Expérience RaLa - RaLa Experiment
L' expérience RaLa , ou RaLa , était une série de tests pendant et après le projet Manhattan visant à étudier le comportement des ondes de choc convergentes pour réaliser l'implosion sphérique nécessaire à la compression de la fosse de plutonium de l' arme nucléaire . L'expérience a utilisé des quantités importantes d'un radio - isotope lanthane-140 à courte durée de vie , une puissante source de rayonnement gamma ; la Rala est une contraction de Ra dioactive La nthanum. La méthode a été proposée par Robert Serber et développée par une équipe dirigée par le physicien expérimental italien Bruno Rossi .
Les tests ont été effectués avec des sphères de 1/8 de pouce (3,2 mm) de lanthane radioactif, équivalant à environ 100 curies (3,7 TBq ) et plus tard à 1 000 Ci (37 TBq), situées au centre d'un dispositif nucléaire simulé. Les lentilles explosives ont été conçues principalement en utilisant cette série de tests. Quelque 254 tests ont été menés entre septembre 1944 et mars 1962. Dans son histoire du projet de Los Alamos, David Hawkins a écrit : « RaLa est devenu l'expérience unique la plus importante affectant la conception finale de la bombe ».
Montage expérimental
L'expérience a été suggérée le 1er novembre 1943 par Robert Serber . L'idée était de mesurer la symétrie spatiale et temporelle de la compression explosive d'une sphère métallique. Le test mesurait les changements d'absorption des rayons gamma dans le métal de la sphère lorsqu'il subissait une compression. La source de rayons gamma était située au centre d'une sphère métallique. L'augmentation de l'épaisseur (des coques creuses) et de la densité (des sphères solides) au fur et à mesure que la compression progressait a été détectée comme une diminution de l'intensité des rayons gamma à l'extérieur de la sphère ; les explosifs de densité inférieure n'ont pas absorbé suffisamment de rayonnement gamma pour interférer avec l'expérience. Les rayons gamma devaient être intenses et de la bonne énergie. Une énergie trop faible, et ils seraient totalement absorbés par le métal environnant ; une énergie trop élevée et la différence d'atténuation lors de l'implosion serait trop faible pour être pratique. Les détecteurs devaient fournir une grande vitesse et une grande surface ; les chambres à ionisation rapide , alors en cours de développement, étaient les seuls dispositifs alors disponibles répondant aux exigences.
Le lanthane-140 a été choisi car il émet des rayons gamma dans la gamme d'énergie souhaitée (1,60 mégaélectronvolts (MeV), avec une fraction de 0,49 MeV), et a une activité spécifique très élevée , fournissant ainsi une intensité de rayonnement suffisante pour produire des signaux utilisables à partir des chambres d'ionisation. Après un test, le La-140 dispersé se désintègre rapidement en cérium-140 stable , réduisant le risque d'irradiation pour les opérateurs après plusieurs demi-vies . Il était également potentiellement disponible en plus grandes quantités car son nucléide parent, le baryum-140, est un produit de fission abondant de l'uranium. En conséquence, les échantillons de lanthane-140 contenaient des traces de baryum-140 , de césium-140 , et surtout de strontium-90 , ce qui pose encore un problème de contamination radioactive dans la zone des tests. Le lanthane-140 a une activité spécifique de 5,57×10 5 Ci/g (20,6 PBq/g) ; une source de La-140 de 1 000 Ci (37 TBq) équivaut donc à environ 1,8 mg de lanthane.
