Les piles de Chicago : sur les traces du premier réacteur nucléaire

Le 2 décembre 1942, sous les gradins du stade Stagg Field de l’Université de Chicago, le physicien Enrico Fermi et son équipe déclenchent la toute première réaction nucléaire en chaîne contrôlée de l’histoire et créent le premier réacteur nucléaire, la Chicago Pile-1. Sur fond de Seconde Guerre mondiale, s’engage alors une course de vitesse pour mettre au point la bombe atomique avant l’Allemagne hitlérienne et mettre fin au conflit planétaire. C’est le projet Manhattan.

Quatre-vingts ans plus tard, pour fêter l’anniversaire de cet évènement scientifique historique, Andrea Zoia, ingénieur-chercheur au Service d'études des réacteurs et de mathématiques appliquées - DES/ISAS/DM2S (SERMA - Univ. Paris-Saclay/CEA) - entreprend de relever un défi. « Nous avons cherché à revisiter, à l’aide d’outils de simulation modernes, la naissance de ce premier réacteur nucléaire », explique-t-il. C’est à une vraie enquête, mêlant science et histoire, à laquelle s’attaquent le chercheur et son équipe, l’un des projets « les plus intéressants de ma vie professionnelle d’ingénieur », souligne-t-il.

Sur les traces d’un réacteur disparu

D’entrée de jeu, les scientifiques butent sur un premier problème : le fameux réacteur ayant été démoli, il n’en reste pratiquement aucune trace. « Il n’y avait même plus de photos de l’objet », commente Andrea Zoia. À force de recherches auprès des archives américaines, l’équipe tombe sur les plans de la Chicago Pile-2, le deuxième réacteur mis au point par l’équipe de Fermi. Si sa géométrie (cubique) ne ressemble pas à celle de la première pile (sphérique), sa construction en reprend toutefois les mêmes éléments. Les plans, de grand format, sont d’une grande précision. « C’était une énorme pépite, ces plans n’étaient jamais sortis des archives du projet Manhattan ! Avant de mettre la main dessus, on ne savait même pas que ces plans existaient. »

L’équipe doit toutefois surmonter une seconde difficulté : retrouver la géométrie et la composition des matériaux utilisés pour construire la première pile de Fermi. « On savait qu’il y avait 40 000 briques de graphite et 20 000 unités de combustible de formes diverses, mais on ne savait pas avec précision quelle était leur composition. Or, pour reconstituer à l’ordinateur le comportement du premier réacteur, il fallait maîtriser totalement les spécifications de ces matériaux », détaille Andrea Zoia. À l’époque, il est crucial pour Fermi et ses collaborateurs de se procurer des briques de graphite et du combustible répondant aux exigences du projet. Ils construisent entre autres leur propre usine sur place. Mais l’uranium et le graphite sont à ce moment-là très peu traités. Depuis, les méthodes ont radicalement évolué.

Là encore, grâce aux archives, l’équipe d’Andrea Zoia met la main sur les données d’une longue campagne expérimentale menée par Fermi et ses collaborateurs dans le but d'élaborer les matériaux de la pile. Elle parvient alors à calibrer ses simulations et à affiner la composition des matériaux. « Il a fallu comprendre ce qu’ils mesuraient, suivre leur raisonnement et rassembler une à une les pièces du puzzle », raconte Andrea Zoia.

En se plongeant dans ces travaux vieux de 80 ans, l’équipe du SERMA réalise à quel point Fermi et ses collaborateurs ont été des précurseurs. « Quand on pense à la quantité de problèmes qu’ils ont dû résoudre, on est impressionné. On se sent très petit. Ils avaient des moyens de calcul primitifs, et pas d’ordinateurs ! » Tous les paramètres essentiels du réacteur, tels que « ses dimensions, la masse d’uranium nécessaire, le nombre de briques de graphite à ajouter, ont été faits sur papier et à l’aide d’une calculatrice ».

