieur qui avait dirigé le passage à l’échelle industrielle de la production du nylon, Crawford H. Greenewalt, prit la direction technique du projet. DuPont avait créé dès le 16 décembre 1942 une division indépendante, baptisée TNX, avec un groupe technique chargé d’assurer la liaison avec les physiciens et de traduire leurs équations en plans techniques, et un deuxième groupe chargé de la conception détaillée et de la construction des réacteurs et des usines (DuPont était une des rares grosses sociétés à construire elle-même ses usines). Greenewalt se heurta immédiatement à l’opposition des physiciens du Met Lab (Fermi, Szilárd, Wigner) qui tenaient à conserver la maîtrise des opérations. Avec beaucoup de diplomatie, et l’appui d’Arthur Compton, Greenewalt réussit à les convaincre des mérites de son approche : planification, prototype puis gel des configurations, marges de sécurité pour tenir compte des « imprévus prévus » mais aussi des « imprévus imprévus ». Les physiciens resteront marqués par cette approche, qui se retrouve dans les grands projets de la Big Science d’après guerre, du nucléaire à l’espace. Le contrat avec DuPont prévoyait que cette société ne toucherait qu’un seul dollar (plus les frais), car DuPont avait fait l’objet de violentes critiques après la Première guerre mondiale au sujet des bénéfices qu’elle avait alors réalisés dans la production d’explosifs (qui avait été sa spécialité depuis sa fondation, et jusqu’à sa reconversion des années 1920 dans les matériaux synthétiques).

Crawford Greenewalt

Crawford H. Greenewalt, l’ingénieur de DuPont qui construisit Hanford ©Time

Le choix de Hanford

DuPont avait examiné de près les projets de réacteur du Met Lab avant d’accepter la responsabilité de la construction – initialement envisagée sur le site d’Oak Ridge. La société estima pouvoir affecter le personnel nécessaire, malgré la charge de travail que représentait alors la fabrication à grande échelle d’explosifs pour l’Armée et la Marine. L’idée d’installer les réacteurs de production à côté du réacteur pilote X-10 parut cependant vite risquée : d’abord la place manquait sur le site pour installer 3 gros réacteurs et les usines de séparation associées, ensuite la consommation d’eau et d’électricité risquait de vite saturer les ressources du site, enfin la proximité de la ville de Knoxville inquiétait Groves. Greenewalt et Groves se mirent alors en quête d’un autre site, de préférence dans l’Ouest.

Les critères étaient stricts : une zone vierge de 15 km sur 20 km au minimum, pas de grande route ni de voie ferrée importante à moins de 15 km, pas de ville de plus de 1000 habitants dans un rayon de 30 km, des ressources en eau supérieures à 2 m3/s et une alimentation électrique de plus de 100 MW. Parmi les 6 sites possibles, du sud de la Californie au nord de l’État de Washington, celui de Hanford présentait le meilleur compromis.

Emplacement du site de Hanford

La région de Hanford (marqué par A) : la région de Seattle est à 300 km au nord-ouest, le barrage de Grand Coulee à 150 km au nord.

Groves fit donc acheter en janvier 1943 une zone de 1 500 km2 dans l’État de Washington, le long de la rivière Columbia. La région était peu peuplée (les quelques villages furent vidés de leurs habitants) mais accessible cependant par le rail et la route, le terrain était plat et rocheux et à même de soutenir les immenses constructions de béton, l’eau était abondante pour le refroidissement des réacteurs, et le site serait bien alimenté en électricité par les barrages de Grand Coulee et de Bonneville. Il fallut cependant construire plusieurs centaines de km de routes, de voies ferrées et de lignes à haute tension, des milliers de logements (à bonne distance des usines), des centaines de bâtiments administratifs et d’ateliers de maintenance, des magasins et des restaurants, des réservoirs et des châteaux d’eau, et même tout un réseau d’égouts. Une ville champignon s’éleva rapidement, à quelque distance des réacteurs par sécurité, Les conditions de vie étaient très pénibles, surtout dans les premiers mois, et beaucoup de travailleurs démissionnèrent rapidement. La construction de meilleurs logements, de lieux de loisirs et des salaires plus élevés améliorèrent la situation et la ville comptait près de 51 000 habitants pendant l’été 1944 (dont 9% de femmes). Presque tous ignorèrent jusqu’à la fin du conflit la nature réelle et l’objectif de leur travail.

