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Phénoménologie générale des explosions nucléaires
souterraines

Cratères de subsidence <br>(centre de tests du Nevada, USA)

Cratères de subsidence
(centre de tests du Nevada, USA)

Ce titre n’est pas de moi, c’est celui d’un article du Commissariat à l’Énergie Atomique d’août 1969. L’article étant en français, j’aurais pu me contenter d’y renvoyer mes lecteurs… mais j’aurais manqué à mes devoirs de vulgarisateur. Je vais donc m’en inspirer, bien sûr, mais également résumer dans ce qui suit bien d’autres lectures que j’ai pu faire sur le sujet, et qui toutes racontent à peu près la même chose. Heureusement : la démarche scientifique se veut objective, il est donc nécessaire de se mettre d’accord sur ses résultats. S’il y a divergence irréconciliable, c’est qu’on n’est plus dans la science – ou pas encore.

Dans “Physique ordinaire de l’extraordinaire”, j’avais expliqué que l’observation objective de certains phénomènes consécutifs aux attentats du 11 septembre 2001 à New York validait l’hypothèse d’une source d’énergie nucléaire utilisée pour la destruction du World Trade Center, en montrant que l’utilisation exclusive de toute forme d’énergie chimique ne permettait pas d’expliquer la chaleur dégagée.

Même si je n’avais pas, à ce stade, parlé expressément d’explosif, il est clair que le caractère catastrophique des destructions observées oriente immédiatement la pensée vers des explosifs nucléaires et non de simples réacteurs libérant progressivement leur énergie. Beaucoup de lecteurs peuvent alors rejeter instinctivement cette idée – comme je le fis moi-même avant que ma curiosité ne reprenne le dessus – en pensant savoir qu’une bombe nucléaire, cela ne peut en aucun cas produire le genre de choses que tout le monde a pu observer en mondovision. Est-ce bien sûr ?

Nous avons tous en tête les “expériences” in vivo de Hiroshima et Nagasaki, et peut-être, pour les plus curieux d’entre nous, celles de nombreux autres essais nucléaires atmosphériques, produisant immanquablement la “boule de feu” et le champignon caractéristiques. Par exemple, ceux de l’atoll de Bikini pour les États-Unis ou de Moruroa pour la France. Mais toutes ces images archi-connues concernent des essais nucléaires atmosphériques, évidemment les plus spectaculaires. Que connaît “l’honnête homme” des essais nucléaires souterrains ? Pas grand-chose, à vrai dire. Même quand il est physicien (non nucléaire), comme moi. Avant de rentrer dans un descriptif un brin technique dont la lecture demandera un léger effort intellectuel, donnons ci-dessous une petite illustration animée.

Il ne s’agit là que d’un effet possible d’une explosion nucléaire souterraine, mais avouons-le, savoir qu’un tel essai peut servir à creuser des trous en surface (sans éjection de matière, comme on peut le voir lors de travaux de génie civil avec des explosifs classiques) n’a rien d’intuitif. C’est pourtant bien de cette manière que la cuvette ci-dessus, ainsi qu’une multitude d’autres dans le désert du Nevada aux USA, ont été réalisées. Un désert qui, vu d’avion ou de satellite, ressemble aujourd’hui étrangement à la surface lunaire (voir illustration en tête d’article). Notons au passage que le point de la surface situé juste au-dessus d’une explosion nucléaire porte, dans le jargon militaire, un nom aujourd’hui bien connu : ground zero. Étonnant, non ?

Pourquoi tout est si différent

Mais revenons aux fondamentaux pour comprendre comment une telle bizarrerie est possible. Un explosif nucléaire diffère d’un explosif chimique sur deux plans essentiels d’un point de vue pratique : il libère de l’énergie en un temps beaucoup plus court (de l’ordre de la microseconde contre la milliseconde, soit 1000 fois plus vite), et cette énergie est concentrée dans un volume beaucoup plus petit (le rapport énergie/volume est beaucoup plus grand, d’un facteur bien supérieur à 1000 pour toute réalisation concrète). Ces simples faits expliquent :

