Les neutrons de fission et la réaction en chaine

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Les neutrons de fission et la réaction en chaine

L. Kowarski

To cite this version:

LES NEUTRONS DE FISSION ET LA

RÉACTION

EN CHAINE

Par L. KOWARSKI.

Conférence à la Société

française

de

_Physique

₍₈

_{juin 1946).}

Sommaire. 2014

Historique des recherches relatives à l’émission des neutrons lors de la fission de l’uranium (Collège de _France, mars _1939, et Columbia _University), à la détermination du nombre de neutrons par fission et à la réalisation de la réaction nucléaire en chaîne _divergente.

Le titre de cette conférence résume et délimite

le

domaine

de

_physique

nucléaire

_{expérimentale,}

dont

_{l’exploration}

fut la

_{première étape}

dans la marche vers la

_conquête

de

_{l’énergie ’atomique.}

C’est dans cette

_étape

relevant de la

_physique

_pure, que l’effort

pionnier

de la science

_française

a _pu se manifester d’une

_façon

_{particulièrement}

efficace. Les romanciers

_{d’imagination}

furent les

_premiers

à énoncer _{l’idée que la libération de}

_l’énergie

atomique

sur une

_grande

échelle deviendrait

_possible

le

_jour

où l’on réussirait à créer une réaction nucléaire

en

chaîne,

une réaction où les atomes, en se

décom-posant,

arriveraient à contaminer des atomes voisins en nombre suffisant _{pour que le nombre de}

décompo-sitions _par

unité

de

_temps

aille en croissant. J’ai

trouvé cette

idée,

exprimée

d’une

façon

assez

_claire,

dans le roman « Last and First Men »

_publié

_par

Olaf

_Stapledon

en _192~. Il était naturel _que les

savants

_{professionnels}

attendissent d’en savoir un peu

plus

long

sur _{les processus} nucléaires avant de se

_risquer

à émettre des

opinions

du même _genre.

Frédéric Joliot mentionna le

_concept

de la réaction

en chaîne

_divergente

en

_ig34,

dans une de ses

premières

conférences sur la radioactivité artifi-cielle. Je _{crois savoir que Leo}

Szilard,

à _peu

_près

simultanément,

avança une tentative

_plus

_poussée

dans la même direction en se basant sur des

données,

que nous savons

_{aujourd’hui}

erronées,

sur la

consti-tution du

_béryllium.

Dans cette

tentative,

et celles

qui

lui

succédèrent,

un facteur nouveau fut reconnu :

le neutron,

_qui

à cette

_époque

venait à

_peine

d’être

découvert,

se

_prêtait

tout

_{particulièrement}

au rôle de

_l’agent

de transmission d’un noyau à l’autre.

En

effet,

on savait

déjà

que le neutron est très

apte

à provoquer des réactions nucléaires de toutes

sortes, même et surtout

_quand,

il est

_dépourvu

d’énergie cinétique,

tandis que les

_{particules qui}

étaient connues

_{précédemment,}

comme le

_proton

ou la

_particule

_alpha,

ne sont efficaces

_qu’à

l’état

rapide,

et _peu de

_temps

_après

leur émission

deviennent

_inaptes

à entrer en réaction avec les noyaux environnants.

Le

_problème

se

_précisait

donc de la manière

suivante : existe-t-il une réaction nucléaire

_{qui puisse}

être

_provoquée

_par

_l’impact

d’un neutron et donner naissance à

_plusieurs

neutrons ?

_(un

neutron

produit

serait

_insuffisant,

car la réaction ainsi

propagée

n’aurait _pas le _{moyen de}

_{s’amplifier).}

La

découverte,

par F.

Heyn

en

_ig37,

de la réaction dite

_{(n, ~ n)}

_répondait

bien à cette

_définition,

mais

comme le neutron initial devait être très

_rapide

et les neutrons émis ne l’étaient pas, les conditions

nécessaires _pour la

_propagation

de la chaîne

n’étaient

pas

remplies.

La situation

_{changea brusquement après}

l’annonce de la

découvertes

amorcée par Hahn et Strassmann et

_complétée

_{par Frisch} et

Joliot,

de la fission de

l’uranium. Cette

réaction,

_exothermique

à un

_degré

jusqu’alors

inconnu,

était bien

_provoquée

_par

l’impact

des neutrons, et

_{l’hypothèse}

fut

immédia-tement annoncée

_(par

Joliot et,

indépendamment,

par

Fermi)

que cette

explosion

violente du noyau de l’uranium devait

_{s’accompagner}

d’une émission de neutrons libres.