Zone résidentielle pendant la construction de Hanford

La zone résidentielle provisoire (Hanford Camp) pendant la construction de Hanford

Le noyau initial du personnel d’exploitation fut formé à Oak Ridge sur le réacteur pilote X-10 et l’usine de séparation du plutonium associée. La construction des réacteurs proprement dits commença dès juin 1943, avant que les plans n’aient été complètement finalisés. Les difficultés principales vinrent des tolérances extrêmement sévères, aussi bien pour les éléments des réacteurs, comme les briques de graphite, que pour l’étanchéité absolue exigée des bâtiments de séparation du plutonium (pour éviter de disperser des produits radioactifs dans l’atmosphère). Après la mise en route, la radioactivité serait trop intense pour que des modifications majeures soient apportées aux bâtiments.

Viste de Bush, Conant et Groves à Hanford

Vannevar Bush, James Conant et Leslie Groves à Hanford

Environs du réacteur B à Hanford

Hanford : le réacteur B est sur la droite, et l’usine de déminéralisation sur la gauche, derrière l’un des deux châteaux d’eau qui encadrent le réacteur, la rivière Columbia est en arrière-plan ©DoE

Le site de Hanford rassembla à l’époque 3 réacteurs uranium-graphite (B, D et F) destinés à la production à grande échelle de plutonium et 3 usines de séparation chimique (T, B et U) pour extraire le plutonium du combustible irradié. Une usine de déminéralisation pour l’eau de refroidissement fut construite à côté du réacteur B, mais elle ne servit finalement pas car une technique plus rapide de purification fut trouvée entre temps.

Ensemble du site de Hanford (état actuel)

La région de Hanford, avec le réacteur B (flèche A). Le réacteur D se trouve plus à l’est, juste avant le coude de la rivière et le F juste après. Les autres zones grises le long de la rivière sont les réacteurs construits après la guerre, comme les 2 réacteurs K (flèche B). Plus au sud, les complexes d’extraction du plutonium (les « Queen Mary » et bâtiments annexes).

Le réacteur de test HTR

Un petit réacteur fut également construit (Hanford Test Pile, puis Test Reactor, HTR) dans le bâtiment 305 pour vérifier la qualité des matériaux utilisés dans les réacteurs de production (graphite, uranium, tubes d’aluminium) et tester leur tenue aux rayonnements. Le cœur était un cube de graphite de 5.3 m de côté, entouré d’une couche réflectrice de 30 cm de graphite et de près de 2 m de béton, et percé de 519 trous pour le refroidissement par air. 20 trous rectangulaires horizontaux permettaient d’insérer les matériaux à tester. Les 27 tonnes d’uranium étaient réparties dans 292 barres espacées de 22 cm. Des barres de cadmium verticales et horizontales permettaient le pilotage de ce réacteur. Sa puissance était très faible, moins de 50 W. Il entra en fonctionnement en mars 1944 et deux mois plus tard il fonctionnait 24h/24 pour les tests de matériaux. Il ne fut arrêté qu’en mai 1972.

Réacteur HTR de Hanford

La face avant du réacteur de test de Hanford (HTR) : sur la gauche de l’opérateur, les emplacements de test pouvant être glissés à l’intérieur du cœur.

Le réacteur B

Extérieur du réacteur B de Hanford

Le réacteur B fut conçu par Wigner et sa construction commença le 7 juin 1943. La puissance accrue ne permettait pas de le refroidir par air, et Wigner avait opté pour un refroidissement par eau. Il était certainement conscient du danger inhérent de ce type de réacteur : si le débit d’eau de refroidissement baissait, la chaleur dégagée par la fission (et les produits de fission) conduirait à l’ébullition de l’eau et à sa vaporisation. Sa densité diminuant, l’eau absorberait moins de neutrons, le facteur de réactivité k augmenterait de 3%, suffisant à accélérer la réaction en chaîne hors de contrôle. Cela ne se produit pas dans les réacteurs à uranium enrichi et eau sous pression, car celle-ci joue aussi le rôle de modérateur dévolu au graphite à Hanford : une perte de liquide de refroidissement diminue aussi la modération et ralentit la réaction en chaîne.

