La perte des sources primaires de caoutchouc – les plantations d'Extrême-Orient – pendant la Seconde Guerre mondiale a entraîné des programmes d'urgence de recherche et de production de caoutchouc synthétique pour répondre aux besoins de l'industrie et de l'effort de guerre.

Le nylon s'est avéré être un autre matériau stratégique, servant de « soie artificielle » pour les parachutes. En Allemagne, une grande usine a été construite par I.G. Farben à Buna, exploitant le travail forcé des prisonniers d'Auschwitz.

L'Allemagne a mis un fort accent sur la recherche et la production de nouveaux bombardiers et chasseurs. Ils ont été les premiers à déployer des avions à réaction, suivis plus tard par la RAF britannique. Le V-2 allemand (Vergeltungswaffen Zwei) a été un jalon dans l'avancement de la technologie des fusées. Propulsé par l'alcool et l'oxygène liquide, le V-2 était le premier missile balistique, c'est-à-dire une fusée autopropulsée qui, après le lancement, suit uniquement une trajectoire déterminée par la gravité. Le V-2 allait plus vite que la vitesse du son, mais n'était pas très précis. Par exemple, sur une portée de 320 km, seulement un tiers des V-2 touchaient dans un rayon de 5 km de leur cible.

Image à gauche : Un missile V-2 sur son lanceur mobile Meillerwagen en 1943. Après la guerre, les V-2 capturés ont été largement étudiés par des chercheurs soviétiques et américains, et leur technologie était le point de départ des programmes spatiaux des deux puissances.

En 1940, le commandement de la défense antiaérienne de l'armée britannique a organisé un groupe de scientifiques sous la direction du physicien P.A.M. Blackett pour étudier l'utilisation opérationnelle du radar, des canons et des calculateurs mécaniques pour le feu antiaérien. À l'Amirauté de 1942 à 1945, ce groupe a apporté des améliorations significatives dans l'utilisation du radar aéroporté pour localiser les sous-marins allemands qui coulaient des navires marchands dans l'Atlantique.

De leurs travaux a émergé un nouveau domaine des mathématiques – appelé recherche opérationnelle – pour traiter des problèmes d'optimisation complexes. La recherche opérationnelle s'est déplacée en 1942 aux États-Unis, où elle a été développée à des fins militaires à l'Université de Princeton et au Massachusetts Institute of Technology.

La Seconde Guerre mondiale voit également le développement et la première utilisation systématique d'ordinateurs numériques pour résoudre des problèmes militaires. En Allemagne, l'ordinateur de Konrad Zuse était utilisé pour l'industrie aéronautique. Au Royaume-Uni, le Colossus, le premier ordinateur numérique électronique, a été développé pour déchiffrer les codes allemands. Aux États-Unis, le Mark I électromécanique de Harvard et l'ENIAC électronique de l'armée américaine produisaient des tables de tir pour l'artillerie et d'autres calculs militaires. L'ENIAC a également été utilisé pour le développement de la bombe atomique.

Image en haut à droite : Le dispositif en bois au premier plan est une machine Enigma allemande à quatre rotors, utilisée pour le chiffrement. La grande machine en arrière-plan est une « Bombe » utilisée pour déchiffrer le code.

L'utilisation d'ondes radio pour détecter et localiser des objets a été suggérée dès 1900 par Nikola Tesla. Les avantages militaires sont devenus d'une importance critique pendant la Seconde Guerre mondiale lors de la bataille aérienne d'Angleterre et dans les opérations de l'océan Pacifique.
Un tube pour générer de la puissance micro-ondes, fondamental pour le succès du radar, le magnétron à cavité, a été développé au Royaume-Uni vers 1940. Un laboratoire de rayonnement dédié a été créé au Massachusetts Institute of Technology, où plusieurs physiciens américains étaient employés.

Image à gauche : Le SCR268 en usage en Italie en 1944. Ce type de radar était un détecteur de type projecteur pour diriger le feu antiaérien. Image à droite : Le physicien britannique E.G. Bowen montre un magnétron à Lee DuBridge et au physicien I.I. Rabi au Laboratoire de rayonnement en 1943.

