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PETITE HISTOIRE DE LA PHYSIQUE NUCLÉAIRE 16 – URANVEREIN LE PROGRAMME NUCLÉAIRE ALLEMAND

Alain Bouquet

Laboratoire AstroParticule et Cosmologie

CNRS - Université Denis Diderot - CEA - Observatoire de Paris P

Hahn & Strassmann Joliot-Curie

Meitner & Frisch Seaborg Wigner

Fermi & Szilard CP-1

Uranium Committee

Manhattan Compton Oppenheimer

Bohr Frisch & Peierls MAUD

Uranverein Heisenberg Harteck, Diebner

Flerov Kourtchatov

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 2 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 3 P

Les Allemands se lancèrent très vite dans un programme nucléaire militaire de grande ampleur Le programme nucléaire britannique – puis le programme américain – furent lancés pour contrer la menace d’une bombe allemande En janvier 1942, l’Allemagne était nettement en avance côté expérimental (prototypes de réacteurs) un peu en retard côté théorie(fission rapide, calculs de masses critiques) Mais elle n’atteignit jamais l’étape franchie le 2 décembre 1942 aux Etats-Unis : une réaction en chaîne entretenue et contrôlée

Explications ? 1. Sabotage délibéré des physiciens allemands pour freiner la réalisation d’une arme décisive pour Hitler 2. Incompétence majeure de ces physiciens Ou alors …

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 4 L U

Hahn sembla n’avoir parlé à ☞ Le premier Uranverein! personne d’autre que Meitner de réunions régulières à sa découverte Göttingen (Joos & Hanle) Siegfried Flügge et Gottfried → possibilités d’un réacteur von Droste, ses assistants au nucléaire KWIC, l’apprirent dans le et d’une bombe nucléaire journal Naturwissenschaften! → embargo sur les exportations de radium et d’ → 22 janvier: calcul de l’énergie libérée dans une En parallèle fission, et recherche de secondaires (avec alerta le 24 Hermann Reddeman) avril le Ministère de la Guerre sur la possibilité d’un Article de Joliot sur la réacteur et d’une bombe possibilité d’une réaction en Siegfried Flügge publia le 9 chaîne (paru le 22 avril) ⇒ juin un article remarqué Kann réunion secrète le 29 au der Energieinhalt der Atomkerne technisch Ministère de l’Éducation à nutzbar gemacht werden ? Berlin passa l’été 1939 aux USA et il discuta de [, , Robert Döpel, fission avec Fermi, Bethe, , , , Gerhard Hoffmann, Georg Joos] Wigner, Compton…

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 5 L U

Articles de Flügge et de Bohr et Décision le 26 septembre de Wheeler lancer 3 axes de recherche réacteur (Uranbrenner) ☞ formation par l’Armée d’un enrichissement en 235U second Uranverein, le 1° septembre 1939, sous la direction de Kurt arme nucléaire? Diebner (1905-1964), conseiller ⇒ répartition des tâches scientifique du Ministère de la Guerre! théorie de la fission (Heisenberg) séparation isotopique (Harteck) mesure des sections efficaces fission et absorption par l’uranium (Hahn ?) absorption par l’eau lourde (Bagge) absorption par le graphite (Bothe)

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 6 L U

, directeur du Le second Uranverein KWIP dut laisser sa place à rassembla une soixantaine de Diebner et s’exiler aux physiciens mais Etats-Unis de manière peu coordonnée avec des réticences marquées ⇒ tout le monde sut que (von Laue, Hahn, Gentner) l’Armée prenait le contrôle des mésententes violentes du KWIP ⇒ existence d’un (entre Heisenberg et Harteck, programme nucléaire militaire Bothe, et surtout Diebner)

New York Times, 5 mai 1940 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 7 L