Réacteur type RMBK

Schéma d’un réacteur à uranium naturel modéré par le graphite et refroidi par l’eau (ici, il s’agit d’un réacteur russe RMBK, mais le principe est le même à Hanford) © Wikipedia

Le réacteur était formé d’un cylindre (couché sur le côté) de graphite de 12 m de diamètre sur 9 m de long (2 200 tonnes = 1 000 m3) percé de 2 004 tubes d’aluminium de 1.7 cm de diamètre, espacés de 22 cm, et formant 46 rangées horizontales. Chaque tube était rempli de 32 « crayons » (slugs) d’uranium de 20 cm de long, enveloppés d’aluminium. Des crayons vides perforés étaient intercalés entre les crayons d’uranium, et des crayons de 15 cm remplis d’un alliage de bore et de plomb étaient placés aux extrémités des tubes. En tout, il y avait 180 tonnes d’uranium (Weinberg dit 250, la différence vient peut-être du remplissage des angles après le xénon). Neuf barres horizontales en acier au bore, de 12 m de long et 11 cm de diamètre et refroidies par une circulation d’eau, permettaient de piloter le réacteur. Deux étaient déplacées électriquement, et les 7 autres hydrauliquement. 29 barres de sécurité verticales de 13 m de long et 7 cm de diamètre, également en acier au bore, étaient suspendues au-dessus du graphite. Elles étaient retenues par un électro-aimant et pouvaient tomber instantanément par gravité en cas d’urgence. Un liquide au bore pouvait, en dernier recours, être pompé depuis un réservoir situé au dessus du réacteur le long des barres de sécurité. Le cœur formait une enceinte étanche remplie d’hélium qui permettait d’extraire l’humidité, les gaz formés par la fission, ainsi qu’une partie de la chaleur. La quantité de vapeur d’eau présente permettait aussi de s’assurer de l’absence de fuite d’eau dans les circuits de refroidissement.

Schéma du réacteur B de Hanford

Hanford : schéma du réacteur B © DoE

Face avant du réacteur B de Hanford

Hanford : la face avant à l’intérieur du réacteur B ©DoE

La puissance atteignait 250 MW thermiques pour fournir 6 kg de plutonium par mois. L’eau de refroidissement, pompée à 3 m de profondeur (avec des filets anti-poissons) dans la rivière Columbia était filtrée, traitée chimiquement avec du bichromate de soude (pour réduire la corrosion) et stockée dans 4 réservoirs de 7 000 m3 avant d’être envoyée vers le réacteur. Deux châteaux d’eau de 1 200 m3 chacun servaient en cas d’urgence. L’idée de refroidir cette eau fut abandonnée, de même que l’usine de déminéralisation. Le débit de 2 m3 d’eau par seconde (à la mise en route du réacteur, près de 5 quand la puissance fut augmentée) passait à 60 m/s entre les tubes et le graphite, et cela produisait un vacarme assourdissant. Après son passage dans le réacteur, l’eau décantait 3 à 4 h dans un réservoir avant de retourner à la rivière.

Vannes du réacteur B de Hanford

Les vannes de régulation de la circulation d’eau.

Le pilotage du réacteur était très simple, au début du moins. Les opérateurs réglaient le degré d’enfoncement des barres de contrôle. Un système automatique de sécurité activait les barres de contrôle et de sécurité dès que le flux de neutrons dépassait un certain seuil, mesuré par 4 chambres d’ionisation placées autour du réacteur, ou en cas de panne de courant. Très vite des jauges de pression furent ajoutées à chacun des 2004 tubes (d’où 2004 cadrans à surveiller), avec un arrêt automatique dès que la pression dans l’un des tubes devenait trop forte ou trop faible. Des thermocouples surveillaient également la température de sortie de l’eau de chaque tube (normalement limitée à 65°C), ainsi que la température en plusieurs points du graphite et du blindage autour. La radioactivité de l’eau en sortie était aussi mesurée par 39 chambres d’ionisation (une pour chaque tuyau principal d’évacuation) : une augmentation anormale signalait que l’un des crayons s’était fissuré laissant pénétrer l’eau dans l’uranium qui gonflait, bloquait la circulation d’eau, chauffait et fondait. Des produits de fission pouvaient également passer dans l’eau à cette occasion.

