vignette|Explosion de , la première bombe H testée, le .
La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe thermonucléaire) est une bombe nucléaire dont l'énergie principale provient de la fusion de noyaux légers.
Plus puissante et plus complexe qu'une bombe à fission nucléaire, dite bombe A, une bombe H est divisée en deux étages : le fonctionnement du premier étage est celui d'une bombe A à fission au plutonium ou à l'uranium enrichi ; le deuxième étage est constitué des combustibles de fusion, deutérium et tritium ou deutérure de lithium ; c'est son fonctionnement qui constitue l'explosion thermonucléaire proprement dite.
Historique vignette|Maquette de ce qui est présenté comme la première bombe H de l'arsenal nucléaire de la Chine. Le premier essai chinois, le H-Test (), a lieu le . Dès 1940, le physicien nucléaire hongro-américain Edward Teller entrevoit la possibilité d'utiliser l'énorme puissance thermique (permettant d'atteindre une température de , soit cent millions de kelvins, ou de degrés CelsiusAux hautes températures, les échelles Kelvin et Celsius se confondent, car l'écart entre les deux échelles ( ou °C) est alors négligeable.) produite par l'explosion d'une bombe A pour déclencher le processus de fusion nucléaire. En 1941, Teller rejoint le projet Manhattan, qui a pour objectif de développer la bombe à fission.
Après des travaux préliminaires à Chicago avec Enrico Fermi et à Berkeley avec Robert Oppenheimer, Teller se rend au laboratoire national de Los Alamos pour travailler sur la bombe atomique sous la direction d'Oppenheimer. Mais au vu de la difficulté à réaliser une bombe à fusion, la piste de la bombe H n'est pas suivie, à la grande déception de Teller.
En 1949, après que les Soviétiques ont fait exploser leur propre bombe à fission le , les analyses des services de renseignement américains démontrent que cette bombe utilisait du plutonium. Le monopole des États-Unis n'existe alors plus et la nouvelle cause un choc psychologique considérable. En effet, les Américains pensaient conserver le monopole de l'arme nucléaire durant une dizaine d'années. Ils s'engagent alors dans une nouvelle aventure, celle de la recherche d'une bombe encore plus puissante que la bombe à fission : la bombe à fusion.
Le président des États-Unis Harry S. Truman demande ainsi au laboratoire national de Los Alamos de développer une bombe fonctionnant grâce à la fusion des noyaux. Oppenheimer est contre cette décision, considérant qu'elle n'est qu'un autre instrument de génocide. Teller est alors nommé responsable du programme. Cependant, son modèle, bien que raisonnable, ne permet pas d'atteindre le but visé.
Le mathématicien polono-américain Stanislaw Marcin Ulam, en collaboration avec C. J. Everett, réalise des calculs détaillés qui montrent que le modèle de Teller est inefficace. Ulam suggère alors une méthode qui sera retenue. En plaçant une bombe à fission à une extrémité et le matériel thermonucléaire à l'autre extrémité d'une enceinte, il est possible de diriger les ondes de choc produites par la bombe à fission. Ces ondes compressent et « allument » le combustible thermonucléaire.
Au début, Teller infirme l'idée, puis il en comprend tout le mérite. Il suggère alors l'utilisation des radiations plutôt que des ondes de choc pour comprimer le matériel thermonucléaire. La première bombe H, , explose sur l'atoll de Eniwetok (près de l'atoll de Bikini, dans l'océan Pacifique) le , et ce à la satisfaction de Teller, malgré le désaccord d'une majeure partie de la communauté scientifique. Cette bombe était d'une puissance de .
L'« implosion par radiation » est maintenant la méthode standard pour créer les bombes à fusion. Les deux créateurs, Ulam et Teller, ont d'ailleurs breveté leur bombe H.
