La pile atomique expérimentale de Haigerloch est une ancienne installation souterraine de recherche nucléaire allemande. Elle est construite pendant la phase finale de la Seconde Guerre mondiale, au début de 1945, à Haigerloch dans la province de Hohenzollern.
Lors de l'« expérience à grande échelle » B8, qui sera la derniere du « projet uranium » mené par le Troisième Reich, la possibilité de réaction nucléaire en chaîne est vérifiée par bombardement neutronique d'uranium naturel immergé dans de l'eau lourde. Le niveau critique n'est pas atteint, et des calculs ultérieurs démontreront que l'installation aurait dû être environ une fois et demie plus volumineuse pour pouvoir provoquer une réaction critique.
L'unité spéciale américaine Alsos découvre l'installation le et la démantèle le lendemain. Les scientifiques impliqués seront capturés et les matériaux utilisés transférés par avion aux États-Unis. Aujourd'hui, le musée Atomkeller, situé sur l'ancien site de la pile, garde la mémoire de ces évènements.
Recherches antérieures Premiers essais du Troisième Reich vignette| Werner Heisenberg, à partir de 1942 directeur de l'Institut de physique Kaiser-Wilhelm. L'objectif du projet allemand pendant la Seconde Guerre mondiale était de pouvoir maîtriser la fission nucléaire découverte en 1938 par Otto Hahn et Fritz Straßmann. Une série d'expériences, dites « à grande échelle », devaient confirmer par la pratique les avancées de la recherche fondamentale allemande pour générer de l'énergie à partir d'uranium. De l'uranium naturel immergé dans de l'eau lourde servant de modérateur était bombardé de neutrons, et les chercheurs allemands ont pu observer la multiplication neutronique résultante. Ils ne parlaient pas de réacteur, mais de « machine à uranium » ou de « brûleur à uranium »W. Heisenberg, K. Wirtz: Großversuche zur Vorbereitung der Konstruktion eines Uranbrenners. In: Naturforschung und Medizin in Deutschland 1939–1946. Für Deutschland bestimmte Ausgabe der FIAT Review of German Science, Bd. 14 Teil II (Hrsg. W. Bothe und S. Flügge), Wiesbaden: Dieterich. Abgedruckt auch in: Stadt Haigerloch (Hrsg.): Atommuseum Haigerloch, Eigenverlag, 1982, S. 43–65.. Il y eut quatorze « expériences à grande échelle » avant la derniere nommée B8, qui sera réalisée à Haigerloch :
B1 à B7, de 1941 à 1944, réalisés à l'Institut Kaiser-Wilhelm de physique à Berlin-Dahlem sous la direction du lauréat du prix Nobel Werner Heisenberg. Les physiciens ont testé la réactivité de plaques d'uranium métal de différentes épaisseurs avec un succès croissant.
L1 à L4, en 1941 et 1942, dans une autre installation à Leipzig. Heisenberg et ses collaborateurs ont testé de l'oxyde d'uranium disséminé dans de l'eau lourde. Après deux accidents mineurs sur la pile Leipzig L-IV, cette piste sera abandonnée et seul l'uranium métal sera utilisé ensuite..
G1 à G3, en 1942 et 1943, sur le site d'essai de Gottow près de Berlin, par un autre groupe dirigé par Kurt Diebner. Dans ces trois expériences, des cubes d'uranium ont été utilisés à la place de plaque avec de bons résultats ; de la paraffine a également été utilisée comme modérateur en plus de l'eau lourde. Les groupes Heisenberg et Diebner se disputaient les ressources pour leurs expériences.
Délocalisation des recherches
En 1943, toutes les grandes villes allemandes sont menacées par les bombardements alliés. Par conséquent, les autorités allemandes décident de déplacer l'Institut Kaiser-Wilhelm de physique dans une zone plus rurale. L'idée d'utiliser la province de Hohenzollern à cette fin vient probablement du chef du département de physique du Conseil de la recherche du Reich, Walther Gerlach, qui avait étudié puis enseigné à l'Université de Tübingen et connaissait l'endroit. Cette région avait jusque-là été largement épargnée par les raids aériens, ce qui plaidait en sa faveur. De plus, les scientifiques impliqués avaient moins de chance d'être capturés par les troupes soviétiques, en cas de défaiteDahl: Heavy Water and the Wartime Race for Nuclear Energy, S. 254..