Poste de contrôle du réacteur B de Hanford

Le poste de commande du réacteur B de Hanford. Les 9 gros cadrans indiquent la position des 9 barres de contrôle, les curseurs noirs en dessous la puissance du réacteur

Xénon !

Le chargement en uranium commença le 18 septembre 1944 et le réacteur divergea le soir du 26 septembre, en présence de Fermi et Greenewalt. À ce moment là, seuls 901 tubes sur 2004 étaient remplis avec de l’uranium. La puissance fut progressivement augmentée jusqu’à 9 MW et elle se stabilisa à ce niveau. Mais la puissance commença à diminuer régulièrement après quelques heures de fonctionnement. Les physiciens se demandèrent si l’eau de refroidissement avait eu un effet imprévu, ou si l’azote de l’air absorbait trop de neutrons, et demandèrent une réduction de la puissance à 0.2 MW le matin du 27, mais la réactivité continuait à décliner. Via les barres de contrôle, les opérateurs arrêtèrent complètement le réacteur à la recherche de fuites, sans succès.

Chargement d'un réacteur nucléaire en uranium (vu par Hergé)

Le chargement d’un barreau d’uranium vu par Hergé (Objectif Lune)

Mais le réacteur repartit spontanément dans la nuit, remontant de lui-même à 0.2 MW au matin du 28 septembre. Les physiciens décidèrent alors de remonter la puissance à 9 MW comme précédemment. La même séquence se répéta, la réactivité se stabilisa puis baissa à nouveau rapidement. En analysant la séquence de départs et d’arrêts, les physiciens se demandèrent si le rayonnement du réacteur induisait le dépôt sur les tubes d’une substance quelconque qui absorbait les neutrons, substance que l’eau de refroidissement parviendrait à dissoudre pendant les réductions de puissance. L’alternative était la génération d’un produit de fission à vie courte (~ 7 h) dont le descendant, également à vie courte (~ 9 h), serait un gros absorbeur de neutrons. Wheeler, alors à Hanford, résolu le problème dès le matin du 29 septembre en identifiant les coupables — via leurs durées de vie — comme étant l’iode 135 et le xénon 135. Cela impliquait que ce xénon devait avoir une section efficace de capture des neutrons au moins 30 fois supérieure à celle de tout isotope alors connu ! Le xénon 135 avait été étudié par Emilio Segrè et Mme Wu Chien-Shiung mais sans que cette particularité ait été remarquée. Autres sources : Wigner [selon Rhodes Dark Sun] Fermi et Wheeler [selon Alvin Weinberg], ou Leona Woods, mais Wheeler dit que c’est lui !

Parmi les nombreux produits de fission de l’uranium, le xénon 135 est en effet un véritable piège à neutrons (sa section efficace de 2.6 millions de barns le rend 150 fois plus efficace dans ce rôle que le cadmium des barres de régulation). Au fur et à mesure de sa production, il étouffait donc les réactions en chaîne. Mais comme sa durée de vie n’est que de 9 heures (il se transmute en césium 135) et que d’autre part il se transforme par capture neutronique en xénon136 stable ne capturant pas de neutrons, au bout de quelques jours la quantité de xénon devenait assez faible pour que la réaction en chaîne reparte, et le cycle recommençait. L’empoisonnement au xénon est une complication très importante du pilotage des réacteurs (il a contribué à l’accident de Tchernobyl).