La fission nucléaire : une révolution scientifique

Pour comprendre ce que Fermi et son équipe ont eu à calculer, il faut revenir au phénomène de fission nucléaire, découvert en Allemagne nazie dans les années 1938 par les chimistes Otto Hahn et Fritz Strassmann. Après avoir bombardé un noyau atomique d’uranium avec des neutrons, ces deux chercheurs observent la production de deux noyaux plus légers. Incertains quant à l’explication derrière ce phénomène, ils transmettent leur résultat aux physiciens Lise Meitner et Otto Frisch qui théorisent et prouvent que le noyau d’uranium s’est divisé en deux lors de la réaction, libérant au passage une énergie colossale d’environ 200 mégaélectronvolts. Une énergie si considérable qu’un seul gramme d’uranium 235 suffit à produire la même quantité d’électricité que trois tonnes de charbon !

Outre ce dégagement d’énergie, la réaction de fission nucléaire possède une autre qualité : elle produit d’autres neutrons. Dans les bonnes conditions, ces neutrons secondaires entrainent à leur tour la fission d’autres noyaux d’uranium, libérant davantage de neutrons et d’énergie. Les scientifiques de l’époque comprennent qu’une telle réaction se nourrit elle-même : c’est le principe de la réaction en chaîne. S’ils parviennent à la contrôler, il leur est possible de produire de façon stable dans le temps une quantité impressionnante d’énergie.

De la théorie à la pile

C’est à Enrico Fermi et à ses collaborateurs que revient de mettre la théorie en pratique. Mais cela est loin d’être simple. Il faut d’une part réussir à favoriser la fission des noyaux d’uranium. Les chercheurs de l’époque comprennent que la probabilité de cet événement augmente lorsque les neutrons sont ralentis dans leur course. En se déplaçant plus lentement, ces derniers passent plus de temps à proximité des noyaux et sont plus susceptibles de provoquer une fission. D’autre part, il s’agit de disposer d’une quantité suffisante d’uranium pour compenser les pertes de neutrons. En effet, certains neutrons s’échappent de la pile ou sont absorbés par des impuretés présentes dans les matériaux. Ralentir les neutrons sans les absorber est précisément le rôle du modérateur, les briques de graphite suffisamment pures et placées au cœur du réacteur nucléaire.

Fermi et ses collaborateurs réussissent également à calculer la masse critique de la pile, c’est-à-dire la quantité minimale de matière fissile nécessaire pour maintenir une réaction nucléaire en chaîne. En empilant les briques de graphite et de combustible une par une et en surveillant l’évolution du réacteur, ils se rapprochent progressivement de cette masse critique. Avec peu de briques, le réacteur est dit en régime sous-critique : il multiplie une partie des neutrons par réaction de fission mais il n’y a pas assez d’uranium pour compenser les pertes de neutrons qui s’échappent du bord de la pile. À ce moment-là, « la population neutronique s’effondre de manière exponentielle dans le temps », explique Andrea Zoia. À mesure que l’on ajoute des briques, la pile « atteint une taille suffisamment grande pour que la production de neutrons par fission compense les fuites : c’est la taille critique ». La population neutronique est alors constante et la pile stable dans le temps.

Lors de la mise en marche d’un réacteur nucléaire, celui-ci doit être légèrement en régime surcritique pour que les chaînes de fission s’amplifient et que la population neutronique augmente. Ce phénomène s’appelle la divergence. Pour stabiliser la pile et contrôler sa puissance, « on insère des systèmes qu’on appelle des barres de contrôle, qui augmentent l’absorption des neutrons ». C’est le cas de la Chicago Pile-1. Enrico Fermi racontera dix ans plus tard, lors de la cérémonie d’anniversaire de la pile, qu’il était absolument certain, en démarrant la première fois le réacteur, que la réaction en chaîne fonctionnerait et que l’expérience confirmerait la théorie et les calculs.

Aujourd’hui, la recherche et le développement des technologies nucléaires repose sur des outils de calculs modernes, comme le code Monte-Carlo TRIPOLI-4, développé au SERMA et capable de simuler les réacteurs du parc français. En mobilisant ces outils et un travail approfondi d’archives, l’équipe d’Andrea Zoia est parvenue à simuler le fonctionnement des piles de Fermi. Une réussite scientifique qui rend hommage, quatre-vingts ans plus tard, au travail d’une équipe de précurseurs, et qui tisse un pont entre les débuts du nucléaire et ses développements contemporains.

Référence :
Zoia, A., Gagnepain, A. & Mancusi, D. The Chicago Piles unearthed. Sci Rep 15, 26850 (2025).