_Voyons

de

_{plus près}

les raisons de cette

_prédiction.

La

_dissymétrie

fondamentale entre les deux états de la

_particule

nucléaire élémentaire - l’état

neutron, sans

_charge,

et l’état

_proton,

_chargé

- _se

manifeste d’une

_façon

_frappante

dans

_{l’opération}

imaginaire,

et souvent

_{imaginée, qui}

consiste à bâtir un noyau lourd en

_empilant

les

_particules

élémen-taires une à une et en

_passant

ainsi successivement

par toutes les valeurs du nombre de masse. Les niveaux

_protoniques

et

_neutroniques

tendent d’abord à être

_occupés

sur un

_{pied d’égalité,}

donnant des noyaux dont le

Z,

nombre de

_charge,

est

_égal

à la moitié de A, nombre de masse. Au delà d e A =

4o

il

_apparaît

nettement _{que l’introduction d’un} nouveau

254

proton

est _{entravée par la}

_répulsion

coulombienne entre les

_protons

_déjà

en

_place

et le nouvel

arrivant,

tandis

_qu’un

nouveau neutron ne se heurte à aucune

opposition

de ce _{genre. Cette}

_{prédilection}

_pour les

neutrons _{n’est pas}

absolue;

elle se traduit seulement

par un excès de neutrons sur les

_protons

dans tous les noyaux

stables,

c’est-à-dire par le fait que A devient

_supérieur

à ~ Z. A mesure

_{que Z}

croît,

l’opposition

colombienne aux nouvelles arrivées de

_protons

s’accentue et la différence A - 2 Z

va en croissant. Le fait essentiel 1 à retenir est _que cette différence n’est nullement

_{proportionnelle}

à _A, ainsi que la

_progression

suivante le met etl évidence

(nous

choisissons des A

_impairs

afin d’éviter les

complications

dues à l’existence des

_{isobares) :}

Dès

_qu’il

était devenu

_probable

_{que l’uranium}

enrichi d’un neutron, c’est-à-dire le _noyau

composé

236 ou

_z3g,

ou

_peut-être

les

deux,

était

capable

de se scinder en deux morceaux, l’un

pesant

environ _go-10o

unités,

l’autre environ

135-150,

la

question

se _posa aussitôt : que devient une

_partie

des neutrons excédentaires de

l’uranium,

_puisque

les deux morceaux,

_pris

ensemble,

n’en

peuvent

accommoder _que 35 à

_4o

au

_grand

_maximum,

tandis que les noyaux

composés

en

_question

en

renferment,

respectivement,-

52 ou 5~ ?

Les deux morceaux, les

_fragments

de fission

comme on les

_{appelle aujourd’hui,}

seront

;3-radio-actifs,

se dit

_Joliot,

car

_{l’activité ~,}

ou la trans-formation des neutrons en

_protons

à l’intérieur

des _noyaux, est la voie naturelle de la

_résorption

des excédents

_neutroniques

démesurés. Et c’est

en

_partant

de cette idée

_qu’il

_put

_prouver,

indé-pendamment

de _{la preuve} donnée _par

Frisch,

la réalité

_physique

de la fission de l’uranium. Mais

la radioactivité j3

est un _processus assez lent. Au

milieu

du remous créé par la violente dislocation de l’édifice nucléaire de

l’uranium,

_quelques-uns

au moins

_parmi

les neutrons surnuméraires ne

prendraient-ils

pas le chemin de l’évasion pure et

_{simple ?}

L’expérience

était d’autant

_plus

intéressante à tenter, que la

première exploration

du

phénomène

de ta fission avait

déjà

laissé entendre que, dans certains cas au

moins,

les neutrons _{n’avaient pas}

besoin d’être pourvus d’une

énergie

cinétique

considérable pour déclencher la fission. Rien ne

s’opposait

donc,

a

_priori,

à ce _{que les} neutrons émis lors de la

fission,

si cette émission se

_confirmait,

fussent trouvés

_capables

de _{provoquer d’autres}

fissions. Cette

chaîne,

une fois

commencée,

serait-elle

_capable

d’aller en

_{s’amplifiant ?}

La

réponse

affirmative à cette dernière

_question

ouvrait la

porte

à toutes sortes de

_{spéculations;}

_{aujourd’hui}

il est

_plus

exact de

dire,

à toutes sortes

d’antici-pations.

