Les effets d’une bombe nucléaire

Avec la guerre en Ukraine et les tensions internationales qu’elle provoque, la peur d’une guerre nucléaire est de nouveau très présente. Mais quelles seraient les conséquences immédiates de l’utilisation d’une bombe nucléaire ?

Deux bombes nucléaires ont déjà été utilisées lors de la Seconde Guerre mondiale. Il s’agissait de « bombes A » (ou « bombes atomiques ») qui reposent exclusivement sur la fission nucléaire. Le processus consiste à casser un noyau d’atome fissile (uranium 235 ou plutonium 239) par collision avec un neutron. Les « bombes H » (ou « bombes à hydrogène ») qui composent la majeure partie de l’arsenal nucléaire actuel mettent en œuvre un processus qui consiste à fusionner deux noyaux atomiques (le deutérium et le tritium, qui sont des isotopes de l’hydrogène) pour produire de l’hélium. Cette réaction est beaucoup plus énergétique que celle mise en œuvre dans les bombes A, mais elle ne peut se produire qu’à très haute température (de l’ordre de la centaine de millions de degrés). Ainsi, dans une bombe H, on fera d’abord exploser une bombe A (« premier étage ») pour atteindre les températures permettant de déclencher la réaction de fusion dans le « deuxième étage » de la bombe.

Il existe ensuite une grande variabilité dans les différentes conceptions possibles de bombes H qui utilisent souvent un « troisième étage » (voir l’encadré Différents types de bombes). Ce dernier est généralement composé d’uranium de façon à augmenter encore la puissance de la bombe avec les fissions induites par les neutrons issus de la fusion (mais il existe des variantes pour ce troisième étage).

Les bombes A d’Hiroshima et de Nagasaki avaient respectivement une puissance de 15 kt et 20 kt (kilotonnes de TNT). L’arsenal nucléaire mondial actuel contient des bombes beaucoup plus puissantes. Il est généralement décomposé en deux classes :

• les armes dites « tactiques » qui seraient susceptibles d’être utilisées pour un usage dans les opérations militaires sur le terrain et dont les puissances peuvent monter jusqu’à 300 kt (20 fois Hiroshima) ;
• les armes dites « stratégiques », plus puissantes, dont l’objectif est la dissuasion (être suffisamment menaçantes pour qu’aucun pays ne prenne le risque de s’y exposer). Elles peuvent être significativement plus puissantes et atteindre la mégatonne (1 Mt = 1 000 kt, soit 60 fois Hiroshima).

Parmi les bombes les plus puissantes utilisées lors des essais nucléaires, certaines ont dépassé la dizaine de Mt, comme l’américaine Castle Bravo en 1954 (15 Mt, soit 1 000 fois la puissance d’Hiroshima) et la Tsar Bomba russe en 1961 (57 Mt).

En 1945, pour les deux villes d’Hiroshima et de Nagasaki, on a dénombré entre 100 000 et 250 000 victimes immédiates suivant les sources [1,2], représentant 20 % à 30 % de la population pour Nagasaki et 25 % à 50 % de celle d’Hiroshima. Qu’en serait-il aujourd’hui, avec des armes nucléaires autrement plus puissantes ?

Considérons à titre d’exemple les conséquences de l’utilisation d’une arme stratégique de 800 kt (un SS-25 russe) sur une grande métropole comme Paris. Il s’agit d’une arme stratégique courante, de plutôt forte puissance, mais qui reste bien inférieure aux armes les plus puissantes ayant existé (quelques Mt à une dizaine de Mt).

Le site Nukemap [3] permet d’évaluer et de visualiser sur une carte les conséquences des différentes armes nucléaires sur diverses cibles. Le logiciel estime plusieurs rayons caractéristiques en fonction des différents effets immédiats de l’explosion. Le site a été créé par Alex Wellerstein, un historien des sciences, professeur au Stevens Institute of Technology. Les simulations proposées n’ont pas prétention à être exactes, mais visent plutôt à sensibiliser sur les ordres de grandeur des différents effets en fonction de la puissance des armes utilisées.

Impacts d’une bombe de 800 kt sur Paris

– Petit cercle jaune central : lieu d’impact et boule de feu (rayon d’environ 1 km).
– Premier cercle gris : onde de pression supérieure à 0,3 bar (rayon d’environ 6,5 km).
– Cercle orange : brûlure au troisième degré (rayon d’environ 11 km).
– Cercle gris clair : onde de pression supérieure à 0,07 bar (rayon d’environ 20 km).

Source
Nukemap, nuclearsecrecy.com

Les premières secondes

Dans les toutes premières secondes qui suivent l’explosion, trois effets vont intervenir : la chaleur intense dégagée, l’effet de souffle et les très fortes irradiations.