L’empoisonnement au xénon n’avait pas été repéré sur le réacteur pilote car, en raison de sa faible puissance, le xénon n’avait pu s’accumuler en quantité suffisante pour étouffer la réaction en chaîne. Wheeler calcula qu’il fallait augmenter la réactivité de 1.3% pour compenser les pertes de neutrons dues au xénon. Les marges de sécurité imposées par les ingénieurs de DuPont permirent de compenser ces pertes : en remplissant d’uranium les 500 barres d’angle, le facteur de multiplication k augmenta de 0.27%. Les ingénieurs n’avaient pas anticipé le risque particulier du xénon, mais ils avaient jugé que multiplier la puissance d’un facteur 100 les exposait à des phénomènes inconnus, et ils avaient préféré surdimensionner le réacteur pour parer aux imprévus. Sinon, le réacteur aurait dû fonctionner à puissance plus réduite, 90 MW probablement, jusqu’à ce que le bore résiduel du graphite soit suffisamment détruit par les captures neutroniques pour récupérer 0.2 ou 0.3% sur le facteur de multiplication k. L’alternative de démonter le réacteur (il avait fonctionné trop peu de temps pour que la radioactivité soit trop intense) pour l’agrandir aurait fait perdre plusieurs mois. Le fonctionnement reprit, les tubes furent chargés les uns après les autres en uranium au cours des 3 mois suivants et la puissance put monter à 100 MW.

Le 20 décembre 1944, 2002 des 2004 tubes étaient chargés en uranium et le réacteur fonctionna désormais en continu jusqu’au 16 mars 1946, la puissance prévue de 250 MW étant atteinte en février 1945. Entre temps, les premiers éléments (slugs) avaient été extraits de la région centrale (la première chargée) le 24 novembre 1944, laissés reposer dans l’eau jusqu’au 26 décembre, puis le plutonium en fut séparé chimiquement en janvier 1945 avant de partir à Los Alamos où les 720 g arrivèrent le 2 février.

Le fonctionnement du réacteur ne fut pas optimal pendant la guerre, faute d’expérience et faute de temps pour effectuer des essais. En particulier, la disposition des barres de contrôle ne conduisait pas à un flux de neutrons uniforme dans le réacteur. Il était plus intense au centre qu’à la périphérie, ce qui conduisait à une irradiation plus faible (et donc moins efficace pour la production de plutonium) dans cette zone. Cela entraînait des gradients de température, qui dilataient le graphite au centre et courbaient dangereusement les tubes. L’effet Wigner s’ajoutait à cela, augmentant les tensions et l’énergie accumulée dans le graphite. C’est pour cela que fut prise la décision d’arrêter le réacteur à partir du 16 mars 1946. L’arrêt fut complet le 26 avril. Des réparations et des améliorations furent exécutées pendant les deux années suivantes, ainsi qu’un recuit du graphite pour éliminer l’effet Wigner. Le réacteur B fut redémarré le 1° juillet 1948 et la puissance monta jusqu’à 275 MW le 16 juillet.

Les autres réacteurs de production de plutonium

Le réacteur F à Hanford

Construits à 10 km les uns des autres le long de la rivière Columbia, les réacteurs D et F étaient pratiquement identiques au B, et ils entrèrent en service le 17 décembre 1944 et le 25 février 1945. La puissance installée atteignit 3x250 MWt portant la production totale de plutonium à Hanford à 18 kg par mois à l’été 1945. En mars, le colonel Franklin T. « Fritz » Matthias, le représentant de Groves à Hanford, pouvait annoncer à son supérieur que 10 kg de plutonium pourraient être envoyés à Los Alamos avant la mi-juillet. En fait, 7 kg furent livrés avant le 1° juin et le colonel Kenneth Nichols put alors promettre à Oppenheimer la livraison de 6 kg par mois en juin, juillet et août, passant à 14 kg/mois à partir de septembre. Il fallait 6.2 kg de plutonium pour une bombe de type Fat Man : cela permit de réaliser « Gadget » pour l’essai Trinity et de disposer de deux bombes au plutonium début août (en plus d’une bombe à l’uranium).

Carte du site (actuel) de Hanford

Plan des installations (actuelles) de Hanford

Les 3 réacteurs furent modernisés après la guerre (leur puissance passant de 250 MWt à 2 000 MWt) avant d’être arrêtés dans les années 1960, et six autres réacteurs furent construits. Le complexe de Hanford a fourni la plus grande partie des 60 tonnes de plutonium employées au fil des années dans l’arsenal américain.