La

_question

_{complète pouvait}

être articulée en trois

_étapes

successives :

i° Des neutrons sont-ils émis lors de la fission ? 2° Si

oui,

leur nombre _par fission est-il

_supérieur

à i ?

3° Si

oui,

est-il

_possible

de créer un

_système

uranifère dans

_lequel

les «

_plus

d’un » neutrons

issus d’une fission soient

_capables

de _provoquer

«

_plus

d’une »

fission,

_compte

tenu du fait

_qu’un

neutron

_peut

_disparaître

du

_système

ou _{y être}

absorbé avant d’avoir

_provoqué

une fission ?

~

La tendance de sauter de la

_question

i ° _{à la}

ques-tion 3° était

irrésistible,

ainsi

_qu’en

_témoigne

un

certain _passage du

_Rapport

officiel américain en ce

_qui

concerne

_Washington,

et mes _propres

souvenirs en ce

_qui

concerne

Paris;

la date

du 26

_janvier

_{I g3g}

_joue

-

par pure coïncidence

-un rôle

_important

dans les deux cas.

Szilard,

bien

préparé

par ses méditations

antérieures,

_commença

à se

_préoccuper

des

_{répercussions politiques possibles}

dès le début de

_février;

cet envol

_{d’imagination}

allait d’ailleurs de

_pair

avec un effort

_proprement

scientifique

concentré sur la

_première

_{étape-preuve}

ou réfutation de

_{l’hypothèse}

suivant

_laquelle

des neutrons seraient émis lors de la fission. Des efforts

parallèles

étaient exercés

_{par l’équipe}

de

Fermi

travaillant côte à côte avec celle de Szilard à Columbia

_University,

New-York,

et _par

_l’équipe

que Joliot venait de constituer au

_Collège

de France. Un

_{phénomène provoqué}

_{par les} neutrons ne

peut

être observé _que si une source de neutrons est

_présente

dans le

_système.

Parmi les neutrons

émis

_primairement

_par la source, une

_petite

minorité seulement arrive à se manifester dans la

fission,

où elle

_disparaît

et, en même

_temps,

donne

peut-être naissance à un nombre à

_{peine plus}

_grand

de neutrons secondaires. Tout détecteur

_employé

_pour déceler la

_présence

de ces neutrons secondaires serait en même

_temps

_submergé

_{par les} neutrons

primaires, beaucoup plus

nombreux. La

_technique

de la

_détection

des neutrons est encore, et était bien

davantage

en

_janvier

_193~,

assez

_grossière

et son

adaptation

au

_{problème envisagé exigeait}

le recours à ce _que nous

_{pouvions qualifier}

à cette

_époque

d’artifices

_spéciaux.

C’est dans cet

_esprit

_que Joliot

s’adjoignit

le concours de deux travailleurs de son

laboratoire,

Halban et

Kowarski,

_qui,

à cette

époque,

s’intéressaient

_{particulièrement}

à l’inter-action des neutrons de différente

_énergie

avec les différents éléments

_chimiques.

,

que nous

_{pourrions qualifier}

de

_{quantitative,}

consis-tait à

_plonger

la source dans un

_système

absorbant

suffisamm,ent vaste _pour

_qu’aucun

neutron

_produit

à l’intérieur n’ait une chance

_appréciable

de s’en

échapper.

Par des mesures

_appropriées

de densité

neutroniques

locale et de vie moyenne on arrive à se rendre

_compte

du nombre des neutrons absorbé dans le

_système

_par unité de

_temps.