Un échantillon de radiolanthane, précipité dans une pointe d'un petit cône, suivi d'un bouchon, a été descendu au centre de la sphère métallique du montage expérimental avec un dispositif ressemblant à une canne à pêche . Le cône et le bouchon étaient accouplés au centre métallique de l'assemblage, formant ensemble une sphère métallique. Une section de la lentille explosive a ensuite été remise à sa place au-dessus de la sphère. Plusieurs, généralement quatre, chambres d'ionisation étaient situées autour de l'installation expérimentale. Immédiatement après la détonation, ils ont généré des signaux qui ont été affichés sur des oscilloscopes dans un abri anti-explosion ou un laboratoire mobile dans un réservoir, à 150 pieds (46 m), et les traces de l'oscilloscope ont été enregistrées sur des caméras . Une mesure d'étalonnage a été effectuée avant et après chaque test. Les chambres d'ionisation et leurs préamplificateurs ont été détruits lors de l'explosion, mais leur conception simple a permis leur production en quantité suffisante.
Les chambres d'ionisation étaient cylindriques, mesuraient 2 pouces (51 mm) de diamètre, 30 pouces (760 mm) de long, avec un fil le long de l'axe longitudinal. Ils étaient remplis d'un mélange d' argon et de dioxyde de carbone à 4,5 atmosphères standard (460 kPa ). Huit chambres étaient disposées dans un plateau et connectées en parallèle ; quatre plateaux étaient situés dans un tétraèdre autour du montage expérimental, enregistrant le rayonnement gamma autour de la sphère, suffisamment près pour donner un signal et suffisamment loin pour ne pas être détruits par l'explosion avant d'avoir pu enregistrer les informations requises. L'amorçage des explosifs était initialement effectué par un système Primacord multipoint . Les résultats étaient erratiques, car les détonations n'étaient pas suffisamment synchronisées. Des résultats bien meilleurs ont été obtenus après février 1945, lorsque des détonateurs à fil de pont explosif , développés par le groupe G-7 de Luis Alvarez , sont devenus disponibles.
Le plutonium n'étant pas disponible, il a été remplacé par un matériau aux propriétés mécaniques similaires. L'uranium appauvri a été utilisé mais n'était pas optimal en raison de son opacité aux rayonnements ; le fer , le cuivre ou le cadmium étaient d'autres choix. Le cadmium a été le choix pour la plupart des tests. Le premier tir a été réalisé avec une maquette en fer de la fosse à plutonium .
Le signal résultant était une chute rapide, correspondant à la compression de la sphère de cadmium, suivie d'une augmentation plus lente, correspondant à la décompression et suivant la dispersion de la sphère et du lanthane. Les différences entre les quatre traces sur l'écran de l'oscilloscope, chacune indiquant la compression moyenne dans la direction du détecteur, ont permis d'évaluer la précision de synchronisation requise pour les détonateurs.
Les sources RaLa étaient hautement radioactives. Ils ont dû être abaissés jusqu'à l'appareil d'essai par une tige de 10 pieds (3,0 m) de long. Les tests ont d'abord été observés à partir d'un char Sherman M4 scellé ; le laboratoire mobile se composait de deux réservoirs. Chaque expérience devait contaminer une superficie d'environ 3 000 mètres carrés (32 000 pieds carrés) pendant environ six mois. Lorsque le radiobarium a été retiré du radiolanthane, les niveaux de contamination à court terme se sont avérés insignifiants. Les réservoirs ont ensuite été remplacés par des abris fixes. L'un des réservoirs a ensuite été plombé, scellé, équipé d'une alimentation en air autonome et utilisé pour l'échantillonnage des produits de fission dans les débris post-explosion après le test Trinity . Les sources posaient un risque d'exposition aux rayonnements considérable; le taux d'exposition d'une source de 1 000 Ci (37 TBq) à 1 mètre (3 pi 3 po) était de 1 130 R/h et de 11 000 R/h à 1 pied (0,30 m). Des sources avec des activités allant jusqu'à 2 300 Ci (85 TBq) ont été utilisées dans certains tests.
