Une explosion atomique ou explosion nucléaire est le résultat de l'explosion d'une arme nucléaire. La première explosion nucléaire provoquée par l'homme est Trinity, qui a lieu aux États-Unis le près d'Alamogordo (Nouveau-Mexique).
Une explosion atomique ne distingue généralement pas l'explosion d'une bombe A (à fission) de celle d’une bombe H (à fusion). Ses caractéristiques sont : l'énergie libérée (exprimée en kilotonnes ou mégatonnes de TNT – une tonne de TNT développant , soit ), de plusieurs ordres de grandeur supérieurs aux explosifs conventionnels ; l'effet du flash thermique, spécifique à cette arme, qui a un effet incendiaire et est susceptible de déclencher des incendies massifs ; l'impulsion électromagnétique, qui s'étend sur une plus grande surface si l'explosion a lieu en altitude ; les radiations émises par l'explosion et (éventuellement) par les retombées.
Ces facteurs expliquent la puissance et les conséquences redoutables de l'explosion atomique.
L'énergie produite par une réaction en chaîne divergente a pour effet immédiat de vaporiser et disloquer l'engin, qui cesse alors d'être dans un état critique, à la fois parce que la température s'élève et parce que la matière se disperse. La réaction en chaîne peut donc cesser dès que l'énergie libérée est capable de disloquer l'engin dans cette explosion, ce qui ne représente a priori que l'équivalent de quelques kilogrammes d'explosif.
De ce fait, il n'est pas possible de réaliser accidentellement une « explosion atomique » proprement dite, à partir d'un simple accident de criticité, ou à la suite d'un accident nucléaire.
Pour atteindre des dégagements d'énergie d'intérêt militaire, il faut une conception spécifique et soignée de l'engin pour que la criticité soit au départ très importante, et soit maintenue suffisamment longtemps jusqu'à la dislocation : c'est l'objet de la conception délicate d'une bombe A, et de la conception encore plus délicate d'une bombe H.
vignette|Déroulement d'une explosion atomique au sol.
Physique de l'explosion Libération de l'énergie vignette|Boule de feu saisie avec une exposition d’une milliseconde après la détonation. On aperçoit encore la base de la tour de tir au sommet de laquelle était installée la bombe (, 1952.). Les « pattes » en bas de l'explosion sont les câbles de maintien de la tour en train de se sublimer.
La première phase de l'explosion atomique (de 0 à ) est la réaction en chaîne, qui produit l'énergie atomique.
Lorsque la masse critique est atteinte, que ce soit dans le cas du plutonium ou de l'uranium, une réaction en chaîne se déclenche.
Chaque fission libère de l'ordre de . Pour produire par fission une énergie équivalente à (un peu plus que la puissance de la bombe atomique larguée sur Hiroshima), soit , la réaction en chaîne doit porter sur environ , c'est-à-dire , ce qui représente la fission d'un kilogramme de matière nucléaire Nuclear Chemistry Nuclear Weapons, ChemCases.com..
Dans les armes modernes, l'explosion initiale d'une bombe A est tout d'abord dopée, puis dans une bombe H, l'énergie obtenue est utilisée pour déclencher la fusion d'un second étage.
L'explosion initiale de l'engin nucléaire crée de l'énergie sous quatre formes, qui vont interagir avec l'environnement pour dissiper l'énergie globale : les fissions nucléaires et fusions éventuelles créent un flash de rayons gamma, qui est généralement capturé par l'enveloppe de l'engin ; on estime généralement que seulement 1 % de ce rayonnement gamma primaire s'échappe de l'engin pour avoir des conséquences extérieures. La majorité de cette énergie contribue donc simplement à vaporiser l'enveloppe du dispositif ; les réactions nucléaires créent également un flash de neutrons : neutrons lents créés par fission nucléaire (2 à par neutron) ou rapides créés par fusion nucléaire () ; la matière constitutive de l'engin reçoit de l'énergie cinétique (à raison de ~ par fission nucléaire et par fusion nucléaire). Cette énergie, dissipée localement, conduit l'engin explosif à des conditions extrêmes de température (supérieures à ) et de pression, concentrées dans le périmètre initial de l'engin ; des produits de fission (et de la matière radioactive non fissionnée) représentent une énergie potentielle de radiation radioactive, laquelle ne devient prépondérante que plus tardivement.