Ce nombre

change-t-il,

et dans

_quel

sens, si l’on introduit de l’uranium dans le

_{système ?}

Il est évident

_qu’une

augmentation

est une _{preuve directe} et suffisante de l’émission des neutrons par l’uranium. Une diminution est

_plus

délicate à

_{interpréter,}

car elle

peut

signifier

que l’émission réelle n’arrive pas à

compenser, dans les conditions de

l’expérience,

les différents processus

d’absorption

par

l’uranium,

dont certains

_(comme

lq

_capture

des neutrons lents par

l’isotope

238)

n’entraînent pas la fission. De toute

façon,

puisque

l’effet recherché ne

pouvait

être

_qu’une

différence relativement

_petite

entre deux

_quantités

_{beaucoup plus grandes}

et mesurées

avec une

_précision

assez

limitée,

le résultat de

l’expérience

risquait

de manquer de netteté. L’autre méthode reconnaissant les difficultés de la

_première,

ne visait

_qu’à

un résultat franchement

qualitatif.

Au lieu

_d’essayer

de

_distinguer

entre les

_apports

des neutrons

_primaires

et secondaires dans l’indication du

détecteur,

ne

_pourrait-on

_pas

employer

un détecteur

_qui

serait franchement in

sen-sible aux neutrons

_primaires,

sensible aux neutrons

secondaires ? Certaines sources ne

_produisent

que des neutrons

_d’énergie

assez

_faible;

c’est le cas, par

exemple,

du

_béryllium

soumis aux

’ rayons

y des éléments de la famille du radium ou du thorium. D’autre

_part

on

_pouvait

s’attendre

à ce _que les neutrons émis dans la fission

fussent assez

_énergiques.

Des détecteurs de neutrons

rapides,

insensibles aux neutrons

_plus

lents,

étaient

déjà

bien connus à cette

_époque;

c’étaient essentiel-lement des substances

_{qui réagissent}

selon le schéma

_{(rt, p)}

ou ~n,

a)

en donnant naissance à des

produits

radioactifs. Le réactif choisi fut le soufre

qui

se transmute en

_phosphore

radioactif

_(période

15

_jours)

sous l’action des neutrons de

_plusieurs

millions de

volts,

mais ne donne rien avec les

neutrons émis par une source

_y-béryllium

dont

l’énergie

n’atteint _que

_quelques

centaines de kilo-volts.

Les deux

_expériences

furent montées côte à côte

au

_Collège

de France en février

_{Ig3g :}

_{l’expérience}

quantitative,

avec ses cuves

_remplies

de nitrate

d’uranyle

en _{solution aqueuse,} ou de nitrate

d’ammonium

_qui

fut choisi comme substance

témoin;

et

_{l’expérience}

_qualitative,

avec

_plusieurs

litres de sulfure de carbone entourant la source

primaire

y-béryllium,

avec une couche de

nitrate,

d’uranyle

ou

d’ammonium,

interposée

entre la

source et le sulfure. Le résultat définitif ne

_pouvait

. être obtenu

_qu’au

bout de

_quelques

semaines de travail : la

_{première expérience exigeait}

d’innom-brables et laborieuses mesures de densité

neutro-nique

aux différents endroits de la _cuve; la seconde

exigeait

de

_longues

_{irradiations nécessaires pour}

accumuler une activité mesurable dans un détecteur de

_période

aussi

_{longue (I ~ jours).}

Ce fut

_{l’expérience}

en cuve

_qui

fournit les

_premiers

résultats

concluants,

et ces résultats furent d’une

nature toute différente de ceux en vue

_desquels

l’expérience

avait été

_entreprise

1

Car,

bien avant que le

décompte

des neutrons absorbés dans la

cuve ait été

_parachevé,

nous nous _{aperçumes du} fait que, dans la cuve à

_uranium,

_{l’absorption}

se

produisait

en _{moyenne à} une

_{plus grande}

distance

de la source, que dans la cuve à ammonium. Ceci

pouvait

dire que le neutron _voyage en _moyenne

plus

loin,

donc

_qu’il

est

_plus

_énergique,

donc

_qu’il

est

_{qualitativement}

différent,

et

_{l’expérience}

à la cuve

_rejoignait

ici d’une manière inattendue

l’argu-mentation

_qualitative

et

_{l’expérience}

au soufre. Ceci

_pouvait

_{dire aussi que} le _voyage du neutron commence non _{pas à la} source

_centrale,

mais dans

une

_{région plus périphérique}

de la cuve;

l’expé-rience arrivait à différencier ainsi les neutrons

secondaires non

_plus

_{par leur}

_énergie

mais par leur lieu de naissance. Ce fut la conclusion de notre

première

communication datée du 8 mars; les résultats de

_{l’expérience}

au soufre n’étaient

_acquis

que

plus

d,e deux semaines

_plus

tard.