Les usines de séparation chimique du plutonium

Seaborg et Cooper avaient mis au point au Met Lab une méthode d’extraction chimique du plutonium formé dans l’uranium, basée sur le fluorure de lanthane, puis une seconde utilisant le phosphate de bismuth. Greenewalt choisit la seconde pour l’usine construite à Oak Ridge à côté du réacteur pilote X-10, puis pour celles de Hanford qui en étaient des versions agrandies. La construction des 3 (groupes d’) usines de séparation chimique T, B et U avait commencé presque en même temps que celle des réacteurs mais, faute de main d’œuvre elle fut suspendue plusieurs mois (les fondations restant à ciel ouvert) et ne reprit qu’en janvier 1944. L’ensemble se trouvait à 15 km au sud des réacteurs. T et U furent terminés en octobre, et B en février 1945 (et commença à traiter l’uranium en avril).

Les plus spectaculaires des bâtiments étaient les énormes édifices de 260 m de long (sur 30 m et large et 30 de haut) sans aucune fenêtre qui furent surnommés les Queen Mary par les ouvriers qui les construisirent (par analogie avec le paquebot). On les appelait aussi les canyons. Ils étaient entourés de bâtiments plus petits destinés à isoler le plutonium dans les dernières étapes.

Le "Queen Mary" T à Hanford

À l’intérieur de chacun des Queen Marys se trouvait une succession de 40 cuves de 5 m de côté et 7 m de profondeur, avec des parois et un couvercle amovible de béton de 2 m d’épaisseur.

L'intérieur du "Queen Mary" B

The slugs were dissolved at the start of the process and bismuth phosphate carried the plutonium through the long succession of process pools. The entire area above the cells was enclosed by a single gallery sixty feet high and running the length of the building. Radiation levels in the gallery, or canyon, were too high to permit access by unprotected personnel. Along one side of the cell row and separated from it by seven feet of concrete were the operating galleries on three levels, the lowest for electrical controls, the intermediate for piping and remote lubrication equipment, and the upper for operating control boards that included specially designed periscopes and closed-circuit television sets. Due to the high radiation levels, the canyons were virtually inaccessible and had to be repaired by remote control or, when radiation levels were low enough, by personnel wearing full radiation protection gear. T Plant ceased chemical separation in 1956 but continues to be used for other activities. In the Queen Marys, bismuth phosphate carried the plutonium through the long succession of process pools. The concentration stage was designed to separate the two chemicals. The normal relationship between pilot plant and production plant was realized when the Oak Ridge pilot plant reported that bismuth phosphate was not suitable for the concentration process but that Seaborg's original choice, lanthanum fluoride, worked quite well. Hanford, accordingly, incorporated this suggestion into the concentration facilities. The final step in plutonium extraction was isolation, performed in a more typical laboratory setting with little radiation present. Here Perlman's earlier research on the peroxide method paid off and was applied to produce pure plutonium nitrate. The nitrate would be converted to metal in Los Alamos, New Mexico.

Expliquer les opérations

Les opérations de séparation du plutonium à Hanford

Queen Mary T (vue extérieure) Environnement du Queen Mary T

Hanford : le Queen Mary T

Malgré les précautions prises, des rejets importants de contaminants radioactifs eurent lieu dans l’air (surtout de l’iode 131) et dans l’eau de la rivière Columbia, avant que l’installation de filtres les réduisent après 1946. Entre 10 et 20 000 personnes auraient alors reçu des doses de rayonnement supérieures aux normes (alors) admissibles. Pendant la guerre, le mot « radioactivité « ou « rayonnement » étant censurés, les panneaux se contentaient de mentionner « Danger » ou « Entrée interdite » ce qui n’était pas très dissuasif. Hanford est aujourd’hui le site radioactif le plus contaminé des États-Unis (plus de 5 millions de curies), et un énorme programme est en cours pour améliorer la situation.