À partir du dégagement initial d'énergie, une explosion nucléaire atmosphérique connaît cinq phases qui correspondent à différents modes de transfert de l'énergieLa dimension radiologique des essais nucléaires français en Polynésie, ministère de la Défense, décembre 2006.. dépôt radiatif et formation de la boule de feu (quelques microsecondes) ; (A) transfert radiatif de l'énergie, étendant la boule de feu (quelques microsecondes à une milliseconde) ; (B) formation de l'onde de choc, extension de la surpression (d'une ms à moins d'une seconde) ; (C) flash thermique et refroidissement progressif de la boule de feu (0,1 à ) ; (D) formation du champignon (plusieurs secondes, voire minutes), élévation et dissipation du champignon, et retombées et pluie noire éventuelles (de quelques minutes jusqu'à plusieurs mois pour les retombées). La durée de ces dernières phases peut fortement varier en fonction de l'intensité, de l'altitude, de la nature de la bombe, des conditions météorologiques et de la nature du terrain dans le cas d'une explosion souterraine ou à faible altitude.
Boule de feu et surpression Dépôt radiatif vignette|redresse|Émission d'énergie gamma calculée par kilotonne d'énergie produite au cours du temps par une explosion nucléaire hypothétique. La ligne pointillée correspond à une explosion exo-atmosphérique. La phase de dépôt radiatif proprement dite prend place dès les premières microsecondes. Initialement, l’énergie est libérée par la réaction nucléaire essentiellement sous forme de rayons γ et de neutrons. Ces rayonnements étant absorbés par l'air en quelques mètres, les radiations interagissent avec les matériaux environnants et leur transfèrent l'énergie.
Le dépôt radiatif dû au rayonnement gamma se fait de trois manières successivesThe effect of nuclear weapons, Chapter VIII - Initial nuclear radiation : le flash gamma initial a une puissance de l'ordre de et une durée de l'ordre de ; il est majoritairement absorbé par l'enveloppe de l'engin ; la désexcitation des états isomériques des produits de fission conduit à un rayonnement gamma de l'ordre de sur une durée de l'ordre de ; le rayonnement gamma associé aux produits de fission les plus instables est de l'ordre de jusqu'à quelques dizaines de secondes. Par la suite, le rayonnement gamma des produits de fission continue à décroître, mais est conventionnellement associé à la radioactivité secondaire.
Les rayons gamma sont pénétrants dans l'atmosphère, mais ionisent l'air sur leur passage, le chauffant et le rendant opaque.
En parallèle, le flash neutronique contribue également à l'ionisation et à l'émission de rayonnement gamma : dans un premier temps, la diffusion inélastique des neutrons sur la matière environnante conduit à des émissions gamma de l'ordre de 1027 MeV/s/kt pendant ; dans un deuxième temps, la capture neutronique par l'azote de l'air (créant du carbone 14) créé des émissions gamma de l'ordre de 1024 MeV/s/kt jusqu'à 1/ de seconde.
Phase A de transfert radiatif vignette|On distingue l'onde de choc qui précède le front de la boule de feu : elle perturbe une fine colonne de fumée (flèche) (, 1945).
À cette phase initiale succède la phase A, durant laquelle le principal mécanisme de transfert de l'énergie est le transfert radiatif.
La température de la matière environnante monte, dépassant localement le million de degrés Celsius, pour donner naissance à une sphère de plasma : la boule de feu (masse sphérique de gaz incandescents).