Les deux

_équipes

de la Columbia

_University

n’étaient distancées _{que d’une}

semaine,

car les

premières

communications de Fermi et de Szilard

étaient datées du 15 mars ! Par un curieux

parallé-lisme,

la bifurcation en voie

quantitative

et voie

qualitative

eut lieu à New-York exactement-comme à Paris. Fermi et ses

_{collaborateurs,}

Anderson et

Hanstein,

adoptèrent

le

_principe

du

_décompte

des

neutrons; ils avaient utilisé une

_disposition

géomé-trique

différente de la nôtre et conduisirent leur

expérience

d’un

_point

de vue strictement

_quantitatif.

Szilard et

Zinn,

au

contraire,

adoptèrent

immédia-tement le

_principe

d’utiliser une source de neutrons relativement lents et un détecteur

_{qui n’enregistre}

que des neutrons relativement

rapides;

le détecteur était ici une chambre d’ionisation à hélium. Cette

première expérience

fournit même une

_première

indication,

très

_grossière,

du nombre de neutrons par fission en

_anticipant

ainsi sur ce _que nous avons

appelé

la deuxième

_étape

de notre _programme. Ces

_premiers

résultats obtenus par les

équipes

américaines ne furent suivis par des résultats

plus

approfondis qu’à plusieurs

mois de distance. Durant

ce même

intervalle,

l’équipe

de Paris

_s’attaqua

résolument au

_problème

de la réaction en chaîne en suivant de

_près

le _programme en trois

_étapes

que nous avons énoncé tout à l’heure.

256

neutrons de

fission,

était désormais

franchie;

surtout

après

que

l’expérience

au soufre avait donné un

résultat nettement

_positif

et immédiatement

inter-prétable.

La deuxième

_étape,

détermination du nombre des neutrons _par

fission,

exigeait

la

connais-sance de certaines constantes

_physiques

de

_l’uranium,

notamment les valeurs des

_{probabilités}

relatives des différents modes d’interaction avec les neutrons lents. Certaines de ces

_{probabilités,}

_présentées

comme d’habitude sous forme de « sections efficaces ) »

attribuées au _{noyau de l’uranium pour tel} ou tel

processus, venaient d’être mesurées en

_Amérique;

d’autres,

notamment celles pour la

capture

des neutrons lents et très lents _par

_l’isotope

238,

furent mesurées _par

_l’équipe

même de Paris. La

connais-sance de ces constantes

_permettait

de calculer la vie moyenne des neutrons dans un

_système

uranifère donné et de là déduire le nombre des neutrons naissant dans le

_système

_{par unité de}

_temps,

en

supposant

que le nombre des neutrons

_{présents à}

chaque

instant dans le

_système

soit _{fourni par} une

détermination

_{expérimentale}

directe.

Notre

_expérience

dite

_{quantitative,}

consistant à

dénombrer les neutrons

_présents

dans une cuve à

uranium,

fournissait

_{précisément}

une telle

déter-mination

directe,

et c’est ainsi

_qu’il

nous fut

possible

d’en déduire une

_première

évaluation du nombre de neutrons

émis,

en _{moyenne, par fission.}

La valeur que nous avons

_publiée

en avril

_ic,~3,9,

3,5

neutrons _{secondaires par}

fission,

apparaît

aujourd’hui

comme nettement

_trop

élevée,

et il est

curieux de constater _que la

_première

évaluation

grossière

de Szilard et

_Zinn,

deux neutrons _par

fission,

était

_{probablement plus proche}

de la réalité.

L’inexactitude de notre

_premier

résultat était due au fait

_qu’au

lieu de

_provenir

de l’observation

directe,

comme celui de

Szilard,

il n’était

_{qu’un sous-produit}

d’une étude

_plus

vaste, mettant en

_jeu

toute une

série d’observations sur l’interaction des neutrons

avec les milieux uranifères. A mesure _que notre connaissance des autres facteurs du

_problème

s’améliorait,

la

_précision

de ce résultat

_particulier,

le nombre de neutrons _par

fission, s’améliorait

aussi et en même

_temps

une connaissance de

_plus

en

_{plus profonde}

de la réaction en chaîne était obtenue.