  • que les températures atteintes au centre de l’explosion sont incomparablement plus élevées, se mesurant en millions de degrés (ou mégakelvins) : à ce niveau-là, on n’est plus à quelques centaines de degrés près, et on se fiche même un peu de la nature chimique de la matière subissant ces températures car il ne reste plus, juste après l’explosion et dans un certain rayon autour du point central, qu’une “soupe” de protons, neutrons et électrons où les liaisons chimiques ont jeté l’éponge depuis longtemps1. D’une certaine façon, cela simplifie l’étude (théorique, pas expérimentale !) car la “matière” obéit alors à des lois assez simples, qu’on rencontre en astrophysique dans l’étude des étoiles : c’est un plasma chaud, la célèbre “boule de feu” visible lors des explosions nucléaires aériennes.
  • que les pressions engendrées par cette libération d’énergie si soudaine et concentrée produisent une onde de choc elle aussi monstrueuse, non seulement par les niveaux de pressions atteints (de l’ordre du milliard d’atmosphères au centre et à l’instant initial) mais aussi par le caractère particulièrement abrupt du “front d’onde”, c’est-à-dire de la variation de pression au cours du temps que subit la matière traversée par l’onde de choc. En termes techniques, on dit que l’onde de choc contient des fréquences beaucoup plus élevées, ce qui a son importance sur le comportement de la matière traversée, indépendamment des pressions atteintes : en particulier, des matériaux réputés non fragiles dans les conditions habituelles – comme l’acier – peuvent le devenir et se désagréger au passage de l’onde de choc. Bref, à courte distance de l’explosif tout est réduit en poussière au passage de l’onde, et plus on s’éloigne, plus les morceaux sont gros. La roche, en tout cas, est fracturée sur des distances importantes, ce qui donna d’ailleurs des idées à certains pour faire de la fracturation nucléaire en vue de l’exploitation d’hydrocarbures.

Ces pressions et températures sont très différentes de tout ce qui peut être produit avec un explosif chimique, quelle que soit sa taille : il faut bien comprendre qu’on entre là dans un domaine “exotique” de la physique des explosifs, qui est propre à l’énergie nucléaire. Il existe des bombes chimiques plus “puissantes” (en réalité, libérant une plus grande énergie) que certaines bombes nucléaires ; mais jamais elles ne pourront produire l’ensemble des effets qu’une explosion nucléaire de même “puissance” produit.

Si l’explosif nucléaire est enfoui dans le sous-sol, c’est au moyen d’un puits ou tunnel qui permet de placer la bombe. L’explosion a donc lieu en réalité, dans les tout premiers stades, dans l’air de cette cavité ; mais la roche autour est quasi-instantanément atteinte par l’énorme quantité d’énergie libérée, et soumise aux pressions et températures correspondantes. Il en résulte, d’une part, la propagation d’une onde de choc destructrice dont la pression va s’amenuisant avec la distance au point d’explosion (elle varie à peu près comme l’inverse du carré de la distance) et d’autre part la vaporisation2 de la roche au voisinage du centre d’explosion, puis sa fusion à une distance supérieure.

La vaporisation de la roche, combinée aux pressions extrêmes, produit une cavité, même lorsque l’explosion est parfaitement contenue car très profonde : en clair, les pressions sont telles qu’elles parviennent à “tasser” la roche pour y laisser un trou ! Mais attention : cette cavité est initialement remplie d’un plasma à très haute température et très haute pression (la “boule de feu”) et n’est donc pas à proprement parler “pleine de vide” ; ce n’est que lorsque la pression retombe suffisamment dans la cavité que son toit – constitué de roche désagrégée – s’effondre, créant une cuvette en surface si la cavité initiale est relativement peu profonde, comme on le voit dans la vidéo ci-dessus. Ce qui peut évidemment heurter notre “bon sens” (fort peu nucléaire) : une “taupinière”, cela semblerait raisonnable, mais parvenir à “aspirer” la surface avec un explosif placé au-dessous, avouez que c’est assez étrange à première vue !

Les échelles de temps

Pour y voir plus clair, et comprendre un peu mieux la formation de notre cuvette, il est important de bien distinguer des échelles de temps très différentes dans les phénomènes qui se produisent après l’explosion. Je vais reprendre ci-dessous un descriptif assez détaillé que l’on peut trouver – en anglais – dans un grand classique de la littérature sur les explosions nucléaires, The Effects of Nuclear Weapons, disponible librement en plusieurs endroits sur internet, par exemple sur le site de la Defense Threat Reduction Agency3 dans la troisième édition de 1977, ou encore sur le site suisse fourmilab.ch, dans la même édition mais décomposé en chapitres. Dans notre cas, c’est le chapitre 2, “Descriptions of Nuclear Explosions” qui nous intéresse le plus ; ce qui suit est une traduction de passages situés sur les pages 61 et 62, paragraphes 2.102 et 2.103. J’ai choisi de souligner en gras les quatre étapes.

