Explosion atomique - Définition et Explications

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Introduction

Une explosion atomique ou explosion nucléaire est le résultat de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière...) d'une bombe atomique. Le terme ne distingue généralement pas l'explosion d'une bombe A (La bombe A, communément appelée bombe atomique, bombe à fission ou bombe nucléaire, est basée sur le principe de la fission nucléaire et utilise des éléments fissiles comme...) (à fission) d'une bombe H (La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe thermonucléaire) est une bombe nucléaire dont l'énergie principale provient de...) (à fusion), en tant qu'il met l'accent sur :

  • l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) libérée (exprimée en kilotonnes ou mégatonnes de TNT – une tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En zoologie,...) de TNT développant 109 calories, soit 4,18x109 joules) ;
  • les radiations (émises par les deux types de bombe atomique).

Ces deux facteurs expliquent la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et les conséquences redoutables de l'explosion atomique (Une explosion atomique ou explosion nucléaire est le résultat de l'explosion d'une bombe atomique. Le terme ne distingue généralement pas l'explosion d'une bombe A (à fission) d'une...). Les deux bombes qui ont explosé au-dessus de Hiroshima et Nagasaki ont suffi, par leurs effets, à faire basculer le monde (Le mot monde peut désigner :) – la géopolitique (La géopolitique désigne tout ce qui concerne les rivalités de pouvoirs ou d’influence sur des territoires et les populations qui y vivent, c'est-à-dire l'étude des rapports de forces entre divers acteurs sur un...) aussi bien que la philosophie ou l'art – dans l'ère nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :).

Physique de l'explosion

Déroulement

L'explosion atomique se déroule en plusieurs phases :

  • réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) (de 0 à 10-6 seconde) ;
  • boule de feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) / surpression (10-6 jusqu'à 1/10e de seconde) ;
  • extension de la surpression, refroidissement progressif de la boule de feu (0,1 à 10 secondes) ;
  • formation du champignon (plusieurs secondes, voire minutes) ;
  • élévation et dissipation du champignon, retombées, pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore météorologique qui fait partie du cycle de...) noire (de quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) jusqu'à plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) pour les retombées).

La durée de ces phases peut fortement varier en fonction de l'intensité, de l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...), de la nature de la bombe, des conditions météorologiques et de la nature du terrain dans le cas d'une explosion souterraine ou à faible altitude.

Libération de l'énergie

Bombe à fission

Lorsque la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) critique est atteinte, que ce soit dans le cas du plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux États-Unis par Glenn...) ou de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent,...), une réaction en chaîne se déclenche. Les neutrons libérés atteignent alors une vitesse (On distingue :) d'environ 1 4x107 m/s et traversent la masse de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) fissile d'environ 10 à 20 centimètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...) en seulement 10-8 seconde. Le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) moyen entre deux fissions est de 10-8 seconde. La matière radioactive destinée à une utilisation militaire doit ainsi libérer au moins deux neutrons à chaque collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) afin d'atteindre une réaction suffisante. Une bombe avec environ 2x1024 fissions produit une énergie équivalente à 20 kilotonnes de TNT (soit un peu plus que la puissance de la bombe atomique larguée sur Hiroshima). En considérant que 2 neutrons sont libérés à chaque fission, on peut approximativement déterminer le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de générations nécessaires pour obtenir cette puissance de 20 kt (en partant d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) initial) :

 n = \log_2 (2\cdot10^{24})+1 \approx 81{,}7

Si la réaction n'est pas interrompue, la libération de l'énergie est terminée après 0,8 microseconde. Comme cette progression suit une loi exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe...), la plus grande partie de l'énergie est produite durant les dernières générations. Pendant les 60 premières générations, l'énergie est équivalente à la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) explosive conventionnelle nécessaire pour lancer l'explosion atomique ; après 77 générations, elle atteint environ 1 000 tonnes de TNT (1 kt). 95 % de l'énergie de la bombe sont produits durant les cinq dernières générations.

En pratique, ce phénomène n'est pas parfaitement séquentiel : une fission antérieure poursuit son action alors même qu'une nouvelle fission est en cours. Des modèles plus précis permettent d'obtenir une meilleure idée de la durée du phénomène et du nombre de fissions.

Bombe à fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques,...)

Boule de feu et surpression

Boule de feu saisie avec une exposition d’un millionième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...). On aperçoit encore la base de la tour de tir au sommet de laquelle était installée la bombe (104 Kt, 1952).
On distingue l'onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression,...) qui précède le front de la boule de feu: elle perturbe une fine colonne de fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules solides émis par un feu ou un échauffement mécanique. Ces particules sont...) (flèche) (18 Kt, 1945).