Nous voici donc en

_plein

dans la troisième

étape :

recherche d’un

milieu.

uranifère dans

_lequel

les neutrons sont amenés à

_produire

la fission

_plutôt

qu’autre

chose;

dans

_lequel

les

_{« plus}

d’un » neutrons

issus d’une fission ont _{si peu} de chances de

dispa-raître dans les _processus

_{d’absorption parasites,}

que le nombre de fissions ultérieures

qu’ils

causent reste

_plus

_grand

_que un. Je crois utile d’abandonner ici l’ordre

_historique

et de

_présenter

_Je

_problème

avec les notions et

_{explications empruntées}

à la

publication

officielle

américaine,

dite

_{Rapport Smyth.}

J’ajouterai

que les

grandes

lignes

de ce

raison-nement étaient

_déjà

ébauchées par

l’équipe

de

Paris,

dès octobre

_iç39,

mais devaient être tenues secrètes à cause des conditions de _guerre.

Deux faits

_physiques

dominent la situation. Le

premier

est _que les neutrons de fission sont émis avec une

_{énergie dépassant à}

_peine

le seuil

_(de

l’ordre de i million de

_volts)

_{nécessaire pour} provcquer la fission

de l’isotope

abondant 238 et que, de toute

_façon,

la

_perte

_d’énergie

par chocs

inélastiques

amène

immédiatement

la

_grande

majo-rité d’entre eux au-dessous de ce seuil.

_L’isotope

238 dès le début

_joue

donc un rôle presque exclusivement

improductif -

il absorbe des neutrons sans en

_produire

de nouveaux. Le deuxième fait dominant est

qu’aux

énergies

neutroniques

très

_basses,

de l’ordre

thermique,

la section efficace de

_l’isotope

235 pour

l’absorption

fissigène (je

vous demande

_pardon

de ce

_{néologisme calqué}

sur des mots bien

acadé-miques

tels que fissile ou

_fissipare)

_augmente

très

considérablement,

sans _{que la section efficace}

de 238 pour

l’absorption improductive

accuse un

accroissement

_comparable.

Il _y a donc un intérêt évident à ralentir les neutrons avant

_qu’ils

aient

une chance

_appréciable

de

frapper

l’un des deux

isotopes

de

l’uranium,

et ceci

_peut

être obtenu en

mélangeant

l’uranium avec un élément très

_léger.

Notez

_qu’aux

débuts de l’étude de la réaction

en chaîne on n’osait _pas

_envisager,

comme une chose

_praticable,

_{le moyen le}

_plus

direct de se

débarrasser de l’effet nocif de

_l’isotope

238,

ce

moyen consistant

simplement

à

opérer

avec

l’iso-tope

235 pur ou sensiblement pur. Notre raison-nement _suppose

_toujours

_{que les deux}

_isotopes

sont

présents

dans leur

_proportion

naturelle,

un 235

pour

j4o

atomes de 238; que le milieu

contient,

en _{outre, l’élément}

_léger

ralentissant et _que l’exten-sion du

milieu

est

indéfinie,

ceci afin de

_pouvoir,

au

début,

faire abstraction de la

_perte

des neutrons par

évaporation

à la surface extérieure du

système.

Considérons le sort de N neutrons introduits dans

un tel

milieu,

avec des

_énergies

_initiales compa-rables à celles dont les neutrons de fission sont dotés au moment de leur

émission;

il

_importe

_peu que nos N neutrons soient en effet dus à des fissions antérieures ou

_proviennent

d’une source extérieure

quelconque.

Nous venons de voir

_qu’un

_petit

nombre

parmi

ces N neutrons seront

_capables

de _provoquer la fission de U 238 et de

_produire

ainsi

_quelques

neutrons

_{supplémentàires;}

nous

_exprimons

ce fait

en

_multipliant

le nombre N _par un facteur e

légè-rement

_plus

grand

qu 1. Les Ne neutrons, encore

rapides,

mais

_{déjà incapables}

de causer la fission de U 238, continuent à diffuser dans le

_système

en

_dissipant

_{peu à peu leur}

_{énergie cinétique}

dans

des chocs

_élastiques

contre _{les noyaux de l’élément}

léger

modérateur. Au moment où

_l’énergie

du neutron

arrive,

en descendant _{par sauts}

discontinus,

quelques

volts à

_quelques

centaines de

_volts),

l’énergie

risque

de

_prendre

une des valeurs assez

étroitement ùélin1itées,

qui

rendent le neutron

anormalement

_susceptible

d’être absorbé par l’U 238. Une

_partie

non

_négligeable

du nomhre total Ne reste ainsi sur le carreau, si

_j’ose

dire,

et c’est seulement le

nombre

Nep

(p,

facteur

_plus

_petit

_que

_I)

qui parvient jusqu’aux énergies

de l’ordre

_thermique.