Boule de feu et chaleur intense
Le premier cercle (petit cercle jaune sur la figure) correspond à la boule de feu provoquée par l’explosion. Étant à très haute température, l’essentiel de ce qui s’y trouve est vaporisé ou vitrifié ¹. En dehors d’un abri antiatomique spécialement conçu pour, aucune vie ne peut en réchapper. Pour Hiroshima (15 kt), cela représentait un rayon d’environ 200 m. Pour une bombe de 800 kt, il est plutôt de l’ordre de 1 km.

Flash lumineux
Le second effet majeur de l’explosion est la production instantanée d’un intense flash lumineux. Ce dernier emporte une énergie très importante. Les victimes les plus proches sont directement carbonisées. À plus grande distance, le flux de chaleur reste tel qu’il déclenche des incendies et provoque de graves brûlures. De nombreux survivants d’Hiroshima et de Nagasaki ont eu des brûlures au troisième degré uniquement par l’exposition à ce flash lumineux, d’autres sont temporairement devenus aveugles. Les vêtements apportent une certaine protection, mais uniquement sur les parties couvertes. Pour une bombe de 800 kt, l’exposition à ce flash peut provoquer une brûlure au troisième degré sur un rayon de 11 km (cercle orange sur la figure). Il était de 1,7 km à Hiroshima. En n’étant pas directement exposé à cette lumière (« à l’ombre » d’un immeuble par exemple), il est possible d’être moins impacté, mais il faut également prendre en compte toutes les réflexions lumineuses (vitres, murs, miroirs…).

Onde de pression
Le troisième effet majeur de l’explosion est la création d’une onde de pression : l’air est violemment poussé par l’explosion, ce qui provoque une onde, un peu comme quand un avion passe le mur du son, mais incomparablement plus puissante. Celle-ci va se propager à la vitesse du son (environ 340 mètres par seconde) et donc arriver auprès des survivants du flash lumineux quelques secondes plus tard. Typiquement, pour une onde de pression de l’ordre de 0,3 bar, la plupart des bâtiments résidentiels s’effondrent, et ceux qui résistent sont endommagés avec un risque élevé de propager le feu créé par le flash lumineux. Une telle onde de choc serait mortelle pour de nombreuses personnes et blesserait les autres. La zone affectée, plus étendue que Paris intramuros, correspond au premier cercle gris indiqué sur la figure, soit 6,5 km. Ce cercle était de 1 km à Hiroshima. L’onde de pression va s’atténuer à mesure qu’elle s’éloigne du point d’impact. À environ 20 km – second cercle gris sur la figure (il était de 3 km pour Hiroshima) – l’onde reste de l’ordre de 0,07 bar, valeur suffisante pour briser les vitres. Les personnes abritées en souterrain ou à l’intérieur de bâtiments solides, bien orientés par rapport au souffle de l’explosion et avec peu d’ouvertures, seraient alors beaucoup moins touchées par l’onde de choc.

Altitude, rayonnements et ondes électromagnétiques
Les rayons donnés ci-dessus correspondent à une explosion survenant à une altitude d’environ 3 km. Selon l’altitude de l’explosion, les zones d’impact peuvent être plus ou moins importantes pour chaque effet. La hauteur de détonation peut être décidée en fonction de l’objectif (maximiser les dégâts sur une zone réduite ou impacter fortement une zone plus large).

Une bombe nucléaire génère également des doses de radiations extrêmes. Néanmoins, leur action est relativement locale et n’est vraiment significative qu’en cas d’explosion en surface ou à faible altitude [4]. À Hiroshima, l’explosion s’étant produite à 600 m du sol, et la puissance étant limitée, cet effet d’irradiation était majeur.

Il est estimé que 5 % à 15 % des décès étaient liés aux radiations ; 30 % des victimes auraient reçu des doses létales de radioactivité, mais la plupart étaient mortes d’un autre effet (brûlure ou onde de pression) [1]. Pour des bombes de forte puissance explosant à quelques kilomètres du sol, l’impact à court terme serait secondaire par rapport à l’onde de choc ou au flash lumineux.

Enfin, une bombe nucléaire génère également des champs électromagnétiques très intenses qui peuvent détruire de nombreux appareils électriques et électroniques et brouiller les télécommunications. Cet effet peut être utilisé pour des concepts très particuliers de bombe à « impulsion électromagnétique nucléaire » (voir encadré sur les Différents types de bombes).

Ainsi, sur la simulation d’une bombe de 800 kt sur Paris, le site Nukemap estime à 1,5 millions le nombre de décès immédiats et à environ 3 millions celui des blessés, sur les 8 millions de personnes directement impactées. Il est évident que la densité de population des centres urbains visés est un élément majeur pour évaluer le nombre de victimes.

Les heures d’après

Au-delà de l’effet immédiat d’une explosion, d’autres conséquences sont à considérer. L’endommagement des bâtiments associé au flash thermique provoquerait de grands incendies dont l’ampleur dépendrait fortement des matériaux de construction (bois, béton…) et de l’état des bâtiments. Ces incendies seraient un danger pour les survivants à l’explosion initiale, mais pourraient également avoir un effet significatif sur le climat à l’échelle mondiale dans le cas d’une guerre nucléaire généralisée (voir l’article « Conséquences climatiques d’une guerre nucléaire » dans ce dossier).