Walther Bothe (Heidelberg) : mesure des constantes nucléaires (~ 6 physiciens) (Munich) : séparation isotopique et production d’eau lourde (~ 4 physiciens et chimistes) (Berlin-Gottow) : prototypes de réacteurs (~ 6 physiciens) (KWIC Berlin) : transuraniens et produits de fission (~ 6 physiciens et chimistes) Paul Harteck (Hambourg) : séparation isotopique et production d’eau lourde (~ 5 physiciens et chimistes) Werner Heisenberg (Leipzig et KWIP Berlin) : prototypes de réacteurs (~ 7 physiciens et chimistes) Fritz Houtermans (Berlin) : théorie (~3 physiciens) Hans Kopfermann (Kiel, puis Göttingen) : séparation isotopique (~ 2 physiciens) Nikolaus Riehl (société Auer, Oranienburg) : production d’uranium (~ 3 physiciens) (Vienne) : transuraniens et constantes nucléaires (~ 6 physiciens et chimistes) Carl von Weizsäcker (KWIP Berlin) : théorie et transuraniens

☞ une centaine de personnes impliquées 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 8 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 9 L H 1939

Heisenberg présenta le 6 décembre 1939 une synthèse des connaissances sur la fission, complétée le 29 février 1940

Ses conclusions sur l’Uranmaschine Elle pourrait fonctionner avec de l’uranium naturel [grâce aux 0,7% de 235U] à condition de disposer d’un modérateur peu absorbant : eau lourde ou graphite Elle fonctionnerait cependant mieux avec de l’uranium enrichi, et pourrait alors utiliser de l’eau légère Elle serait auto-stable (T↗ ⇒ absorption ↗ et densité ↘) Szilard eut la même idée en février 1940 mais il démontra peu après que cela ne suffirait pas (→ barres de cadmium) Heisenberg suggérait que le réacteur serait sans doute instable si le taux de 235U était > 70% et la masse de plusieurs tonnes!

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 10 H ,

Dans son rapport de 1940, Heisenberg estima correctement autour de 40 tonnes la masse minimale d’uranium naturel dans un réacteur modéré par l’eau lourde ou par le graphite

Il ne parlait pas explicitement de neutrons rapides, et n’abordait pas le cas d’une multiplication exponentielle des fissions

Heisenberg semble n’avoir jamais explicitement calculé (pendant la guerre) la masse critique d’une bombe!

En août 1945, après Hiroshima, il se basa d’abord sur un calcul de marche aléatoire pour estimer à une tonne la masse critique d’uranium 235 pur

Puis il effectua un second calcul aboutissant à une cinquantaine de kilos

enregistrements de Farm Hall →

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 11 H

Heisenberg apprit que la bombe d’Hiroshima avait libéré une énergie ~ 15 kt de TNT ó ~ 1 kg d’uranium avait fissionné

D’où un calcul simple 28 1 kg d’uranium → N ~ 5x10 noyaux

une fission → ν = 2,5 neutrons ⇒ N noyaux sont fissionnés en n pas n ⇒ N = ν ó n = Log N / Log ν

28 ⇒ n = Log(5x10 )/Log(2,5) = 72 pas Peu sensible aux valeurs de N et ν [72 pas pour 1 kg, 79 pas pour 1 t]

Marche aléatoire de n pas → distance parcourue R = λ*√n libre parcours moyen λ ~ 2,5 à 5 cm

→ distance parcourue ≣ rayon critique : 20 à 35 cm → masse d’uranium 235 : 700 kg à 5 tonnes (dont seul 1 kg fissionne)

Mais ce calcul est totalement faux! 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 12 C ?

Simplifications milieu homogène isotrope symétrie sphérique collisions sans fission négligées

Variation du nombre de neutrons N(r,t)

dN/dt = (ν-1)N/τ + λV/3 d2N/dr2

Fissions sur place Neutrons venant d’ailleurs r

ν = nombre de neutrons λ = distance entre 2 secondaires ~ 1 à 3 fissions ~ 20 cm R τ = intervalle entre 2 V = vitesse des fissions = λ/V ~ 10–8 s neutrons ~ 107 m/s

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 13 C ?