2.102 Premièrement, l’énergie de l’explosion est libérée en moins d’un millionième de seconde, c’est-à-dire moins d’une microseconde. En conséquence, la pression dans la bulle de gaz chaud formée [NdT : un plasma, en réalité] va s’élever à plusieurs millions d’atmosphères et la température atteindre environ un million de degrés en quelques microsecondes. Dans la deuxième étape (hydrodynamique), qui généralement dure quelques dixièmes de seconde, la haute pression des gaz chauds libère une puissante onde de choc qui se propage dans toutes les directions avec une vitesse supérieure ou égale à celle du son dans le milieu rocheux. Durant la phase hydrodynamique, les gaz chauds continuent leur expansion, bien que plus lentement qu’au départ, et forment une cavité de taille substantielle. À la fin de cette phase la cavité aura atteint son diamètre maximal et ses murs seront recouverts par de la roche fondue. L’onde de choc aura parcouru quelques centaines  de pieds [NdT : quelques trentaines de mètres] depuis la cavité et aura écrasé ou fracturé la plupart de la roche dans la région qu’elle a traversé. L’onde de choc va continuer à se propager et décroître en intensité, devenant finalement l’onde de tête d’un train d’ondes sismiques. Durant la troisième étape, la cavité va refroidir et la roche fondue va se rassembler et se solidifier au fond de la cavité.

2.103 Finalement, la pression des gaz dans la cavité décroît jusqu’au point où elle ne peut plus équilibrer la surcharge [NdT : du poids de la roche au-dessus de la cavité]. Alors, dans un délai de quelques secondes à quelques heures, le toit s’effondre et il s’ensuit un écroulement progressif de la roche se trouvant au-dessus. Un grand cylindre, généralement appelé “cheminée”, rempli par de la roche fracturée ou des gravats est ainsi formé (Fig. 2.103). Si le haut de la cheminée n’atteint pas la surface du sol, un espace vide, approximativement équivalent au volume de la cavité, subsistera en haut de la cheminée. Cependant, si l’effondrement du matériau composant la cheminée atteint la surface, le sol s’enfonce dans l’espace vide, formant ainsi un cratère de subsidence (voir Fig. 6.06f). L’effondrement du toit et la formation de la cheminée représentent la quatrième (et dernière) phase de l’explosion souterraine.

 

cheminée d'effondrement

cheminée d’effondrement pour une explosion nucléaire
à grande profondeur

 

cratère de subsidence (ou d'effondrement)

Fig. 6.06f : cratère de subsidence
(ou d’effondrement) pour une explosion
nucléaire relativement peu profonde

Voilà donc le mystère du cratère de subsidence élucidé. Mais la “quatrième (et dernière) phase” de l’explosion nucléaire, selon The Effects of Nuclear Weapons, n’est en réalité pas la manifestation ultime de l’explosion. Il est un phénomène bien plus lent encore qui va se prolonger pendant des mois : la diffusion de la chaleur intense qui règne au cœur de la roche. C’est en réalité le “smoking gun” de l’histoire…

La chaleur persistante

Le but d’une explosion nucléaire souterraine n’est pas de produire de la chaleur en sous-sol4 : il s’agit là d’un effet secondaire de l’explosion. Mais bien que “secondaire”, il est particulièrement marquant, puisque c’est la grande majorité de l’énergie libérée par l’explosif qui se retrouve transformée en chaleur. Il s’agit donc d’un effet particulièrement intéressant pour qui veut prouver qu’une explosion nucléaire a bien eu lieu : la conservation de l’énergie impose que les environs de l’explosion vont rester très chauds pendant des mois, car la chaleur libérée ne peut diffuser que par conduction lente dans une roche solide : on a là un problème assez similaire à celui du refroidissement d’une coulée de lave très épaisse après l’éruption d’un volcan.

Dans un autre rapport du CEA datant de 1972, intitulé Distribution de la température après une explosion nucléaire souterraine dans un terrain granitique, des ingénieurs et techniciens français ont pu, d’une part modéliser théoriquement le transfert de chaleur consécutif à une explosion nucléaire souterraine, et d’autre part réaliser des mesures de températures dans les roches au voisinage d’un lieu d’explosion réelle, dans un terrain granitique au Sahara, à partir de 6 mois environ après l’explosion. La confrontation théorie-expérience a donc permis, comme il est d’usage en sciences, de valider la première.

