Les premières piles atomiques

Peu après l’annonce de la découverte de la fission nucléaire en 1939, des articles de journaux relatant la découverte mentionnaient la possibilité qu’une réaction en chaîne de fission puisse être exploitée comme source d’énergie. La Seconde Guerre mondiale, cependant, a commencé en Europe en septembre de la même année, et les physiciens de la recherche sur la fission se sont tournés vers l’utilisation de la réaction en chaîne dans une bombe atomique. Aux États-Unis, Pres. François D. Roosevelt a été persuadé par une lettre d’Albert Einstein de lancer un projet secret consacré à cet effet. Le projet Manhattan comprenait des travaux sur l’enrichissement de l’uranium pour obtenir de l’uranium 235 à des concentrations élevées ainsi que des recherches sur le développement de réacteurs. L’objectif était double: en savoir plus sur la réaction en chaîne pour la conception d’une bombe et développer une méthode de production d’un nouvel élément, le plutonium, qui devait être fissile et pouvoir être isolé chimiquement de l’uranium.

Le développement du réacteur a été placé sous la supervision du principal physicien nucléaire expérimental de l’époque, Enrico Fermi. Le projet de Fermi a débuté à l’Université Columbia et a été présenté pour la première fois à l’Université de Chicago, centré sur la conception d’un réacteur modéré au graphite. Le 2 décembre 1942, Fermi a déclaré avoir produit la première réaction en chaîne auto-entretenue. Son réacteur, appelé plus tard Chicago Pile No 1 (CP-1), était fait de graphite pur dans lequel des limaces d’uranium métal étaient chargées vers le centre avec des morceaux d’oxyde d’uranium sur les bords. Cet appareil n’avait pas de système de refroidissement, car il devait fonctionner à des fins purement expérimentales à très faible puissance (environ 10 kilowatts d’énergie thermique). Le CP-1 a ensuite été démantelé et reconstruit sur un nouveau site de laboratoire dans la banlieue de Chicago, le siège d’origine de ce qui est maintenant le Laboratoire national d’Argonne. L’appareil a continué à servir de réacteur de recherche jusqu’à ce qu’il soit finalement mis hors service en 1953. (Voir le tableau énumérant les premiers réacteurs nucléaires remarquables.)

Dans la foulée du succès de l’expérience CP-1, des plans ont été rapidement élaborés pour la construction des premiers réacteurs de production (pour produire le plutonium à utiliser dans la bombe atomique). Il s’agissait des premiers réacteurs de Hanford, dans l’État de Washington, qui étaient des dispositifs refroidis à l’eau, alimentés en uranium naturel et modérés au graphite. En tant que projet de sauvegarde, un réacteur de production de conception refroidie par air a été construit à Oak Ridge, Tennessee. Lorsque les installations de Hanford ont fait leurs preuves, ce réacteur a été achevé pour servir de réacteur X-10 à ce qui est maintenant le Laboratoire national d’Oak Ridge. Le premier réacteur de recherche à combustible enrichi a été achevé à Los Alamos, au Nouveau-Mexique, en 1944, lorsque l’uranium enrichi 235 est devenu disponible à des fins de recherche. Tous ces efforts ont abouti à Trinity, le premier essai d’un engin explosif atomique, qui a eu lieu le 16 juillet 1945 à Alamogordo, au Nouveau-Mexique.

Avant même la guerre, il avait été reconnu que l’eau lourde était un excellent modérateur de neutrons et pouvait facilement être utilisée dans la conception d’un réacteur. Au cours du projet Manhattan, cette caractéristique de conception possible a été confiée à une équipe de recherche canadienne, puisque des installations de production d’eau lourde existaient déjà au Canada. À la fin de 1945, peu après la fin de la guerre, le projet canadien réussit à construire un réacteur de recherche alimenté à l’uranium naturel à eau lourde, appelé ZEEP (Pile expérimentale à énergie nulle), à Chalk River, en Ontario.

En raison d’un manque d’informations sur les techniques de séparation de l’uranium 235, les premiers efforts britanniques, qui ont eu lieu après la guerre, ont été centrés sur l’utilisation de l’uranium naturel comme combustible. En 1947, le GLEP (Graphite Low Energy Experimental Pile), un réacteur refroidi par air avec un modérateur de graphite et un combustible d’uranium métal revêtu d’aluminium, a été construit et a été critique à Harwell, Berkshire, Angleterre, générant 100 kilowatts d’énergie thermique. L’année suivante, un réacteur français de puissance similaire, appelé EL-1 (pour  » eau lourde 1 ”) ou Zoé (pour  » puissance nulle, oxyde d’uranium, eau lourde ”), est construit à Châtillon, près de Paris. Le réacteur français utilisait lui aussi de l’uranium non enrichi dans son combustible.

En 1943, l’Union soviétique a lancé un programme de recherche officiel pour créer une réaction de fission contrôlée, explorer la séparation isotopique et étudier les conceptions de bombes atomiques. Après la guerre, le programme a commencé à faire des progrès significatifs vers la conception d’une arme à fission; en tandem, des réacteurs ont été conçus dans le but de produire du plutonium de qualité militaire. La première réaction soviétique en chaîne a eu lieu à Moscou à la fin de 1946, en utilisant un tas expérimental d’uranium naturel modéré au graphite connu sous le nom de F-1. Le premier réacteur de production de plutonium est devenu opérationnel au complexe Tcheliabinsk-40 dans les montagnes de l’Oural en Russie en 1948.