L'attaque allemande de 1941 a trouvé les structures militaires de l'Union soviétique largement non préparées, permettant une invasion rapide des territoires russes. L'industrie soviétique devait produire de nouveaux systèmes d'armes, et des scientifiques et des institutions scientifiques ont été appelés à développer des matériaux pour les chars, les avions et les armements adaptés aux opérations dans les conditions extrêmes de l'hiver russe.

Le char T-34 a eu une influence profonde et durable sur les tactiques et le design ultérieurs des chars. Déployé pour la première fois en 1940, il est considéré comme le design le plus efficace, efficient et influent de la Seconde Guerre mondiale.

Immédiatement après l'observation par Otto Frisch et Lise Meitner de la grande énergie dégagée lors de la fission de l'uranium (décembre 1938) et la suggestion d'Enrico Fermi sur la possibilité d'une réaction en chaîne (janvier 1939), les possibles usages militaires des processus de fission sont devenus évidents pour la communauté des physiciens nucléaires. La proposition de Leo Szilárd de s'abstenir de publier de nouveaux résultats a été sérieusement envisagée, mais pas réellement acceptée. Au printemps 1939, les gouvernements ou les autorités militaires des États-Unis, de l'Allemagne, de l'Union soviétique, de la France et du Royaume-Uni ont été informés des possibles applications militaires de la fission nucléaire.

Problèmes : Timing – neutrons rapides

Cependant, la construction d'une bombe nucléaire présente des problèmes extrêmement différents de ceux impliqués dans la construction d'un réacteur nucléaire. Le problème fondamental est la nécessité de fissions simultanées d'un énorme nombre de noyaux dans un temps suffisamment court pour empêcher la dispersion du matériau fissile due à l'échauffement. Une explosion équivalente à 20 kt d'explosif chimique (TNT) nécessite la fission de 1 kg de ²³⁵U, ce qui implique une réaction en chaîne de 80 niveaux. Comme la fission se produit en environ 10^-8 s, 80 générations de neutrons passent en 0,8 microseconde. Les neutrons ont besoin d'environ 1 microseconde pour être ralentis, et donc une bombe doit fonctionner avec les neutrons rapides tels qu'ils sont produits, sans modérateur.

Masse critique du matériau fissile

Une grande fraction des neutrons émis dans le processus de fission ont moins de 1 MeV d'énergie et ne peuvent donc pas induire la fission d'un noyau de ²³⁸U. Par conséquent, les armes nucléaires n'utilisent que du ²³⁵U ou du ²³⁹Pu. La masse minimale dépend de la pureté du matériau fissile, mais peut être considérablement réduite en entourant le cœur d'une couche de matériau lourd – le tampon – qui réfléchit les neutrons et retarde l'expansion du matériau actif. Par exemple, un tampon U épais réduit la masse critique d'une sphère de ²³⁵U pur de 56 kg à 15 kg et de ²³⁹Pu de 11 kg à 5 kg.

Image à droite : Courbes des masses critiques de ²³⁵U et ²³⁹Pu en fonction de leur pureté.

Conception de la bombe

Pour être utile, une arme nucléaire doit être facile à manier en toute sécurité et doit fonctionner sans défaillance. Elle doit également être suffisamment petite pour être acheminée jusqu'à sa cible. Toutes ces conditions contradictoires doivent être satisfaites, nécessitant la collaboration coopérative d'experts dans de nombreux domaines. En particulier, les connaissances scientifiques nécessaires comprennent la détermination précise des probabilités de fission et du comportement des matériaux fissiles en fonction de la pression et de la température.

Mécanismes de détonation

Avant le tir, le matériau actif doit être préparé de telle façon qu'une réaction en chaîne ne puisse pas se développer, en tenant compte de toutes les sources possibles de neutrons. L'acte de tir consiste en un réarrangement volumétrique qui assure la configuration nécessaire à une réaction en chaîne. Il y a deux approches de base.