Les premiers forages 178 jours après le tir (un peu moins de 6 mois) font apparaître un maximum de température de plus de 500°C (536 exactement) tandis que d’autres un peu plus tard, 221 jours après tir, montrent encore une température maximale d’environ 450°C. On le voit donc très clairement, le refroidissement est très lent, ce qui n’a rien d’étonnant puisque cette lenteur est imposée par les lois aujourd’hui bien connues du transfert thermique. Rappelons-les en simplifiant au maximum.

Tout électronicien sait que la constante de temps \tau d’un circuit RC (composé d’une résistance et d’un condensateur) dépend très directement des valeurs de la résistance R et du condensateur C, par la formule :

    \[ \tau=RC \]

Ce résultat peut d’ailleurs se retrouver très simplement par analyse dimensionnelle, les unités de résistance électrique (ohm, noté \Omega) et de capacité électrique (farad, noté \mathrm{F}) pouvant être exprimées en fonction des unités fondamentales de longueur, masse, temps et charge électrique :

    \[ 1 \Omega =1\mathrm{\dfrac{m^2\cdot kg}{s\cdot C^2}} \]

    \[ 1 \mathrm{F}=1\mathrm{\dfrac{s^{2}\cdot C^{2}}{m^{2}\cdot kg}} \]

Il est alors facile de voir que le produit d’une résistance électrique par une capacité électrique s’exprime en secondes, il s’agit donc bien d’un temps.

Ce résultat est tout à fait transposable, même s’il s’agit d’unités différentes, au problème d’un flux de chaleur (et non de charges électriques) s’écoulant au travers d’une résistance thermique à partir d’un réservoir de chaleur (au lieu du réservoir de charges électriques que constitue le condensateur). La résistance thermique d’un milieu (en considérant ici la conduction, seul mécanisme pertinent dans une roche solide) s’exprime en kelvin5 par watt, et sa capacité thermique (absolue, et non par unité de masse) s’exprime en joule par kelvin. Il en résulte que le produit d’une résistance thermique par une capacité thermique s’exprime en joule par watt, c’est-à-dire en secondes également, puisqu’un watt vaut un joule par seconde. La formule \tau=RC reste valable.

Si l’on sait estimer les ordres de grandeur des résistance et capacité thermiques mises en jeu dans ce genre de problème, on peut donc aisément estimer le temps caractéristique de décroissance de la température. Il ne s’agit pas ici de calculer des valeurs précises, mais seulement des ordres de grandeur. On peut alors simplifier grandement la physique et se contenter d’analyse dimensionnelle.

La résistance thermique s’obtient à partir de la résistivité thermique d’un matériau (grandeur intrinsèque) ou de son inverse, la conductivité thermique, et de ses dimensions géométriques, exactement comme on obtient la résistance d’un fil conducteur en fonction de la résistivité électrique \rho_e du métal, de la longueur l du fil et de sa section S par la formule bien connue des électriciens et électroniciens :

    \[ R=\dfrac{\rho_e \cdot l}{S} \]

La capacité thermique absolue d’un matériau s’obtient, elle, très facilement en multipliant sa capacité thermique massique (grandeur intrinsèque) par la masse considérée.

Ici, point de fil de cuivre qui conduit précisément les électrons à l’intérieur de sa gaine isolante mais une masse de roche qui laisse s’écouler la chaleur dans une direction préférentielle selon le deuxième principe de la thermodynamique, c’est-à-dire du chaud vers le froid pour faire simple !

De même, point de “réservoir à électrons” bien identifié sous la forme d’un élément de circuit (un condensateur) mais une roche qui emmagasine la chaleur parce qu’elle est plus chaude que le milieu environnant ; ainsi, c’est la dimension caractéristique – notons-la L – du même élément (la zone de roche portée à haute température) qui détermine à la fois la capacité thermique et la résistance thermique caractéristiques du problème, puisque le flux de chaleur s’opère à partir d’un volume de l’ordre de L^3, à travers une surface de l’ordre de L^2 et sur une distance de l’ordre de L6, caractéristique du gradient thermique.