Une fois devenu

_thermiques,

le neutron diffuse

jusqu’à

ce

_qu’il

soit

_absorbé,

_{soit par}

l’élément

modérateur,

soit par l’uranium sans _{que la}

_capture

entraîne la fission

_(on

connaissait

_déjà

la

_capture

conduisant à

_{l’isotope ~-actif}

U 239, sans

_qu’il

fût

_possible

de nier la

_possibilité

_{d’autres processus} de

_capture

_{improductive),}

_{soit enfin par l’uranium}

avec fission comme résultat. En

_désignant

_par

_{(I - f ),}

1 (1 - c)

et

_le

les

_{probabilités}

relatives de ces trois modes

_{d’absorption,}

et _{par v} le _{nombre moyen} de neutrons émis par

fission,

nous arrivons à la conclusion que le nombre de fissions

_{correspondant}

à nos N neutrons

_rapides

initiaux sera

_{Nep f c}

et le nombre de neutrons

_rapides

résultant de ces

fissions sera

_{Nep f c v. Chaque}

neutron donne naissance à

_{1~ = ep f c v}

neutrons de la

géné-ration

suivante;

il est évident _{que la réaction} en

chaîne tend à se _propager ou à s’étouffer suivant

que

est

_{plus grand}

ou moins

_grand

_que I.

La troisième et oernière

_étape

de notre recherche devait donc fournir une

_réponse

à la

_question;

est-il

_possible

de créer un

milieu,

_composé

d’uranium naturel et d’un

modérateur,

dans

_lequel

soit

_plus

grand

que 1 ‘~

Parmi les différents facteurs

_qui

entrent dans

l’expression

de

_{l~, v}

et c sont des constantes

naturelles de

_l’uranium;

leurs valeurs ne

_dépendent

donc pas de la

_composition

ou de

_{l’agencement}

du milieu,. Le facteur e est

_toujours

voisin

culez ;

les

dispositions

que l’on

peut

prendre

pour lui donner

une valeur maxima ne

_peuvent

_produire

de toute

façon

que des améliorations du deuxième ordre. C’est sur _{p, la}

_proportion

des neutrons

_{qui échappe}

à la

_capture

_improductive

_{par résonance,} et sur

_f,

la

proportion

des neutrons

_{thermiques qui échappe}

à la

_capture

_{par l’élément}

modérateur,

que l’effort

principal

dut être

_porté.

La chance

_{d’échapper}

à la

_capture

_{par résonance} est d’autant

_{plus grande}

que les atomes ralentissants

-son

_plus

_légers

et

_plus

_{nombreux par atome}

d’uranium

_présent.

La chance

_{d’échapper}

à la

_capture

par le modérateur est d’autant

plus

grande

que les atomes modérateurs ont _{moins d’affinité pour} les

neutrons, et

_qu’ils

sont _{moins nombreux par} atome

d’uranium

_présent.

D’où une

_première

orientation :

prendre

un élément très

_léger,

ayant

une faible

section _{efficace pour la}

_capture

des neutrons

ther-miques,

et en introduire une

_{quantité qui}

réalise le meilleur

_compromis

entre les deux

_exigences

contradictoires énoncées ci-dessus.

Un autre

_con1promis

concerne la distribution

géométrique

des deux constituants du milieu. Il y

a _{intérêt à}

_placer

_l’uranium et le modérateur dans des zones

_{géométriquement}

_distinctes,

car au

moment où le neutron en cours de ralentissement

atteint la bande

_dangereuse

_{d’énergie,}

ceci a lieu nécessairement à l’intérieur d’une des zones

_remplies

par le modérateur, et le neutron se trouve soustrait

au

_danger

immédiat d’être absorbé _{par résonance.} D’autre

_part,

puisque

_l’arrivé

dans le domaine

thermique

se _{passe, elle}

_aussi,

à l’intérieur d’une des zones

modératrices,

il y a un

_risque

accru

d’absorption

du neutron

_thermique

par le modé-rateur avant

_qu’il

arrive

_jusqu’à

une zone uranifère.

