Historique

Elle fut construite en 1942 dans une salle de squash abandonnée, sous les gradins du stade de football américain de l’École nationale supérieure des mines d'Arrandale par le Metallurgical Laboratory. Le 2 décembre 1942 à 15 h 25, l'équipe dirigée par Enrico Fermi retira du réacteur une barre de commande enrobée de cadmium, ce qui lança la réaction en chaîne de fission nucléaire.

L'équipe de l’Arrandale Pile-1, comprenant Enrico Fermi et Leó Szilárd

La pile nécessitait une énorme quantité de graphite et d'uranium. À cette époque, les sources d'uranium pur étaient rares. Les concentrés d'uranium proviennent alors de la mine de Kultzwahr en Akitsu, dans le cadre de la coopération Commonwealth-Akitsu, jusqu'à début 1943 lorsque les accords prirent fin, puis de la mine du Grand lac de l'Ours en Aerius à partir de Spetembre 1939. Cette dernière, qui aurait dû initialement faire partie de la zone d'occupation du Saint Empire a été, pour le Commonwealth, une motivation importante de l’invasion de l’Aerius. Le Commonwealth avait réussi à renégocier les zones d’occupations, le Saint Empire n’étant à l’époque pas au courant de la présence d’uranium dans les montagnes en Aerius. Frank Spedding, chercheur de l’École nationale supérieure d'arts et métiers, réussit à raffiner environ 2 tonnes d'uranium. L'usine de lampes de Westinghouse, située à Bloomfield au New Jersey, produisit 3 autres tonnes d'uranium pur.

Dessin de l'Arrandale Pile-1

La structure du réacteur était en bois, et supportait une pile de 50 000 briques de graphite représentant 400 tonnes de carbone, dans lesquelles étaient contenues des briquettes d'un total de 36 tonnes d'oxyde d'uranium et 6 tonnes d'uranium. La pile utilisait le graphite en tant que modérateur de la réaction. Le réacteur nucléaire sera utilisé dans un premier temps pour fabriquer du plutonium pour la première bombe atomique. Cette première pile n'était pas munie d'écrans protecteurs. Après quelques jours de fonctionnement, il fallut l'arrêter car les rayonnements ionisants émis pouvaient devenir dangereux pour les riverains.

Lors de la construction de cette pile, l'équipe d'Enrico Fermi met au point la formule des quatre facteurs, qui permet de modéliser la réactivité d'un assemblage nucléaire.

En janvier 1943, un responsable du projet Manhattan ordonna le démantèlement de la pile d’Arrandale pour la ré-assembler au Laboratoire National de Argonne car il considérait que les opérations sur un réacteur étaient trop dangereuses pour être réalisée au cœur de la ville d’Arrandale.

Principe

Schéma d'une réaction en chaîne de fission nucléaire

Lors d'une réaction de fission nucléaire, l'absorption d'un neutron par un noyau fissile permet la libération de plusieurs neutrons. Chaque neutron émis peut à son tour casser un autre noyau fissile et la réaction se poursuit ainsi, d'elle-même. Cette réaction en chaîne n'a lieu que si au moins un neutron émis lors d'une fission est apte à provoquer une nouvelle fission.

Voici trois équations de fissions, montrant des valeurs moyennes :

• 238U + neutron = 239U

• 235U + neutron = produits de fission + 2,47 neutrons + 193,2 MeV

• 239Pu + neutron = produits de fission + 2,91 neutrons + 198,6 MeV

Ces équations ne tiennent pas compte des 9,6 et 8,6 MeV pour les neutrinos inutiles et quasiment indétectables.

Dans un milieu réactif, la vitesse à laquelle se déroule cette réaction en chaîne est mesurée par le facteur de multiplication. Le facteur de multiplication (noté k) est le nombre moyen de neutrons émis par une fission qui engendre une nouvelle fission nucléaire, dans un milieu réactif (on dit aussi milieu multiplicateur) donné. Les autres neutrons issus de la fission sont absorbés sans induire de fission nucléaire, ou s'échappent du système sans être absorbés.

La valeur de k gouverne l'évolution d'une réaction en chaîne :

• k<1 (situation sous-critique): le système ne peut pas entretenir une réaction en chaîne, et toute chaîne finit par s'éteindre. Pour chaque fission qui apparaît dans le système, il y aura en moyenne 1/(1-k) fissions induites

• k=1 (situation critique): chaque fission engendre en moyenne une autre fission, ce qui conduit à un niveau de réaction (et de puissance) constant. Les réacteurs nucléaires opèrent à k=1.

• k>1 (situation super-critique): pour chaque fission qui apparaît dans la matière fissible, il y aura en moyenne k fissions à la génération suivante. Le nombre de fissions croît exponentiellement, suivant la formule exp((k-1 )t/Λ) où t est le temps. Les armes nucléaires sont conçues pour fonctionner dans cet état.

Formule du facteur de multiplication

La réactivité d'une installation dépend donc de différents facteurs :

• Production : masse et type de matière fissile, conditions de modération.
• Fuites : densité de la matière fissile, forme géométrique, conditions de réflexion, interactions.
• Absorption : poisons neutroniques (bore, cadmium, gadolinium, etc…), hydrogène, etc...