Dans la technique du canon, une masse sous-critique est propulsée par un canon conventionnel à grande vitesse dans une autre masse sous-critique.

La technique d'implosion fait détoner uniformément une charge périphérique d'explosif chimique d'une manière conçue pour comprimer une masse sous-critique en une configuration supercritique. Pour les armes à ²³⁵U, les deux techniques sont possibles, mais pour les armes au plutonium, en raison de la présence du ²⁴⁰Pu fissile spontanément, seule la technique d'implosion est réalisable.

Image à gauche : Dessins schématiques des deux mécanismes de détonation – de Los Alamos, début 1943.

En 1939, à l'Université Columbia à New York, des recherches sur les propriétés fondamentales de la fission sont menées par les groupes de Fermi et de John Dunning avec un soutien financier limité de la marine américaine. Tandis que Fermi cherchait à obtenir une réaction en chaîne avec de l'uranium naturel et des modérateurs en graphite, Dunning a commencé des recherches sur l'enrichissement de l'uranium avec l'isotope ²³⁵U. À Princeton, Niels Bohr et John Wheeler développent la théorie de base de la fission, soulignant l'importance de ²³⁵U.

Image à gauche : Fermi, Bohr et Léon Rosenfeld à la Carnegie Institution en 1939. La fission a été démontrée au Department of Terrestrial Magnetism (DTM) le 28 janvier 1939.

France

À Paris, Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin et Frédéric Joliot-Curie ont réalisé que les neutrons lents sont plus efficaces pour produire des fissions et ont commencé à utiliser d'abord l'hydrogène puis l'eau lourde pour ralentir les neutrons de fission. En octobre 1939, ils ont obtenu une formule approximative pour la loi de la réaction en chaîne, qu'ils garderont secrète jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Après l'invasion allemande de la France, von Halban et Kowarski ont emmené leur eau lourde en Angleterre et ont rejoint l'équipe de recherche britannique. Joliot a poursuivi ses recherches en France, où il a participé à la résistance contre les nazis.

Image à droite : Hans von Halban, Lew Kowarski et Frédéric Joliot-Curie, début 1939.

Allemagne

Dès mars 1939, le gouvernement allemand a commencé à s'intéresser à la fission nucléaire. En septembre, un Projet Uranium est officiellement constitué sous la responsabilité de Kurt Diebner. Le Kaiser Wilhelm Institut für Physik à Berlin-Dahlem devient le centre scientifique et des travaux sont effectués dans plusieurs instituts en Allemagne. L'utilisation de l'eau lourde et la séparation isotopique sont les principaux thèmes de recherche. Heisenberg développe la théorie de la fission. À l'été 1941 à Leipzig, une pile sous-critique modérée à l'eau lourde est déjà en fonctionnement. Fritz Houtermans définit divers aspects de la fission et suggère l'utilisation de l'élément 94 (plutonium) produit par ²³⁸U. À Berlin, une grande pile sous-critique est construite avec 500 l d'eau lourde.

En 1942, Heisenberg était convaincu de l'impossibilité de construire une arme nucléaire, en raison des difficultés de séparation du ²³⁵U. Du 4 au 6 juin 1942, le Comité de l'uranium a présenté ses résultats au ministre Albert Speer et au maréchal Erhard Milch : il a été décidé de donner la priorité à la production d'énergie nucléaire. La possibilité d'un moteur nucléaire pour la marine a été envisagée et un grand stock est constitué pendant l'hiver 1944 à Dahlem avec 1,5 t d'uranium et 1,5 t d'eau lourde. Après le bombardement de l'institut, la recherche est transférée dans une cave à Hechingen en Bavière. Les instruments et les scientifiques seront capturés par les forces américaines le 22 avril 1945.

Image à gauche : Le laboratoire de l'uranium à Dahlem.

L'Union soviétique

Des recherches expérimentales et théoriques sur la fission ont immédiatement commencé dans la ville russe de Leningrad (maintenant connue sous le nom de Saint-Pétersbourg) et dans une série d'articles séminaux de Yakov Borisovitch Zel'dovitch et Yuli Khariton en 1939-40, les principes de base de la réaction en chaîne de fission ont été esquissés.

