Comment l'uranium est-il enrichi pour fabriquer des bombes?
L'uranium enrichi est de l'uranium avec un pourcentage élevé d'isotope U-235, qui ne représente qu'environ 0,72% de l'uranium naturel. L'uranium normal est appelé U-238, où le nombre signifie la quantité de nucléons (protons et neutrons) dans son noyau atomique. L'U-235 contient une quantité inégale de protons et de neutrons, ce qui le rend légèrement instable et susceptible de fission (scission) des neutrons thermiques. Faire en sorte que le processus de fission se déroule sous forme de réaction en chaîne constitue la base de l’énergie nucléaire et des armes nucléaires.
Étant donné que l'U-235 a des propriétés chimiques identiques à celles de l'uranium normal et qu'il est seulement 1,26% plus léger, séparer les deux peut être un véritable défi. Les procédés sont généralement très énergivores et coûteux, raison pour laquelle seuls quelques pays ont été en mesure de le réaliser à l'échelle industrielle jusqu'à présent. Pour produire de l'uranium de qualité réacteur, des pourcentages de 3 à 4% d'uranium 235 sont nécessaires, tandis que l'uranium de qualité militaire doit être composé à 90% d'uranium 235 ou plus. Il existe au moins neuf techniques de séparation de l'uranium, bien que certaines fonctionnent définitivement mieux que d'autres.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, aux États-Unis, lorsque les chercheurs cherchaient pour la première fois à séparer les isotopes, une série de techniques ont été utilisées. La première étape consistait en diffusion thermique. En introduisant un mince gradient de température, les scientifiques pourraient amadouer des particules plus légères d'U-235 vers une région de chaleur et des molécules plus lourdes d'U-238 vers une région plus froide. Il ne s’agissait que de la préparation du matériel d’alimentation pour la prochaine étape, la séparation des isotopes électromagnétiques.
La séparation électromagnétique des isotopes consiste à vaporiser de l'uranium puis à l'ioniser pour produire des ions à charge positive. L’uranium ionisé était ensuite accéléré à la flexion par un fort champ magnétique. Les atomes U-235 plus légers ont été déviés légèrement plus, tandis que les atomes U-238 ont été légèrement moins. En répétant ce processus à plusieurs reprises, l'uranium pourrait être enrichi. Cette technique a été utilisée pour fabriquer une partie de l'uranium enrichi de la bombe Little Boy, qui a détruit Hiroshima.
Pendant la guerre froide, la séparation des isotopes électromagnétiques a été abandonnée au profit de la technique d'enrichissement par diffusion gazeuse. Cette approche a poussé le gaz d'hexafluorure d'uranium à travers une membrane semi-perméable, qui séparait légèrement les deux isotopes l'un de l'autre. Comme dans le cas de la technique antérieure, il aurait fallu effectuer ce processus à plusieurs reprises pour isoler une quantité substantielle d’U-235.
Les techniques d’enrichissement modernes utilisent des centrifugeuses. Les atomes plus légers d’U-235 ont légèrement poussé préférentiellement vers les parois extérieures des centrifugeuses, en les concentrant là où ils peuvent être extraits. Comme toutes les autres techniques, il doit être exécuté plusieurs fois pour fonctionner. Les systèmes complets qui purifient l'uranium de cette manière utilisent de nombreuses centrifugeuses et sont appelés cascades pour centrifugeuses. La centrifugeuse Zippe est une variante plus avancée de la centrifugeuse traditionnelle qui utilise la chaleur ainsi que la force centrifuge pour séparer l'isotope.
Parmi les autres techniques de séparation de l'uranium, on peut citer les processus aérodynamiques, diverses méthodes de séparation au laser, la séparation du plasma et une technique chimique, qui tire parti d'une très légère différence entre la propension des deux isotopes à modifier la valence dans les réactions d'oxydation / réduction.