2 2 dN/dt = (ν-1)N/τ + λV/3 d N/dr ⇒ solution

sin(πr / R) N(r,t) = N exp{γ t} 0 πr / R

Diminution de la Divergence densité de neutrons exponentielle du centre vers le bord

1 2 0.8 ν −1 λV π γ = – 2 0.6 τ 3 R 0.4 ⇒ ó γ 0.2 rayon critique Rc =0

0 -½ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ⇒ Rc = λ π [3(ν-1)]

⇒ Rc ~ 1.5λ pour ν=2,5 ⇒ masse ~ 50kg

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 14 L L

Menés par Klara Döpel (1900-1945) et Robert Döpel (1895-1982) Prototype L-I (1940) réacteur sphérique alternant couches de paraffine (modérateur) et couches d’oxyde d’uranium source de neutrons au centre

uranium

paraffine

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 15 L B

Essais parallèles au KWI-P Heisenberg en était conscient par Karl Wirtz mais le calcul de la diffusion pour des blocs Réacteur B-I (octobre 1940) d’uranium dans une matrice de modérateur lui parut trop empilement cylindrique de complexe couches de paraffine et de couches d’oxyde d’uranium Réacteur B-II puis B-III entouré d’eau (réflecteur de (janvier 1942) neutrons) ☞ résultats négatifs à Leipzig comme à Berlin Alternance des couches épaisseur de paraffine telle ☞ remplacer l’hydrogène qu’un subissait assez (paraffine) par du deutérium de collisions pour être (eau lourde) ou à défaut par ralenti en-dessous de la zone du carbone (graphite) des résonances Août 1940 : les Döpel Mais rien n’oblige le neutron confirmèrent que l’eau lourde à se déplacer ⊥ couches serait un bon modérateur → efficacité toute relative ☞ Réacteur L-II

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 16 R L-II

Géométrie concentrique Succès partiel le 28 octobre 1941 eau lourde (D2O) 164 kg oxyde d’uranium 142 kg 1. quantités insuffisantes pour source centrale de neutrons une réaction en chaîne 2. mais augmentation du flux de neutrons

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 17 P

L-III (décembre 1941?) ☞ les Döpel estimèrent eau lourde 164 kg possible une réaction en chaîne auto-entretenue avec 5 uranium métallique 108 kg tonnes d’eau lourde et 10 tonnes d’uranium L-IV (avril 1942) eau lourde 164 kg Explosion le 23 juin 1942 uranium métallique 750 kg sans doute due à de l’eau ayant pénétré dans le ↗ de 13% du flux de neutrons réacteur → explosion (chimique) → Heisenberg et Döpel faillirent être tués → dispersion de l’uranium → incendie du laboratoire → arrêt des travaux à Leipzig ☞ réacteur B-VI (à Berlin) en janvier 1944 avec 1,5 t d’eau lourde et 3 t d’uranium

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 18 C : 15-20 1941

Visite d’Heisenberg (et Weizsäcker) à Bohr → pièce de théâtre Copenhague de Michael Frayn! Une des nombreuses visites d’Heisenberg, Weizsäcker, Hahn, Bothe, dans les pays occupés, en Suisse et en Suède Objectif selon Heisenberg : convaincre Bohr que l’Allemagne ne réaliserait pas d’arme nucléaire et dissuader ainsi les Alliés d’en préparer une Selon Bohr : l’entraîner dans le programme nucléaire allemand Possibilité 1 : Heisenberg pensait la fin de la guerre proche et préparait le terrain pour la réalisation d’un réacteur civil après le conflit Possibilité 2 : s’informer sur les progrès nucléaires alliés, supposant que Bohr avait gardé des contacts avec eux Jensen vint aussi en 1942 puis en 1943 et montra à Bohr un plan de réacteur 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 19 S 1941

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 20 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 21 P H (1902-1985)

Chimiste de formation, Harteck travailla en 1933 à Cambridge sur le deutérium avec Rutherford et Oliphant