Sécurité radiologique
Le système de télémanipulation des échantillons présentait des défauts ; il a fallu environ six mois pour tous les découvrir. Les chimistes, qui ont opéré sur des mélanges de produits de fission avec des lots atteignant jusqu'à 2 300 Ci (85 TBq) chacun, ont été fréquemment exposés (accidentellement) à des doses de rayonnements indésirables élevées. Le groupe chargé des expériences lui-même était moins à risque ; ils fonctionnaient en étroite coordination avec le Groupe Santé, qui était chargé de s'assurer que l'exposition aux rayonnements des personnes impliquées était viable. La contamination radioactive posait problème. Les personnes travaillant dans le Bayo Canyon ont dû se changer et prendre des douches après le travail. Parfois, ils faisaient encore trébucher les détecteurs aux barrières de sécurité.
Les expériences ont été réalisées dans le Bayo Canyon dans un endroit désigné TA-10 ("Technical Area 10") (mais plus communément appelé Bayo Canyon Site ) dans le comté de Los Alamos et près de la frontière avec le comté de Santa Fe , au nord-est de le lotissement urbain de Los Alamos. Le site comportait plusieurs structures fixes. Le lanthane-140 a été isolé dans un bâtiment de radiochimie, TA-10-1. Il y avait quatre sites de tir. Les instruments de tir des explosifs et d'enregistrement des données étaient logés dans deux bâtiments de contrôle des détonations (TA-10-13 et TA-10-15).
De grandes quantités de lanthane radioactif ont été dispersées par les explosions extérieures; 254 tests ont été effectués entre 1944 et 1961. En 1948, deux ouvriers y ont été brûlés par radiation . Les expériences étaient généralement réalisées lorsque le vent soufflait au nord, mais parfois le vent changeait de direction tôt le matin. En 1949 et 1950, les retombées nucléaires des essais ont été projetées sur des parties de la zone d'habitation et sur une route ; les niveaux de rayonnement sur la route atteignaient parfois 5 à 10 mR/h et la route a dû être fermée pendant un certain temps.
Chaque test a libéré un panache de lanthane radioactif dispersé. Trois tests en 1950 sont documentés où la radioactivité libérée a été suivie par un avion B-17 . Dans un cas, des radiations ont été détectées au-dessus d'une ville à 27 km sous le vent. Ces tests étaient concomitants aux tests RaLa, et leur objectif était le développement de détecteurs aéroportés pour le suivi des essais nucléaires en rafale d'air . La taille et l'altitude du nuage radioactif étaient déterminées par la quantité d'explosif utilisé. Pour les 125 premiers essais entre 1944 et 1949, la météorologie et la surveillance des retombées étaient rares, mais entre 1950 et 1954, une surveillance plus étroite a été progressivement mise en place, puis complète par la suite. Un nuage aurait été suivi jusqu'à 70 milles (110 km) sous le vent, au-dessus de Watrous , Nouveau-Mexique .
Logistique et calendrier
Pour gérer la logistique des tests, Luis Alvarez a été nommé par Robert Oppenheimer , le directeur du laboratoire de Los Alamos, à la tête du programme RaLa ; son groupe a été désigné E-7, RaLa et Electric Detonators Group. Bruno Rossi et le physicien suisse Hans Staub ont construit les chambres d'ionisation et l'électronique à la fin du printemps. Au début, les travaux se sont déroulés à un rythme tranquille car l'implosion n'était qu'un projet de sauvegarde; on croyait que la bombe au plutonium serait de la conception d'une arme à fission de type Thin Man . Cela s'est avéré ne pas être le cas, car les premiers tests sur le plutonium produit par réacteur au début de l'été 1944 ont montré des taux de fission spontanée inacceptablement élevés en raison de la présence de plutonium-240 , empêchant l'utilisation d'un assemblage de canons. Le 17 juillet, la conception de Thin Man a été abandonnée et tous les efforts ont été concentrés sur l'implosion. Pour relever le défi, le laboratoire de Los Alamos a été réorganisé : la X-Division (Explosive Division) et la G-Division (Gadget Division, ou Weapon Physics Division) ont été formées. Le groupe de Rossi a été affecté à la G-Division en tant que G-6, ou RaLa Group ; Le groupe d'Alvarez était le G-7, ou Electric Detonator Group.