L'Institut de physique Kaiser Wilhelm a donc été transféré à Hechingen, à de Haigerloch, et y a été installé dans les usines textiles Grotz et Conzelmann et dans la brasserie de l'ancien monastère franciscain de Sankt Luzen. Le déménagement s'est déroulé en plusieurs étapes. Le premier tiers de l'institut a déménagé à Hechingen fin 1943, suivi dans le courant de 1944 par Carl Friedrich von Weizsäcker et Karl-Heinz Höcker alors en poste à l'Université de Strasbourg et enfin par Werner Heisenberg lui-même. L'Institut Kaiser Wilhelm de chimie a été déménagé en parallèle à proximité de Tailfingen avec Otto Hahn et Max von Laue.
En , seuls Karl Wirtz, Kurt Diebner et quelques techniciens de l'Association pour l'Uranium restèrent à Berlin. Karl Wirtz était en train de mettre en place le plus grand test de réacteur à ce jour dans le bunker encore intact de l'institut Dahlem alors que l'Armée rouge était à de Berlin. En conséquence, on décide le de tout annuler et d'évacuer tous les scientifiques et le matériel vers le sud de l'Allemagne.
Construction du laboratoire de Haigerloch Site d'accueil dans une excavation rocheuse vignette| L'entrée du souterrain dans la couche de calcaire, et l'église du château, en 2013. Dès le , la « cave à bière » Schwanenwirt d'Haigerloch est louée pour 100 Reichsmarks par mois comme nouvel emplacement pour le réacteur de recherche de Berlin.. Cette galerie a été creusée au début du , dans le projet d'un tunnel ferroviaire. Elle s'enfonce dans la colline sous l'église de la Ste Trinité, et est protégée contre les attaques de bombes aériennes par une couche de calcaire coquillier de 20 à d'épaisseurDahl: Heavy Water and the Wartime Race for Nuclear Energy, S. 255..
Le souterrain mesure environ de long et trois mètres de haut. Il a une section trapézoïdale, avec une largeur au sol de pour un plafond de . La galerie était supporté sur toute sa longueur par des étais en bois espacés de deux mètres. Un petit porche en masquait l'entrée.
Une fosse cylindrique de trois mètres de profondeur est creusée pour le réacteur dans la partie arrière de la galerie. Une grue de manutention est fixée au plafond de la galerie et un groupe électrogène diesel est installé dans la brasserie abandonnée de l'autre côté de la rue. Fin 1944, les travaux de conversion du souterrain, maquillée en « Centre de recherche sur les cavernes », ont tellement progressé que l'installation de la pile atomique peut démarrer.
Transport et installation du matériel le , Gerlach, Wirtz et Diebner quittent Berlin à la tête d'un petit convoi, suivi de camions chargés de plusieurs tonnes d'eau lourde, d'uranium, de graphite et de matériel de génie.
Après une nuit de route, le convoi s'arrête à au sud la capitale dans la ville thuringienne de Stadtilm, où le groupe de travail de Diebner avait déménagé dès l'été précédent. Gerlach pense que le laboratoire de Diebner est plus avancé que celui d'Heisenberg et décide d'y décharger le contenu des camions. Très contrarié par ce changement de plan, Wirtz contacte Heisenberg à Hechingen, qui part immédiatement pour Stadtilm avec von WeizsäckerDahl: Heavy Water and the Wartime Race for Nuclear Energy, S. 256..
Une fois arrivé, Heisenberg tente de convaincre Gerlach d'apporter les matériaux à Haigerloch. Les deux hommes partent sur place le pour prendre connaissance de la situation. Après que Gerlach se soit assuré que l'excavation rocheuse était plus appropriée comme nouvel emplacement pour le réacteur, il accepte un nouveau déménagement.