En 1940, un programme pour l'exploitation de la fission a été présenté au Présidium de l'Académie des Sciences. À Leningrad, en juin 1941, le groupe de Kourchatov commence son activité avec un nouveau cyclotron. Cependant, lors de l'invasion allemande de la Russie (juin 1941), Staline arrête les recherches sur la fission.

En juillet 1945, Staline a décidé de lancer un programme d'urgence pour développer l'énergie nucléaire sous la direction d'Igor Kourchatov. Un laboratoire secret (Arzamas-16) a été construit par des prisonniers de guerre près d'Arzamas, à environ 400 km à l'est de Moscou. Plusieurs scientifiques allemands et des matériaux provenant de laboratoires allemands ont aidé à accélérer le projet russe.

Image à droite : Carte des premiers laboratoires nucléaires soviétiques.

Grande-Bretagne : Le mémorandum Frisch-Peierls

Le début du programme britannique sur les armes nucléaires est le résultat des recherches effectuées à Birmingham par deux réfugiés : l'Allemand Rudolf Ernst Peierls et l'Autrichien Otto Frisch. Le 19 mars 1940, ils présentent à Henry Tizard, président de l'Imperial College, deux mémorandums confidentiels : « Sur les propriétés d'une 'Superbombe' radioactive » et « Sur la construction d'une 'Superbombe' basée sur une réaction en chaîne nucléaire dans l'uranium ».

Dans leur mémorandum, ils soutiennent la faisabilité d'une réaction en chaîne explosive à neutrons rapides de ²³⁵U avec une masse critique de seulement 1 kg. Ils décrivent le mécanisme de détonation à canon et explorent les effets de l'arme et insistent sur le démarrage d'un programme de recherche pour contrebalancer les développements nucléaires allemands.

Le mémorandum Frisch-Peierls, rendant la perspective d'une arme à l'uranium abordable, a convaincu la RAF de lancer un solide programme de recherche (le Comité MAUD) sous la direction de George Thompson avec des groupes à Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant et Peierls), Oxford (pour la séparation isotopique) et à Imperial Chemical Industries.

Image à gauche : Mark Oliphant au département de physique de Birmingham en 1941.

Après la chute de la France, les scientifiques parisiens ont apporté leur expertise au Royaume-Uni avec leur eau lourde. Le 7 juillet 1941, le Comité MAUD a présenté au gouvernement des documents détaillés décrivant les utilisations militaires et civiles de la fission. Churchill a accordé une haute priorité aux deux domaines de recherche ; le « Directorate Tube Alloys » a été créé sous le contrôle de John Anderson, lord président du Conseil. Fin 1941, le programme britannique était le plus avancé du monde.

Italie

Le groupe de physique nucléaire à Rome, fondé par Fermi et dirigé par Edoardo Amaldi après le départ de Fermi aux États-Unis en 1939, s'était spécialisé dans les réactions induites par neutrons. Il était important de mener des recherches sur la fission afin de comprendre pourquoi le groupe avait auparavant confondu cette réaction avec la production d'éléments transuraniens en 1936.

Cependant, en 1941, le groupe de Rome a décidé de cesser toutes les recherches sur la fission en raison de ses implications militaires.

Image à droite : L'accélérateur de protons Cockroft-Walton de 200 kV utilisé depuis 1939 par le groupe de physique nucléaire à Rome.

Yoshio Nishina a commencé des recherches sur les armes nucléaires à l'été 1940 au laboratoire Riken à Tokyo, avec un soutien limité de l'armée japonaise. À Kyoto, la marine impériale a soutenu les recherches de Bunsaku Arakatsu. La compétition entre la marine et l'armée de l'air a entraîné des progrès limités jusqu'au printemps 1943, lorsque les premières installations de séparation ont été produites. Cependant, le projet n'a jamais atteint une taille efficace. Après le bombardement de Hiroshima, Nishina a survolé la ville et a reconnu la nature terrifiante d'une attaque nucléaire.