Le 25 juillet 1944, le premier essai préliminaire a été tiré dans le Bayo Canyon en tant que répétition, test d'équipement et mesure des temps d'effondrement et des vitesses de détonation et d'onde de choc. Le programme a été retardé d'environ un mois en raison des expéditions tardives de radiobarium, car le test prévu pour le 15 août n'a été effectué qu'à la mi-septembre. Le premier essai au radiobarium a été tiré le 22 septembre. Fin août et à la demande du groupe de Rossi, le groupe RaLa a été réformé sous la direction de Rossi, et Alvarez et son groupe ont repris la recherche sur le détonateur à fil de pont qui explose . À la suggestion de Robert Christy, des sphères solides au lieu des sphères creuses initialement prévues ont été choisies pour la fosse, afin de réduire les problèmes de jets et d' écaillage . Le premier tir RaLa à sphère solide a été réalisé début décembre, mais les résultats n'ont pas été concluants. Cependant, le cliché du 14 décembre montrait (selon les mots de Robert Bacher ) "des preuves évidentes de compression".
Les premiers essais utilisant des détonateurs électriques et des fosses solides ont été effectués les 7 et 14 février 1945 ; jusque-là, l'initiation à base de primacord était utilisée. Les détonateurs électriques ont montré une amélioration significative du degré de compression atteint et de la symétrie, et ont été utilisés sur tous les tests RaLa par la suite. Sur la base de ces résultats, fin février, la conception du Gadget , comme la bombe était connue par euphémisme, était réglée. D'autres méthodes de test étaient également nécessaires, car les expériences RaLa n'ont fourni que des indications indirectes sur la formation de jets problématiques qui ont affecté les premiers modèles d'implosion, mais RaLa était le plus important.
Préparation de radiolanthane
Préparation baryum-lanthane
La demi-vie de La-140 est de 40,224 heures; il subit une désintégration bêta en cérium-140 stable . Il a été préparé à partir de baryum-140, un produit de fission commun isolé du combustible usé du réacteur de graphite X-10 du laboratoire national d'Oak Ridge , et plus tard, après 1948, également du site de Hanford produisant du plutonium-239 des réacteurs nucléaires . Le baryum a été isolé dans un laboratoire chaud spécialement conçu à Oak Ridge et expédié dans un cochon de plomb à Los Alamos, où il a été utilisé pour extraire le lanthane. Le laboratoire d'Oak Ridge a été le premier laboratoire où des télémanipulateurs ont été utilisés pour travailler avec des matières radioactives. La livraison a été effectuée par un camion avec un équipage de deux personnes, parcourant 1 500 miles (2 400 km) sans escale.
À Oak Ridge, les limaces d'uranium ont été irradiées pendant 40 jours, puis laissées à refroidir pendant 1 à 5 jours, puis dissoutes. Le baryum a ensuite été extrait et la solution évaporée ; le matériau solide a ensuite été expédié à Los Alamos. À partir de 1949, les séries complètes de production impliquaient jusqu'à 1728 limaces (34,5 lots de 50 limaces). Jusqu'en 1949, le site de production d'Oak Ridge traitait des limaces d'uranium irradiées à la fois sur place et à Hanford ; par la suite, seul le matériau Hanford a été traité.
Dans un premier temps, l'isolement du baryum a été réalisé dans le bâtiment 3026-C (706-C), où un laboratoire existant a été converti à cet effet en 5 mois ; le premier essai s'est terminé en septembre 1944. Le 3026-C a été conçu pour fonctionner avec des sources entre 1 et 10 Ci (37 et 370 GBq), mais les conditions l'ont obligé à être adapté pour fonctionner avec des sources de 100 Ci (3,7 TBq). Sa capacité était insuffisante à mesure que la demande augmentait. En mai 1945, un bâtiment dédié 3026-D (706-D), adjacent au 3026-C et conçu pour traiter des sources jusqu'à 1000 Ci, a été achevé. Le premier passage en 3026-D a eu lieu le 26 mai 1945, le même jour que le dernier passage dans l'installation 3026-C.