De 1934 à 1950, il dirigea le Département de Chimie-Physique de l’université de Hambourg, puis devint en 1951 professeur au Rensselaer Polytechnic Institute de Troy (New York)

Conseiller du Heereswaffenamt de 1937 à 1945

1- Eau lourde 1940 : augmentation de la production 1941 : catalyseur avec Hans Suess

2 – Séparation isotopique 1940 : diffusion thermique 1941 : ultracentrifugeuse

Probablement la seule personne en Allemagne à avoir réalisé l’ampleur de l’effort industriel nécessaire à la réalisation d’un réacteur de puissance, et plus encore d’une arme 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 22 L H

Premiers essais infructueux avec Wilhelm Groth : oxyde d’uranium et neige carbonique comme modérateur

Réacteur à uranium naturel et eau lourde ⇒ 4 tonnes d’eau lourde

☞ convertisseur catalytique → production de l’usine de Vemork ↗ 4 tonnes/an [en fait, en raison des bombardements et sabotages, la production totale ne dépassa pas 3 tonnes]

1940 : séparation isotopique par diffusion thermique (avec Clusius et Jensen) ☞ succès mitigé (corrosion par l’hexafluorure d’uranium)

1941 : ultracentrifugeuse de Beyerle 1942 : Groth parvint à modifier les rapports isotopiques du xénon et du krypton 1943 : enrichissement (faible!) en 235U ☹ difficulté à réaliser paliers et rotors assez résistants 1944 : destruction de l’usine Anschütz dans un bombardement ☞ pas de centrifugeuses efficaces avant 1950 (Gernot Zippe, alors en URSS) 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 23 C W (1912-2007)

Rapport (17 juillet 1940) ⇒ Weizsäcker comprit que 238 c’est l’élément 94 qui serait ☞ capture de neutrons par 92U 239 239 utilisable dans une arme → 92U → 93EkRe (par β) ☞ séparation chimique de EkRe ⇒ brevet en novembre 1941 de U a priori facile (au nom du KWI) ☞ Bohr & Wheeler → 239EkRe stable et fissile ? ☞ voie vers «de très petits moteurs» un explosif extrêmement puissant ☞ requiert flux de neutrons intense et continu ⇒ Uranbrenner!

McMillan & Abelson (juin 1940) ⇒ embargo sur les publications Élément 93-239 [=neptunium] instable (½ nucléaires demandé (et obtenu) vie 2,3 j) → 94-239 [=plutonium] ~ stable par Szilard et par Chadwick

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 24 F H (1903-1966)

Collaborateur de Gamow et Franck Émigré en Grande-Bretagne en 1933 puis en URSS (Kharkov) en 1937 Victime en 1937 de la Grande Terreur stalinienne, puis livré à la Gestapo en 1940 Max von Laue parvint à l’en sortir et à lui trouver un poste dans le laboratoire privé de Manfred von Ardenne

Transmit en mars 1941 un message aux USA «Un grand nombre de physiciens allemands travaille intensément sur une bombe à l’uranium sous la direction de Heisenberg»! Puis un autre à Wigner et Szilard en 1942 «Dépêchez- vous, nous sommes sur la bonne voie» !

1° rapport au cours de l’été 1941 ! 1. réactions en chaîne par neutrons lents ou rapides dans le thorium et l’uranium 2. captures de neutrons → élément 94-239 fissile 3. masses critiques entre 10 kg et 100 kg

2° rapport en février 1942 sur l’ultracentrifugation! 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 25 L 1942

Erich Schumann, directeur scientifique du Heereswaffenamt, exigea le 5 décembre 1941 un rapport sur l’avancement des travaux sur l’énergie nucléaire (rapport collectif remis en février 1942)

Le 8 février 1942, Albert Speer devint ministre de l’Armement et réorganisa en profondeur l’industrie allemande

26 février 1942 : réunion à Berlin, au siège du KWI, de tous les acteurs du nucléaire, physiciens, politiques et militaires

