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11 · XXe siècle (1900-1950) science et technique

Fermi et la première pile atomique

1942 Université de Chicago, États-Unis

En bref

Enrico Fermi, physicien romain et prix Nobel en 1938, a quitté l’Italie cette année-là, aussi parce que les lois raciales touchaient sa femme Laura, qui était juive. Aux États-Unis, sous les gradins d’un stade de l’université de Chicago, il a construit avec son équipe une grande pile de blocs de graphite et d’uranium. Le 2 décembre 1942, il a obtenu la première réaction nucléaire en chaîne contrôlée : l’énergie contenue dans les noyaux des atomes était libérée peu à peu, sans explosion.

Pourquoi c’est important Elle a ouvert la voie aux centrales nucléaires et, malheureusement, aux armes atomiques.

Source : Treccani, article « Fermi, Enrico »

Illustration : Fermi et la première pile atomique (Université de Chicago, États-Unis)
Illustration créée avec l’IA pour Storiascopio
Fermi et la première pile atomique : Université de Chicago, États-Unis
Où : Université de Chicago, États-Unis

Fiche pour étudier environ 6 minutes de lecture

Le récit

Le garçon de Rome

Enrico Fermi naquit à Rome en 1901 et montra dès son enfance un talent extraordinaire pour les mathématiques et la physique. À dix-sept ans, il remporta un concours pour entrer à l’École normale de Pise et obtint son diplôme à un peu plus de vingt ans. À vingt-cinq ans seulement, il devint professeur de physique à l’université de Rome où, dans le vieil institut de la via Panisperna, il réunit un groupe de jeunes chercheurs très brillants, que ses amis appelèrent « les garçons de la via Panisperna » : Edoardo Amaldi, Emilio Segrè, Franco Rasetti, Ettore Majorana et d’autres. Fermi, surnommé « le Pape » parce qu’il semblait ne jamais se tromper, était un maître qui expliquait chaque problème avec des mots simples.

En 1934, Fermi et son groupe découvrirent une chose importante : en bombardant des atomes avec des neutrons, des particules sans charge électrique, on pouvait obtenir de nouveaux éléments radioactifs. Ils remarquèrent aussi que le phénomène devenait beaucoup plus fort si les neutrons passaient d’abord par de la paraffine ou de l’eau, qui les ralentissait. Pour ces études, Fermi reçut le prix Nobel de physique en 1938.

La fuite hors d’Italie

En 1938, le régime fasciste approuva les lois raciales. La femme de Fermi, Laura, était juive, et la famille courait donc des risques. Quand Fermi alla à Stockholm recevoir le Nobel, il ne revint plus en Italie : de la Suède, il embarqua avec sa femme et ses deux enfants pour les États-Unis, où il obtint un poste à l’université Columbia de New York. Beaucoup de scientifiques européens, en fuyant les persécutions, se retrouvèrent en Amérique, et leur travail fut très important.

La découverte de la fission

À la fin de 1938, deux chimistes allemands, Otto Hahn et Fritz Strassmann, découvrirent qu’en bombardant l’uranium avec des neutrons, l’atome se brisait en deux morceaux plus petits, en libérant une grande quantité d’énergie. Le phénomène fut expliqué par la physicienne autrichienne Lise Meitner et son neveu Otto Frisch, et fut appelé fission nucléaire. Les scientifiques comprirent tout de suite que la fission pouvait donner une réaction en chaîne : les neutrons libérés par un atome pourraient en briser d’autres, et ainsi de suite, libérant une énorme énergie.

C’était le début de la Seconde Guerre mondiale. Les scientifiques craignaient que l’Allemagne nazie puisse construire une bombe atomique. En août 1939, le physicien hongrois Leo Szilárd et Albert Einstein écrivirent au président américain Roosevelt pour l’avertir. Ainsi, les États-Unis décidèrent de lancer un grand programme secret, qui deviendrait le projet Manhattan.

Sous le stade de Chicago

Pour construire une bombe, il fallait d’abord démontrer qu’une réaction en chaîne pouvait être contrôlée. Fermi, qui avait rejoint l’université de Chicago, dirigea une équipe qui construisit une « pile atomique », c’est-à-dire un réacteur, dans un lieu très étrange : un ancien terrain de squash sous les tribunes du stade de l’université. La pile était une grande masse de blocs de graphite, une forme de carbone qui ralentit les neutrons, avec des morceaux d’uranium à l’intérieur. Pour la contrôler, il y avait des barres de cadmium, un métal qui absorbe les neutrons : en les retirant, la réaction démarrait ; en les remettant, elle s’arrêtait. Fermi et ses collaborateurs construisirent la pile couche après couche, pendant des semaines, et mesurèrent tout avec grand soin.