En mars 1949, 31 expéditions d'une moyenne de plus de 2000 Ci chacune y furent produites pour Los Alamos. La demande a continué de croître cependant; en juillet 1950, l'objectif de production par expédition était de 10 000 Ci (370 TBq), et au début des années 1950, les besoins atteignaient 50 000 Ci (1 800 TBq). En 1954, les expéditions ont atteint 64 805 Ci (2,3978 PBq), et cette année-là, l' AEC a décidé de construire une nouvelle installation dans le laboratoire national de l'Idaho pour la production de RaLa. En octobre 1956, Oak Ridge a terminé sa 68e et dernière course RaLa. Au total, Oak Ridge a traité plus de 30 000 limaces d'uranium et expédié plus de 500 000 Ci (19 PBq) à Los Alamos.
Pendant la préparation de RaLa, des produits de fission volatils ont été libérés. Une fois dissous, un lot de 50 limaces a produit 2 500 Ci (93 TBq) de xénon-133 , 1 300 Ci (48 TBq) d' iode-131 (quantités élevées, car le carburant devait être traité "frais"), et une petite quantité de krypton-85 . Comme peu de précautions ont été utilisées pour limiter les rejets de produits de fission, la production de RaLa a été un contributeur majeur à la contamination radioactive à Oak Ridge. Les émissions d'iode ont été un facteur important dans la décision de déplacer l'installation en Idaho. Des améliorations ultérieures ont permis de réduire les émissions d'iode à des niveaux environ 100 fois inférieurs.
Un accident grave avec dégagement de radioactivité s'est produit dans l'installation 3026-D vers 17 heures le 29 avril 1954. Après la dissolution du troisième lot de limaces d'uranium, le liquide dans la cuve du dissolveur n'a pas complètement recouvert les limaces pendant environ 29 heures, qui a surchauffé en raison de la chaleur de désintégration . Lorsque l'acide a été ajouté pour le quatrième lot, la réaction violente avec le métal chaud a produit des gaz et a forcé la solution à remonter la goulotte de chargement des limaces et les tuyaux. Le personnel du bâtiment a enfilé ses masques à gaz et a évacué le bâtiment. Les niveaux de rayonnement au troisième étage du bâtiment ont atteint 100 roentgen par heure (R/h) et ont été réduits à 100 mR/h à 7 heures du matin le lendemain. L'exposition la plus élevée à une personne était de 1,25 R de rayonnement dur et de 4,7 roentgen équivalent physique de rayonnement doux .
Préparation au lanthane
Après la livraison du matériau baryum-lanthane à Los Alamos, il a été stocké dans un bâtiment dédié sur le site de Bayo Canyon. Au début, le mélange était utilisé tel quel, à la fois baryum et lanthane ensemble, mais cela a conduit à une contamination radioactive désagréable qui a mis du temps à disparaître car la demi-vie du baryum-140 est de 12,5 jours. Peu de temps après, le processus a été amélioré ; le baryum a été éliminé chimiquement, par double précipitation à partir d'une solution sous forme de sulfate de baryum .
Le processus a été amélioré à nouveau, pour permettre une séparation répétée du lanthane de la solution de baryum, au fur et à mesure que le lanthane s'accumulait. Initialement, un procédé au phosphate a été utilisé, où le lanthane a été précipité sous forme de phosphate de lanthane . Cela a ensuite été abandonné lorsqu'une méthode à l' oxalate ou à l' hydroxyde a été développée; le lanthane a été précipité sous forme d' hydroxyde de lanthane puis converti en un précipité filtrable par addition d'oxalate avec une trace de fluorure . La méthode à l'oxalate devait être effectuée rapidement, car l'ion oxalate était sensible à la radiolyse et le lanthane avait tendance à revenir en solution. Le processus d'oxalate pourrait être effectué par des dispositifs télécommandés. Les lots contenaient environ 100 curies (3 700 GBq) de radiolanthane, les niveaux de rayonnement les plus élevés avec lesquels les gens avaient jamais travaillé à cette époque. Des outils spéciaux ont dû être développés pour la manipulation à distance des matériaux chauds. Des briques de plomb ont été utilisées pour protéger les sources. La limite de dose de rayonnement pour le personnel a été fixée à 500 mrem (5 mSv ) par préparation de source. Parfois, cette limite était dépassée ; une fois que la dose reçue était de 2 rem (20 mSv).