Fin , quatre semaines après avoir quitté Berlin, d'uranium, d'eau lourde, de graphite et une petite quantité de cadmium arrivent à Haigerloch. L'uranium provient de la société Degussa, et a été extrait à Sankt Joachimsthal dans les Sudètes. L'eau lourde a été produite par Norsk Hydro en Norvège. De plus, le physicien Fritz Bopp de Berlin a fait voler un échantillon de de radium - béryllium comme source de neutrons.
Les travaux de construction de la pile expérimentale débutent dès l'arrivée des matériaux radioactifs à Haigerloch. Les travaux de construction du réacteur sont achevés durant la première semaine de Dahl: Heavy Water and the Wartime Race for Nuclear Energy, S. 258.. Von Weizsäcker et Wirtz travaillent à la construction et aux expériences. Heisenberg lui-même gère le projet depuis Hechingen, faisant souvent des allers-retours entre les deux villes. En plus de Bagge et Bopp, d'autres scientifiques locaux sont impliqués dans le projet, tels Korsching et Erich FischerName des Originalberichts: F. Bopp, E. Fischer, W. Heisenberg, K. Wirtz, W. Bothe, P. Jensen und O. Ritter. Bericht über den Versuch B8 in Haigerloch..
La pile atomique et son utilisation L'installation d'essai vignette| Croquis de la pile expérimentale. vignette| La disposition spatiale des cubes d'uranium dans un réseau cubique à faces centrées. L'enveloppe extérieure du réacteur est constituée d'un cylindre en béton dans lequel est insérée une chaudière en aluminium d'un diamètre de et d'une hauteur de . Cette chaudière repose sur des poutres en bois placées au sol. L'espace entre ces poutres est rempli d'eau non radioactive. Une autre coque très légere en alliage de magnésium, d'un diamètre de et de la même hauteur, est insérée dans la coque en aluminium. Le réservoir en magnésium avait déjà été utilisé dans l'expérience B6. Celui en aluminium avait été utilisé pour la première fois dans l'expérience à grande échelle B7. Les deux chaudières ont été fabriquées par une société berlinoise : la Bamag-MeguinDahl: Heavy Water and the Wartime Race for Nuclear Energy, S. 257..
Entre ces deux chaudières est intercalé une couche de graphite de d'épaisseur, pesant , qui sert de réflecteur de neutrons et de bouclier. Le graphite a été utilisé comme réflecteur pour la première fois dans la précédente expérience à grande échelle B7W. Bothe und P. Jensen: Die Absorption thermischer Neutronen in Elektrographit. Forschungsbericht 1941. Zeitschrift für Physik Bd. 122 (1944) S. 749.. Le couvercle de la chaudière intérieure est constitué de deux plaques de magnésium, entre lesquelles se trouve également une couche de graphite.
Au total, la pile contient 664 cubes en uranium d'une longueur d'arête de cinq centimètres et d'une masse de chacun. Ils sont attachés à 78 fils d'aluminium sur ce couvercle. 40 fils contiennent neuf cubes chacun, les 38 fils restants contiennent huit cubes chacun. Les cubes d'uranium représentent un poids total de . Ils sont descendus dans le récipient intérieur à l'aide de la grue et l'ensemble est fermé par le couvercle. Dans ce réseau cubique à faces centrées, les cubes d'uranium sont disposés dans les coins et dans les points centraux d'un cube imaginaire. Les cubes d'uranium sont distants de les uns des autres.
Le schéma avec les cubes d'uranium décalés a été utilisé pour la première fois en 1943 par Diebner lors de l'expérience G3 dans l'installation de test du Bureau des armes de l'armée à Gottow. Des plaques d'uranium avaient déjà été utilisées dans les tests de Berlin, mais avec de moins bons résultats. À l'origine, les physiciens voulaient tester une construction faite de cylindres d'uranium suspendus, comparables aux barres de combustible actuelles. Cependant, il n'y avait plus assez de temps pour produire de tels cylindres et les chercheurs ont donc décidé de réutiliser des cubes, issus des expériences de Diebner. Ceux ci n'avaient toutefois pas une taille idéale pour leur expérience (6 à ).