Santé et radioprotection

Dès les débuts du projet, se posa la question de la protection radiologique des milliers de personnes qui auraient à manier de grandes quantités de produits très radioactifs. Au Met Lab de Chicago, des physiciens et des médecins durent concevoir les blindages nécessaires pour les premiers réacteurs. Le responsable de la protection radiologique, le Dr. Robert S. Stone, demanda une synthèse de toutes les connaissances sur les risques radiologiques. Les connaissances accumulées depuis le début du siècle concernant les effets des rayons X et des corps radioactifs permettaient de définir des seuils à partir desquels les tissus étaient altérés, mais rien n’était connu sur les effets à long terme de doses plus faibles. Stone défendit une attitude de grande prudence (ne serait-ce que pour éviter que tous les brillants physiciens et ingénieurs concentrés autour des sources radioactives tombent malades). Il définit la règle selon laquelle l’exposition devait demeurer aussi basse que possible, et ne pas se contenter d’une dose qui ne provoque pas de symptôme visible. Il y avait là un changement notable d’optique, avec le passage d’une dose « tolérable » à une dose « admissible » (ce qu’on appelle aujourd’hui le principe ALARA, As Low As Reasonably Achievable). Les discussions au cours du demi-siècle qui suivit portèrent en grande partie sur le sens à donner au mot « raisonnablement ».

Stone et Lawrence

Robert Stone et John Lawrence (frère d’Ernest) traitant en 1939 la tumeur d’un patient à Berkeley avec des neutrons émis par le cyclotron de 60 pouces ©LBL

"I must confess that one reason we have undertaken this biological work is that we thereby have been able to get financial support for all of the work in the laboratory. As you know, it is much easier to get funds for medical research." Lawrence to Bohr, 1935

Médecins, biologistes et physiciens collaborèrent pour mesurer aussi précisément que possible les effets biologiques, toxicologiques et radiologiques des nouveaux corps synthétisés (en particulier le plutonium, dont on ne connaissait encore rien des effets biologiques) et des divers produits de fission de l’uranium. Ils définirent ainsi les quantités de produits et les intensités de rayonnement conduisant à des doses « admissibles », car entraînant un risque jugé faible comparé aux risques courants de la vie. Ces études entraînèrent une forte réduction des doses de rayonnement jusque là jugées tolérables (pour les radiologues par exemple). Les pionniers de l’emploi des radio-éléments aussi bien comme traceurs biologiques que comme outils thérapeutiques, comme le Dr. Joseph Hamilton (1907-1957), fixèrent des valeurs de contamination admissible pour des radioéléments comme le sodium 24, le cobalt 60, les strontiums 89 et 90, l’iode 131, le polonium 210 et bien sûr le plutonium 239. L’enregistrement des doses reçues par les travailleurs exposés devint systématique, des examens réguliers du sang (tous les 3 mois) furent imposés, ainsi que des bilans médicaux annuels.

Joseph Hamilton en 1939

Le Dr. Joseph Hamilton (à gauche) buvant en 1939 du sodium radioactif pour en étudier les effets biologiques, le bras dans un compteur de rayonnements surveillé par le physicien Robert Marshak ©LBL

Cependant, les mineurs des mines d’uranium furent soumis en toute connaissance de cause à des niveaux de radon excessifs, sans que le gouvernement ne prenne les mesures nécessaires de ventilation des mines pour réduire les risques. Il fallut près d’un demi-siècle avant que l’administration fédérale reconnaisse ses torts. En outre, certaines expériences médicales se déroulèrent sans que les patients soient informés des risques potentiels. À Berkeley, Hamilton injecta du plutonium à des rats mais aussi à des patients humains (jugés mourants) pour en étudier les effets biologiques : il découvrit que le plutonium se fixait de préférence dans les os et y demeurait, provoquant des cancers de la moelle et des leucémies.

Des expériences similaires se déroulèrent à Rochester, Oak Ridge, Chicago et Los Alamos. Elles conduisirent certains médecins (comme Hamilton) et physiciens (comme Oppenheimer ou Fermi) à suggérer l’étude d’une guerre radiologique, en principe pour que les États-Unis puissent mettre au point des méthodes de prévention au cas où elle serait employée par les Allemands ou par les Japonais (et plus tard par les Soviétiques). Le colonel Kenneth Nichols, le bras droit du général Groves, leur opposa un refus catégorique. Et bien sûr l’étude des survivants des explosions d’Hiroshima et de Nagasaki apporta énormément à la connaissance des effets à long terme d’une exposition à une très forte dose de rayonnements.

Evolution des seuils admissibles en radioprotection

Évolution des seuils admissibles de radioactivité (1 rem = 10 mSv)

Chronologie

Chronologie du programme Manhattan

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