Le procédé amélioré qui séparait le lanthane de la solution de chlorure de baryum présentait l'avantage que le baryum pouvait être "traité" à plusieurs reprises, augmentant le rendement en radiolanthane et permettant plus d'expériences. Les problèmes de contamination radioactive par le baryum 140, avec sa demi-vie de 12,5 jours, ont été éliminés ; la quantité de strontium-90 contaminant a également été considérablement réduite. L'utilisation de lanthane purifié a également permis l'utilisation d'une quantité beaucoup plus petite de matériau dans les tests eux-mêmes. L'équipement semi-automatique pour la « traite au lanthane » (l'isotope du baryum-140 était surnommé une « vache ») a été construit dans une zone suffisamment éloignée, ce qui a permis d'éviter la construction fastidieuse d'un bâtiment fortement blindé. Au début, le processus a rencontré un problème lorsque des impuretés de fer et d'autres métaux, probablement introduites à partir d'un conteneur d'expédition irradié, se sont avérées altérer la précipitation du phosphate de lanthane en formant des gels de phosphate qui obstruaient les filtres. Ce problème a été résolu avec de meilleurs conteneurs d'expédition. Un processus de "traite" similaire est maintenant utilisé pour la préparation de technétium-99m , utilisé en médecine nucléaire , à partir d'une "vache" de molybdène-99 dans des générateurs de technétium-99m .
Le processus de séparation a été réalisé dans une installation dédiée dans le Bayo Canyon, dans le bâtiment de radiochimie, désigné TA-10-1. Le lanthane séparé a ensuite été expédié vers le site d'essai dans un fût de plomb à l'arrière d'un camion. En 1951, le travail de séparation a été déplacé à TA-35. Les tests ont été effectués sur une série d'un mois, alors que la source de baryum se désintégrait et était périodiquement "traitée" pour le lanthane.
Progrès d'après-guerre
La technologie a été améliorée et, en 1951, les quatre chambres d'ionisation ont été remplacées par vingt compteurs à scintillation , chacun utilisant cinq gallons d'un scintillateur liquide . Les éclairs de 100 gallons américains (380 l ; 83 imp gal) de scintillateur en feu étaient remarquablement brillants au petit matin, lorsque les tests étaient habituellement effectués. Les tests RaLa se sont poursuivis jusqu'en 1962, après quoi ils ont été remplacés par des méthodes plus avancées. Actuellement, plusieurs autres méthodes sont utilisées pour les essais hydrodynamiques.
Contamination à long terme
Le lanthane-140 a une courte demi-vie d'environ 41 heures et ne constitue pas une menace après un temps assez court. D'autres radio - isotopes , présents sous forme d' impuretés , ont une demi-vie suffisamment longue pour présenter un problème potentiel même des décennies après les tests ; en 2002, le Laboratoire national de Los Alamos a émis un avertissement au comté de Los Alamos et au Service forestier effectuant l' éclaircissage des arbres dans la région de ne pas supprimer les arbres coupés dans diverses parties du Bayo Canyon en raison de la teneur possible en matières radioactives résiduelles. Les zones les plus touchées sont clôturées ; des niveaux détectables de radio-isotopes sont présents dans le sol, les insectes et les arbres des zones environnantes. La population voisine n'a été informée des tests qu'au milieu des années 1990 et Los Alamos a refusé de déclassifier la documentation.
Les références
Liens externes