En

résumé,

on améliore p en distribuant les

ingré-dients en zones de

_grandes

dimensions;

on

améliore f

en

_adoptant

une cellule élémentaire aussi

_petite

_que

possible.

Les dimensions

_optima

réalisant le maximum du

_{produit pf}

_peuvent

être calculées à

partir

des considérations

_théorique

assez élémen-taires.

Telles étaient les considérations

_qui

avaient

_guidé

nos efforts dès octobre

_1939,

et nous

_apprîmes

_par

la _{suite que} nos

_collègues

américains,

Fermi et Szilard en

_tête,

suivaient un chemin

_analogue.

A

cette

_époque

nous savions

_déjà

que les

mélanges

homogènes

d’eau et

_d’oxyde

d,’uranium ne

permet-traient d’atteindre

_qu’un

facteur de

_reproduction

k de l’ordre de

o,8

à o,g;

l’avantage

évident de

l’hydro-gène,

son extrême efficacité à _{faire passer} aux

neutrons la bande

_d’énergie

_dangereuse,

n’arrivait pas ainsi à compenser son

_défaut,

une

_{trop grande}

afplnité _{pour les neutrons}

_thermiques.

Il était

probable,

et

_déjà

_{confirmé par} les

_expériences

préli-minaires,

que l’amélioration résultant d’un

arran-gement

hétérogène

n’arriverait pas à _pousser k au delà de i. Il fallait donc s’orienter résolument

vers

_l’adoption

d’un élément modérateur _peu

absorbant. Atome par atome il serait évidemment

moins efficace que

l’hydrogène, puisque

moins

léger,

mais comme il serait

_permis

de

_l’employer

en

concen-tration

_{plus grande,}

on

_pouvait

_{essayer de}

_corriger

la

_qualité

par la

quantité.

Les éléments très

légers,

maniables et _peu

absorbants,

ne sont

_guére

nombreux;

le

deutérium,

le

_béryllium

et le carbone semblent être les seules

_{possibilités}

_pratiques.

Et le mot

«

_{pratiqu,e o paraît}

bien

téméraire,

_quand

on _pense

que les

quantités disponibles

de

deutérium,

de

béryllium

et même de carbone d’une

_pureté

sul~’1-sante se mesuraient en kilos tout au

_plus,

tandis que la

quantité

nécessaire pour alimenter et main-tenir la réaction en chaîne une fois

amorcée,

_pouvait

être évaluée à

_quelques

tonnes ou dizaines de tonnes

au moins. Le mouvement

_d’opinion

nécessaire pour mettre en oeuvre _{des programmes aussi}

gigan-tesques

restait à

créer;

la

_{plausibilité}

de nos

_prévisions

258

avant

_qu’une

mise de fonds

_importante

soit

_engagée.

Pour cette

raison,

il était

_important

de trouver les moyens d’étudier le mécanisme de la

_reproduction

neutronique

dans- des

_systèmes

de masse

_réduite,

c’est-à-dire insuffisante à maintenir la réaction en

chaîne,

mais

dont les

_ingrédients

seraient

_plus

faciles à réunir.

Ce sont ces considérations

_qui

nous ont

amenés,

au

printemps

_1940,

à ramener en France le stock

norvégien

de l’eau lourde et à le faire _passer en

Angleterre

à un moment dicté par la situation

militaire. Les résultats obtenus à

_Cambridge,

fin

_{i g§o,}

furent

_jugés

décisifs _{par les milieux}

gouver-nementaux intéressés. Un an et demi

_plus

tard,

Fermi

et son

_équipe

arrivaient à un

_point

_analogue

et le

_dépassaient

immédiatement,

en

_employant

le

_graphite

comme modérateur. En décembre

_{J 9[~~,}

la

_première

_pile

à

_graphite

devenait le

siège

d’une réaction nucléaire en chaîne

_divergente,

réalisant

la transmutation et le

_dégagement

_d’énergie

_atomique

sur une échelle

_{macroscopique}

et fournissant ainsi

une _preuve

_{expérimentale}

éclatante de la validité