Bombe H de type « Teller-Ulam »
Structure vignette|Configuration d'une bombe à fission-fusion-fission :
A : Étage de la fission B : Étage de la fusion
1. Lentilles d'explosifs à haute puissance 2. Uranium 238 (« tampon ») 3. Vide (« lévitation ») 4. Gaz de tritium (« surcharge », en bleu) enfermé dans un cœur évidé de plutonium ou d'uranium 5. Mousse de polystyrène 6. Uranium 238 (« tampon ») 7. Deutérure de lithium 6 (combustible de la fusion) 8. Plutonium (allumage) 9. Enveloppe réfléchissante (réfléchit les rayons X vers l'étage de fusion).
Un engin thermonucléaire typique comprend un étage primaire, où l'explosion est initiée (la primaire, de type bombe A à fission), et un secondaire, lieu de l'explosion thermonucléaire principale (la secondaire, bombe H proprement dite, généralement du deutérure de lithium dopé au plutonium).
L'explosion opère par fission-fusion-fission et implosion par rayonnement, selon l'architecture dite de Teller-Ulam. La fusion est déclenchée non par la chaleur, mais par l'énorme quantité de rayons X très intense dégagée par l’explosion de la primaire. Ce rayonnement est canalisés vers une cavité métallique entourant la secondaire, dont la surface extérieure chauffe alors à des millions de degrés en une fraction de microseconde, provoquant une compression violente du combustible de fusion vers l’intérieur (l'implosion par rayonnement). En outre, au centre de la secondaire se trouve un petit cylindre de plutonium entouré d’ (allumage, spark plug), qui fissionne sous la pression et fournit la température finale nécessaire pour allumer la fusion, soit plus de 100 millions de degrésMichel Rival, Les apprentis sorciers, Paris: Seuil, 1996, chapitre “Edward Teller et la guerre thermonucléaire”, voir : « La “configuration Teller-Ulam”... se fonde sur le principe de la compression à des densités élevées du combustible thermonucléaire... » et la suite..
La secondaire est entourée d'une mousse en polystyrène qui, en maintenant le positionnement optimal des composants, permet une montée très haute en température. Il est possible d'utiliser un troisième étage, du même type que le deuxième, pour produire une bombe à hydrogène beaucoup plus puissante. Cet étage supplémentaire est beaucoup plus volumineux (en moyenne dix fois plus) et sa fusion est amorcée par l'énergie dégagée par la fusion du deuxième étage. On peut donc fabriquer des de très grande puissance en ajoutant plusieurs étages.
La puissance de l'étage primaire, donc sa capacité à provoquer l'explosion du secondaire, peut-être augmentée (dopée) par un mélange de tritium, qui subit une réaction de fusion nucléaire avec du deutérium. La fusion émet une grande quantité de neutrons, qui augmentent substantiellement la fission du plutonium ou de l'uranium hautement enrichi présent dans les étages Richard E. Rowberg, Clifford Lau, , 1997.. Cette approche est utilisée dans les armes modernes pour assurer une puissance suffisante malgré une diminution importante de la taille et du poids , ..
Déroulement de l'explosion Les réactions impliquant la fusion peuvent être les suivantes ( étant un noyau de deutérium H, un noyau de tritium H, n un neutron et p un proton, et indiquant des noyaux d' et d' respectivement) : + ⟶ + + ; + ⟶ + + ; + ⟶ + + ; + ⟶ + 2 ; + ⟶ + ; + ⟶ + ; + ⟶ + + .
La première de ces réactions (fusion deutérium-tritium) est relativement facile à amorcer, les conditions de température et de compression étant à la portée d'explosifs chimiques de haute performance. Elle est par elle-même insuffisante pour démarrer une explosion thermonucléaire, mais peut être employée pour doper la réaction : quelques grammes de deutérium et de tritium au centre du cœur fissible produiront un flux important de neutrons, qui augmentera significativement le taux de combustion du matériau fissible. Les neutrons produits ont une énergie de , ce qui est suffisant pour provoquer la fission de l', conduisant à une réaction fission-fusion-fission. Les autres réactions ne peuvent se dérouler que lorsqu'une explosion nucléaire primaire a produit les conditions nécessaires de température et de pression Donald McIntyre, « » ..