Exposés de Schumann : La physique nucléaire comme arme ! Hahn : La fission du noyau d’uranium ! Heisenberg : Les fondements théoriques de l'énergie de la fission ! Harteck : La production d'eau lourde ! Clusius : Enrichissement des isotopes de l'uranium! Également Bothe, Geiger, Esau, … Erich Schumann (1898-1985)

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 26 R

Conclusions 1. Réacteur uranium naturel modéré par l’eau lourde nécessite ~ 5 tonnes d’eau lourde → délai envisagé 3 à 4 ans → moteur (Uranmaschine)! → production de 94-239 (= plutonium) 2. Bombe 1. uranium 235 → progrès importants à faire dans la séparation → délai envisagé 3 à 4 ans 2. plutonium 239 → nécessite un réacteur fonctionnel quantité nécessaire estimée «entre 10 et 100 kg» 3. Effort industriel considérable à prévoir

⇒ les recherches ne pourraient pas aboutir avant 1945 ou 1946! ⇒ Schumann décida – en accord avec Speer et l’Armée – de réorienter les efforts vers les fusées (les A4/V2 de von Braun, dont le 1° vol réussi eut lieu le 3 octobre 1942) ⇒ le KWI-P repassa sous le contrôle civil du Conseil de la Recherche (RFR Reichsforschungsrat) du Ministère de l’Éducation

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 27 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 28 K D

Le RFR poursuivit un programme de recherches nucléaires, avec des moyens réduits, sous l’autorité d’Abraham Esau, directeur du Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR), puis en janvier 1944 de Walther Gerlach

L’Armée lança cependant son propre programme de recherche, sous la direction de Diebner, dans le centre d’essai de Gottow près de Berlin

Le prototype G-I (automne 1942) utilisait des cubes d’oxyde d’uranium de 5 cm de côté insérés dans la paraffine Début 1943, G-II remplaça la paraffine par l’eau lourde

En mars, le groupe passa sous le contrôle civil du PTR

À l’automne 1943, G-III utilisait 240 cubes (500 kg) d’uranium métallique suspendus dans l’eau lourde

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 29 D

Bombardements → déplacement des équipes vers le sud de l’Allemagne dès l’automne 1943 KWIP (Heisenberg) et KWIC (Hahn) s’installèrent près de Stuttgart Diebner alla à Stadlim (en Thuringe) Harteck déménagea dans le pays de Bade avec Beyerle, une partie de son laboratoire se réfugiant à Celle

Le groupe de Harteck progressait, quoique lentement production d’eau lourde (freinée par une querelle de brevets avec IG Farben)

enrichissement de l’uranium: ~ 50 g/jour (Groth)

400 cubes d’uranium (1 t) pour explorer la possibilité d’un réacteur à eau légère

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 30 P,

Wirtz (KWIP de Heisenberg) Le réacteur G-IV de Diebner 3 tonnes de plaques d’uranium fonctionna, lui, apparemment (sur l’insistance d’Heisenberg) quelques heures en régime immergées dans 1500 litres quasi-critique à l’automne d’eau lourde, 1944 entourée d’eau servant de réflecteur de neutrons (ensuite ⇒ Gerlach imposa en janvier remplacée par des blocs de 1945 la fusion à Haigerloch graphite) des équipes de Heisenberg et ☞ réacteur B-VI (janvier 1944) de Diebner ☞ réacteur B-VII (novembre 1944)

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 31 H

Réacteur B-VIII de Wirtz 1° mars 1945 : flux de cuve du B-VII et ses 1500 neutrons ↗ facteur 10 ⇒ ~ ½ litres d’eau lourde taille critique 664 cubes de 5 cm (ceux de Diebner), suspendus à des chaînes et espacés de 14 cm Le tout entouré de 10 tonnes de graphite

23 avril 1945 : arrivée des Américains

1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 32 À !

Mais c’est tout pour aujourd’hui! 1° mars 2012 Alain Bouquet – Petite histoire de la physique nucléaire – 16 33