Se comportant comme un corps noir, la boule de feu émet un rayonnement thermique intense, d’abord principalement sous forme de rayons X. Mais l’atmosphère étant peu transparente à ces derniers, ils sont réabsorbés en quelques mètres, ce qui fait monter la température de l'air environnant et le transforme à son tour en plasma. La boule de feu connaît alors une expansion rapide, et son rayon atteint quelques dizaines de mètres ; cette phase dure quelques centaines de microsecondes. Avec l'expansion de la boule de feu, la densité d'énergie diminue, ce qui correspond à une baisse de la température.
À ce stade, la boule de feu rayonne librement dans l'air dans les ondes visibles, ce qui provoque un premier flash lumineux très brefCf. The Nuclear Double Flash, MrReid.org, avril 2015.Light flash produced by a nuclear explosion, Laboratoire national de Los Alamos, novembre 1979..
Au sein même de la boule de feu, d'éventuelles fluctuations de température sont rapidement atténuées par le transfert radiatif, et la température est relativement homogène. À sa frontière, la boule de feu n'a pas encore de limite franche, mais suit l'atténuation déterminée par le libre parcours moyen des radiations.
Phase B de transfert d'onde de choc La phase B de l'explosion se caractérise par l'apparition d'un transfert d'énergie mécanique. Quand la boule de feu se refroidissant, atteint les , sa vitesse d'expansion par transfert radiatif devient égale à la vitesse du son dans le plasma. À ce moment, une onde de choc se forme à la surface de la boule de feu : c'est la « séparation hydrodynamique », moment où la boule de feu a son premier maximum de brillance..
Le plasma de la boule de feu est à haute température, mais sa densité est restée celle du milieu environnant, ce qui conduit à de hautes pressions. Dans les millisecondes qui suivent, la boule de feu commence à se dilater, les ions du plasma transférant de l'énergie cinétique aux molécules d'air environnantes. L'intensité de l'onde de choc est telle qu'elle rend initialement l'air opaque, diminuant la luminosité apparente de la boule de feu. Puis l'onde de choc se détache de la boule de feu en expansion, et redevient progressivement transparente. Au bout de quelques centaines de millisecondes, la boule de feu, dont le rayon dépasse plusieurs centaines de mètres, devient visible, provoquant un deuxième maximum de l'intensité lumineuse. Ce double maximum d'intensité lumineuse est une caractéristique d'une explosion atomique.
Phase C du flash thermique À ce stade débute la phase C qui, outre la propagation de l’onde de choc dans l'air (connue sous le nom de souffle), se caractérise par l'émission d'un rayonnement thermique et lumineux très important : le flash thermique. La boule de feu continue à grossir, à la fois par dilatation et par transfert radiatif des , et atteint son diamètre maximal en quelques secondes (autour de en pour ). Son expansion fait diminuer la densité d'énergie : la boule de feu se refroidit. Son rayonnement thermique « glisse » des vers l’ultraviolet, la lumière visible et l’infrarouge. L'air étant transparent à ces dernières longueurs d'onde, le rayonnement thermique peut alors se propager sur plusieurs dizaines de kilomètres. L'énergie contenue dans la boule de feu n'étant plus sous une forme contenue par l'opacité de l'atmosphère, elle peut alors se disperser massivement, sous forme d'un flash thermique. Intense, il brûle et enflamme des objets à distance.
La puissance thermique rayonnée au cours du temps a ainsi une forme caractéristique des explosions nucléaires, deux pics séparés par un minimum. Le premier maximum correspond au flash lumineux apparaissant avant l'onde de choc ; le deuxième plus long correspond au flash thermique.
L'essentiel des dégâts observés sur la faune et la flore terrestre ou marine dans un rayon de quelques kilomètres est provoqué pendant les quelques secondes que dure la phase C, par la brûlure thermique, ou par le choc entraîné par l'effet de souffle.
La formation progressive du nuage radioactif caractérise la phase D de l'explosion.
Formation du champignon