L'explosion d'une bombe H se déroule dans un temps très court : . La réaction de fission réclame et celle de fusion .
Après l'allumage de l'explosif chimique, la bombe à fission se déclenche. L'explosion provoque l'apparition de rayons X, qui se réfléchissent sur l'enveloppe et ionisent le polystyrène qui passe à l'état de plasma. Les rayons X irradient le tampon qui compresse le combustible de fusion (LiD) et l'amorce en plutonium qui, sous l'effet de cette compression et des neutrons, commence à fissionner. Comprimé et porté à de très hautes températures, le deutérure de lithium (LiD) déclenche la réaction de fusion. On observe généralement le type de réaction de fusion suivant : lorsque le matériau fusionne à plus de cent millions de degrés, il libère énormément d'énergie. À une température donnée, le nombre de réactions augmente en fonction du carré de la densité : ainsi, une compression mille fois plus élevée conduit à la production d'un million de fois plus de réactions. La réaction de fusion produit un large flux neutronique qui irradie le tampon. Si celui-ci est composé de matériaux fissibles (comme U), une réaction de fission se produit, provoquant une nouvelle libération d'énergie, du même ordre de grandeur que la réaction de fusion.
vignette|centré|redresse=2|Déroulement de l'explosion d'une bombe H : A : Bombe avant explosion ; étage de la fission en haut (primaire), étage de la fusion en bas (secondaire), tous suspendus dans une mousse de polystyrène ; B : L'explosif haute puissance détone dans le primaire, comprimant le plutonium en mode supercritique et démarrant une réaction de fission ; C : Le primaire émet des rayons X qui sont réfléchis à l'intérieur de l'enveloppe et irradient la surface du tampon (la mousse de polystyrène est transparente aux rayons X et ne sert que de support) ; D : Les rayons X vaporisent la surface du tampon, comprimant le secondaire, et le plutonium commence une fission ; E : Comprimé et chauffé, le deutérure de entame une réaction de fusion et un flux de neutrons démarre la fission du tampon. Une boule de feu commence à se former…
Puissance et effet de l'explosion
Les bombes thermonucléaires ont des effets qualitativement semblables aux autres armes nucléaires. Cependant, elles sont généralement plus puissantes que les bombes A, donc les effets peuvent être quantitativement beaucoup plus importants.
Une valeur classique de l'énergie dégagée par l'explosion d'une bombe A à fission est d'environ 14 kilotonne (), soit de TNT, une tonne de TNT développant , soit . De par leur conception, la valeur maximale ne dépasse guère , soit 0,7 Mégatonnes ().
En comparaison, les bombes H peuvent être au moins plus puissantes que , la bombe à fission larguée en 1945 sur Hiroshima. Par exemple, , la première bombe à fusion américaine, a dégagé une énergie d'environ . L'explosion la plus puissante de l'histoire est celle de la Tsar Bomba soviétique de , qui devait servir de test pour d'éventuelles bombes de . C'était une bombe de type « FFF » (fission-fusion-fission) mais bridée, le étant maintenu inerte. Khrouchtchev expliqua qu'il s'agissait de ne pas .
Autres bombes H Bombes russes La structure de certaines bombes H soviétiques puis russes utilise une approche différente, en couches au lieu des composants séparés, ce qui a permis à l'URSS de mettre au point les premières bombes H transportables, donc aptes à être utilisées en bombardement. La première explosion de bombe H soviétique s'est produite le , au cours du test RDS-6s (nommé par les Américains), qui était plutôt une bombe A « dopée ». L'URSS a par la suite utilisé le concept Teller-Ulam, (re)découvert par Andreï Sakharov , section ... La Russie est également à l'origine de l'explosion nucléaire la plus puissante jamais réalisée, celle de la Tsar Bomba, d'une puissance de .
Bombes des autres pays