Dans les premières microsecondes, l’énergie est libérée par la réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire, deux noyaux atomiques...) essentiellement sous forme de rayons γ et de neutrons. Ces rayonnements étant absorbés par l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions...) en quelques mètres, un dégagement de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) énergie thermique) a lieu, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) dépassant localement le million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de degrés Celsius. Cet air surchauffé forme alors une "boule de feu" (masse sphérique de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) incandescents) de quelques dizaines de mètres. Se comportant comme un corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas,...), elle émet un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) intense d’abord sous forme de rayons X. L’atmosphère étant peu transparente à ces derniers, ils sont réabsorbés en quelques mètres. Dans les millisecondes qui suivent, la boule de feu se dilate et se refroidit. Son rayonnement thermique « glisse » vers l’ultraviolet, la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil...) et l’infrarouge. L'air étant transparent à ces longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...), le rayonnement thermique peut alors se propager sur plusieurs dizaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...). Intense, il brûle et enflamme des objets à distance. En quelques secondes, la boule de feu qui continue de se refroidir atteint son diamètre maximal (autour de 2,2 km en 10 s pour 1 Mt). Cette dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et augmentation de la pression.) ayant lieu initialement à vitesse supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».), il y a genèse d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter...) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) suivie d'un effet de souffle.

Formation du champignon

Le champignon atomique est un pyrocumulonimbus, c'est-à-dire un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de...) de type cumulonimbus (Le cumulonimbus, de la famille des cumulus, est le nuage qui présente la plus grande extension verticale. Sa base se situe en général de quelques centaines de mètres...) formé par une source de chaleur autre que le rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées), le Soleil rayonne des ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes décamétriques aux rayons...). Par convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de matière dans le milieu, par opposition à la conduction thermique ou diffusion de la...), la boule de feu s'élève rapidement du fait de sa chaleur. En se refroidissant, elle cesse d'émettre de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) visible (donc cesse d'être incandescente). La vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qu'elle contient se condense formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se...) le sommet du champignon atomique. En principe, il atteint la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans l'atmosphère sont stratifiées, c'est-à-dire que les couches les plus...) soit environ 20 km d'altitude pour une explosion de 1 Mt puis il s'écrase horizontalement sur une distance de 35 km de diamètre pour 1 Mt. Si la boule de feu, au moment de sa formation, n'a pas touché le sol, le nuage est plutôt blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où...), il contient surtout de l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également...) d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...) issu de l'échauffement des composants de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) absorbés par la boule de feu, de la vapeur d'eau et une faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) de débris (poussières, gaz) rendus fortement radioactifs par la présence de radionucléides issues de la réaction nucléaire initiale. Si la boule de feu touche la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) du sol, une grande quantité de débris solides pulvérisés (poussière) sont aspirés dans le nuage ; il prend alors une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) marron. Il peut s'y ajouter la suie des incendies.

Retombées radioactives

Si la boule de feu touche la surface ou si la puissance de l'engin est faible (<10 kt) :

  • dans les minutes qui suivent, une partie de cette poussière et de cette suie associée à l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou...) (refroidissement conséquent à l’ascension du nuage) redescend rapidement sous forme de pluie noire (retombées radioactives) à proximité de la cible ;
  • dans les heures (L'heure est une unité de mesure  :) et les jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) qui suivent, entraînées par les courants aériens, ces retombées se poursuivent jusqu'à des centaines de kilomètres sous le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur...) de la cible.

Dans le cas d’une explosion de plus forte puissance en altitude, la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) ascensionnelle entraîne les débris de la bombe dans la haute atmosphère. Les retombées n'ont lieu que dans les semaines et les mois qui suivent, et sont globales.

Répartition de l'énergie dissipée

Pour référence, l'énergie dissipée par l'explosion nucléaire de Hiroshima (environ 1/60 mégatonne de TNT, soit plus de 69 terajoules) s'est partagée en :

  • 15 % de radiations ;
  • 35 % de rayonnements thermiques ;
  • 50 % d'onde de choc.