La conductivité thermique du granite (notons-la \lambda) vaut environ 2,2 \, \mathrm{W \cdot m^{-1} \cdot K^{-1}}. Sa capacité thermique massique (notons-la c) vaut 790 \, \mathrm{J \cdot K^{-1} \cdot kg^{-1}}. Sa masse volumique vaut, par ailleurs, environ 2,7 \cdot 10^3 \, \mathrm {kg \cdot m^{-3}}. En considérant que le problème est déterminé par la longueur caractéristique L, qui joue à la fois le rôle de longueur et de diamètre pour le “fil thermique” (par analogie au problème électrique évoqué ci-dessus), mais aussi de dimension caractéristique du réservoir de chaleur, on obtient la résistance thermique :

    \[ R_{th} = \dfrac{1}{\lambda} \cdot \dfrac{L}{L^2} = \dfrac{1}{\lambda L} \]

et la capacité thermique :

    \[ C = m \, c = \rho \, L^3 \, c \]

D’où on déduit le temps caractéristique de refroidissement, produit de la résistance thermique par la capacité thermique :

    \[ \tau = \dfrac{1}{\lambda L} \, \rho \, L^3 \, c = \dfrac{\rho\, L^2 \, c}{\lambda} \]

Il ne reste plus qu’à choisir quelle valeur de L prendre, et à calculer en fonction des valeurs connues de masse volumique, de capacité thermique massique et de conductivité thermique du granite. Le produit \dfrac{\rho \, c}{\lambda} vaut environ 10^6 \, \mathrm{s \cdot m^{-2}} ; si l’on prend L=10 \, \mathrm{m} on obtient ainsi un temps caractéristique :

    \[ \tau \approx 10^8 \, \mathrm{s} \]

Soit un peu plus de 3 ans… il ne faut certainement pas prendre ce modèle pour plus qu’il n’est, en particulier parce que la diffusion de la chaleur se fait selon une symétrie sphérique que nous avons ici quasiment ignorée, mais n’empêche, on peut avec des considérations aussi simples que celles-ci affirmer que le temps de refroidissement par conduction d’une roche telle que le granite, portée à haute température sur des échelles décamétriques par une explosion nucléaire, est de l’ordre de l’année ; ce qui corrobore tout à fait les résultats expérimentaux obtenus à partir d’explosions nucléaires souterraines réelles.

L’euphorie inconsciente d’une époque

Mais n’en restons pas à une approche strictement technique, et essayons de prendre conscience pour finir de l’atmosphère d’une époque, pourtant pas très lointaine, où l’énergie nucléaire n’était pas perçue de la même façon qu’aujourd’hui. J’avais déjà abordé ce sujet il y a plus de quatre ans dans La science et les modes ; je renvoie donc mes lecteurs à cet article pour un exposé succinct sur le programme Plowshare (américain) et son équivalent soviétique, Мирные ядерные взрывы в СССР (explosions nucléaires pacifiques en URSS). Je me contenterai d’ajouter une petite vidéo qui semble aujourd’hui très étonnante : on y voit cinq hommes en habit ordinaire, sans la moindre protection particulière, volontaires pour se tenir juste sous le point d’une explosion nucléaire aérienne, noté comme il se doit ground zero. Cela se passe le 29 juillet 1957, quelque part dans le désert du Nevada aux USA, et le missile nucléaire de 2 kilotonnes explose 10 000 pieds (soit environ 3000 mètres) au-dessus des cinq cobayes, qui reçoivent donc le “flash” lumineux ainsi que l’onde de choc directement sur leurs têtes.

On remarquera la légende sur la pancarte : “Ground zero population : 5”

Alors, toujours dubitatifs sur la possibilité de concevoir dans les années 1960, dès leur construction, des dispositifs de démolition nucléaires pour des gratte-ciel ?

  1. Façon de parler, puisqu’on est à l’échelle de la microseconde, hein.
  2. Je simplifie : on va en réalité bien au-delà de l’état de vapeur, jusqu’à celui de plasma où les électrons sont arrachés des atomes.
  3. Littéralement : “agence (militaire) de réduction de la menace”…
  4. L’utilisation d’explosifs nucléaires souterrains comme sources géothermiques artificielles a pourtant été envisagée, voir par exemple The Constructive Uses of Nuclear Explosives, Teller et al., 1968, p. 282 ; mais les tirs réels ont permis de se rendre compte des très faibles chances de succès d’un tel concept.
  5. Le kelvin est l’unité de température absolue : 0 K = -273,15 °C. La “hauteur” d’un kelvin est la même que celle d’un °C, ce qui fait qu’une différence de température mesurée en kelvin a la même valeur que mesurée en °C.
  6. Cette dernière hypothèse n’est évidemment pas valable si la zone chaude a une géométrie très étalée, ce qui n’est pas le cas ici.

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