Le 2 décembre 1942, l’équipe, en silence, se réunit pour l’expérience. Fermi fit retirer les barres, peu à peu, en vérifiant avec la règle à calcul comment augmentait le nombre de neutrons. À trois heures vingt-cinq de l’après-midi, la réaction en chaîne s’entretint d’elle-même : la pile fonctionnait ! Fermi la laissa tourner quelques minutes (environ une demi-heure en tout depuis le démarrage), puis l’arrêta. C’était la première fois que l’homme contrôlait l’énergie de l’atome. Pour fêter ça, les physiciens burent du vin rouge dans des gobelets en carton, et l’un d’eux téléphona à un responsable du projet : « Le navigateur italien a débarqué dans le Nouveau Monde. » « Comment sont les indigènes ? », demanda l’autre. « Très amicaux. »

Après l’expérience

Le travail de Fermi servit à construire à Los Alamos, dans le désert du Nouveau-Mexique, la première bombe atomique, testée le 16 juillet 1945 et utilisée les 6 et 9 août 1945 contre deux villes japonaises. Fermi, qui participa au projet, fut après la guerre l’un des premiers à rappeler les risques des armes nucléaires. Il mourut à Chicago en 1954, à cinquante-trois ans.

Pourquoi c’est arrivé

La pile de Fermi naquit de la découverte de la fission et de la crainte que l’Allemagne nazie n’arrive la première à la bombe. Les scientifiques, dont beaucoup étaient des réfugiés d’Europe, poussèrent les gouvernements à investir. Le projet Manhattan finit par employer plus de cent mille personnes dans tout le pays.

Cela fut possible aussi parce que des physiciens comme Fermi unissaient le travail théorique et le travail expérimental : il savait faire les calculs avec du papier et un crayon et construire les appareils de ses propres mains. À Chicago, il fallait justement une personne capable de tout expliquer à tout le monde, un coordinateur calme et précis.

Ce qui a changé

L’expérience de 1942 ouvrit l’ère nucléaire, avec des effets très différents. D’un côté, elle mena aux armes atomiques, qui ont changé la politique mondiale : après Hiroshima et Nagasaki, le monde vit dans la crainte d’une guerre nucléaire, et c’est pourquoi il existe un traité international (1968) qui cherche à empêcher leur diffusion.

De l’autre, elle a permis d’utiliser l’énergie nucléaire de façon pacifique : à partir des années 1950, on construisit des centrales qui produisent de l’électricité sans émettre de dioxyde de carbone. Aujourd’hui, environ dix pour cent de l’électricité mondiale vient de centrales nucléaires. Mais des questions difficiles sont aussi apparues : la sécurité, après des accidents comme ceux de Tchernobyl (1986) et de Fukushima (2011), et les déchets radioactifs, qui restent dangereux pendant des milliers d’années. En Italie, par deux référendums, en 1987 et en 2011, les citoyens ont choisi de ne pas utiliser cette énergie.

Les mêmes principes servent aussi en médecine, pour les traitements contre les cancers, et dans la recherche. En l’honneur de Fermi, un élément chimique s’appelle le « fermium », et un télescope spatial pour les rayons gamma s’appelle « Fermi ».

Personnes et lieux clés

Personnes

Enrico Fermi
Physicien italien (1901-1954) : il dirigea la première pile atomique ; prix Nobel de physique en 1938.
Laura Fermi
Épouse d’Enrico (1907-1977) : écrivaine, elle raconta la vie de son mari et de leur famille.
Leo Szilárd
Physicien hongrois (1898-1964) : il eut l’idée de la réaction en chaîne et poussa à écrire la lettre à Roosevelt.
Edoardo Amaldi
Physicien italien (1908-1989) : collaborateur de Fermi, il fut l’un des fondateurs du CERN et de l’INFN.
Ettore Majorana
Physicien italien (1906-disparu en 1938) : le plus génial des garçons de la via Panisperna, il disparut mystérieusement.

Lieux

Via Panisperna, Rome
C’est ici que Fermi travaillait avec son groupe de jeunes physiciens.
Stagg Field, université de Chicago
Le lieu où, le 2 décembre 1942, la première pile atomique fonctionna.

À savoir

  • Ses collègues appelaient Fermi « le Pape », parce qu’il semblait ne jamais se tromper.
  • La première pile atomique était faite de blocs de graphite avec des morceaux d’uranium à l’intérieur.
  • Le 2 décembre 1942, la première pile atomique a fonctionné quelques minutes, environ une demi-heure en tout depuis le démarrage.
  • Pour fêter l’événement, les physiciens ont bu du vin dans des gobelets en carton.
  • En l’honneur de Fermi, l’élément chimique numéro 100 s’appelle le « fermium ».

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