Cette répartition peut varier en fonction :

  • de la puissance de la bombe : les petites puissances maximalisent les effets par rayonnements ionisants (radiations), les fortes puissances les effets thermiques.
  • de la « géométrie » de l'arme. On pense là à la « bombe à neutrons » : augmentation de la part de l'énergie sous forme de rayonnements ionisants.
  • du milieu où a lieu l'explosion :
    • aérienne (à distance de la surface) : maximalise les effets thermiques, mécaniques, et la surface touchée. Utilisée pour détruire des cibles « douces » comme des villes ou des unités militaires non préparées. C'était le cas de la bombe d'Hiroshima qui a explosé à une altitude de 500 m.
    • au contact (ou sous le niveau) de la surface : beaucoup d'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est une quantité conservée en...) avec génération d'une onde de choc sismique et d'un cratère ( Pour le cratère d'origine volcanique, voir Cratère volcanique Pour le cratère d'origine météoritique, voir Cratère d'impact Pour le cratère formé à la suite d'un effondrement d'origine souterrainne (érosion,...), les retombées radioactives sont très importantes. Utilisée pour détruire des cibles « durcies » tel les bunkers, les abris sous-terrains ou les silos de missiles. Les effets thermiques et l'onde de choc aérien sont diminués.
    • dans le quasi-vide de l'espace ou de la haute atmosphère : surtout des rayonnements ionisants, avec un très grand rayon d’action. Peu d’effets thermiques. Presque aucun effet mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une force,...). Il existe par contre, dans ce cas, des effets assez « exotiques » : voir ci-dessous.
  • des conditions météorologiques :
    • les nébulosités (nuages, brouillard) ou la présence de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés...) au sol peuvent beaucoup diminuer ou augmenter « l'efficacité » du rayonnement thermique de la bombe.
    • des phénomènes d'inversions de la température de l'air peuvent également dévier les ondes de chocs et ainsi diminuer les dommages à distance du point (Graphie) zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une...).
Aurore formée au-dessus de l'atmosphère par les débris d'une bombe de 1,4 Mt qui vient d'exploser à 400 km d'altitude. L'aurore artificielle dura environ 15 minutes. À 1200 km de là, des lignes à haute tension (La tension est une force d'extension.) disjonctèrent. Une partie des satellites (Satellite peut faire référence à :) en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) à cette époque furent victimes d'avaries dans les semaines qui suivirent (1962).

Cas particulier des explosions dans l'espace

L'absence d'atmosphère pour absorber les rayonnements initialement formés modifie la répartition des énergies diffusées et la portée de leurs effets.

Suite à la détonation (Une détonation est une onde de combustion extrêmement violente, qui se propage à une vitesse supersonique.) d’une arme nucléaire au niveau de l’orbite basse (quelques centaines de km d'altitude) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...), voici la séquence d’événements qui aurait lieu :

  • Durant les premières dizaines de nanosecondes : les puissants rayons γ nés de l’explosion sont arrêtés par les molécules neutres de la haute atmosphère à 30 ou 40 km d’altitude. Ces collisions aboutissent à l’émission simultanée d’électrons de forte énergie (effet Compton). Ce grand nombre de charges en déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) rapide dans la même direction génère une puissante impulsion électromagnétique (En télécommunication, la pulsation ou impulsion électromagnétique (IEM), electromagnetic pulse (EMP) en anglais désigne une émission radio brève et de très forte amplitude.) qui peut endommager ou détruire les circuits sensibles des appareils électroniques sur une grande partie de la Terre (une étendue comparable à celle d'où l'explosion est visible).
  • Durant les secondes suivantes : en l’absence d’atmosphère pour absorber et générer des effets thermiques ou mécaniques, 70 % de l’énergie de l’explosion est émise sous forme de rayons X. Ces rayons X durs sont assez puissants pour pénétrer et « cuire » les systèmes électroniques des satellites dans l’espace voisin.
  • Au même instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.), les débris de la bombe sous forme de gaz ionisé sont projetés à plusieurs centaines de kilomètres d’altitude. Ces particules chargées interagissent avec le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) de la Terre, ce qui le distord et crée un gigantesque champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) de basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...). Quoique ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) soit faible (1 millivolt par mètre), il va induire dans les longs câbles terrestres et sous-marins des courants de forte intensité, faisant disjoncter des installations électriques et téléphoniques même à grande distance du point d’explosion (au-delà de l'horizon).
  • Ces particules ionisées (électrons et protons) sont finalement capturées et accélérées par le champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une gigantesque dynamo.), puis injectées dans la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.) où elles pourraient rester piégées des années. Le résultat serait une augmentation de l’intensité, de la taille et du nombre des ceintures de radiations de la Terre, ce qui en quelques mois endommagerait l’électronique d’une grande partie de la flotte des satellites en orbite et rendrait le voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est...) des humains dans l'espace impossible.
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