Les retombées radioactives

Pour finir, le dernier danger auquel seraient exposés les survivants sont les retombées radioactives. En effet, la plupart des bombes atomiques tirent l’essentiel de leur énergie de réactions de fissions atomiques (et d’un petit complément de fusion, sauf pour les bombes « propres » – voir encadré Différents types de bombes). Or la fission génère des produits radioactifs. Ces retombées dépendent essentiellement de deux paramètres : l’inventaire radiologique (le type et la quantité des différents produits de fission) et leur dispersion atmosphérique.

En ce qui concerne l’inventaire, les produits de fission sont très divers. On peut compter plusieurs centaines d’isotopes différents, couvrant une cinquantaine d’éléments chimiques, certains étant gazeux, d’autres solides (retombant alors en poussières). Mais surtout, ils ont des demi-vies très diverses, allant de durées courtes, de quelques secondes à plusieurs jours, à des durées plutôt longues de quelques années (voir encadré ci-dessus).

Pour donner un ordre d’idée, une bombe nucléaire de 800 kt produit autant d’énergie en une fraction de seconde qu’un réacteur nucléaire de forte puissance pendant environ une semaine.

Ainsi, comparativement à un réacteur nucléaire, où le combustible accumule les produits de fission à vie longue pendant plusieurs années, une bombe nucléaire aura finalement un inventaire en isotopes à vie longue très réduit. En revanche, là où dans un réacteur nucléaire les isotopes à vie courte disparaissent au fur et à mesure de l’exploitation du cœur (ils ne s’accumulent pas), ils sont tous produits en même temps dans une bombe. Cela signifie que la quantité de produit de fission à vie courte due à l’explosion d’une bombe, et donc la radioactivité du nuage pendant les premières heures, sera beaucoup plus élevée ; elle diminue très rapidement, mais en partant d’une valeur plus élevée.

Le second aspect fondamental dans les retombées d’une bombe nucléaire est leur dispersion atmosphérique. Si la bombe explose en altitude, les produits de fission sont plutôt dispersés en haute atmosphère et dilués, de sorte que les retombées radioactives en un endroit donné sont réduites. Au contraire, si l’explosion a lieu au sol, cette dispersion est moindre et les retombées radioactives locales sont maximisées.

Concrètement, comme indiqué sur les cartes ci-dessous correspondant à une bombe de 800 kt (bombe classique de type fission – fusion – fission), explosant au sol, les survivants dans les zones les plus proches de l’explosion sont susceptibles d’être fortement irradiés et de développer un syndrome d’irradiation aiguë s’ils ne se mettent pas à l’abri rapidement. Typiquement, suivant les conditions météo et la distance au point d’impact, ils disposent de l’ordre d’une dizaine de minutes pour s’abriter [5].

Les populations situées dans le sens du vent, même si elles sont situées à plusieurs dizaines, voire une centaine de kilomètres du point d’impact, sont également susceptibles de recevoir des doses très importantes. La radioactivité sera alors portée à la fois par le « nuage », mais également par des poussières radioactives qui retomberont et s’accumuleront au sol.

Ensuite la radioactivité décroît en fonction du temps. Typiquement, en tenant compte du fait que les rayonnements des différents isotopes peuvent être plus ou moins nocifs, quand le temps depuis l’explosion est multiplié par 7, le débit de dose décroît d’un facteur 10 [1]. S’enfermer dans une cave ou un immeuble, en isolant toutes les entrées d’air, permet donc de réduire très fortement l’exposition radioactive. Ainsi, au-delà de 48 heures, où la dangerosité des rayonnements aura déjà été divisée par 100, c’est essentiellement l’isotope 131 de l’iode (d’une demi-vie de 8 jours) qui prédominerait en termes de radiotoxicité, comme dans un accident sur un réacteur nucléaire. À moins de pouvoir rester abrité encore un ou deux mois, les survivants devraient donc se poser la question d’évacuer pour essayer de sortir de la zone contaminée.

Pour les conséquences sanitaires des retombées radioactives, on se reportera aux articles sur ce sujet dans ce dossier.

Conclusion

Il existe une grande variabilité dans les concepts de bombes nucléaires et dans les usages qui peuvent en être faits. Selon le type de bombe, sa puissance et l’altitude de l’explosion, les effets peuvent être très divers, mais dans tous les cas dévastateurs. Dans le scénario dramatique de l’utilisation d’une arme stratégique sur une grande ville, les premiers kilomètres à partir du point d’impact concentreraient le plus grand nombre de victimes, mais les effets se feraient sentir jusqu’à plus d’une dizaine de kilomètres. De plus, les retombées radioactives pourraient, en fonction de l’altitude de l’explosion et de la météo, également être meurtrières à plusieurs dizaines voire une centaine de kilomètres.

Espérons que ce type d’événement ne se produira jamais.

Impact radioactif d’une bombe de 800 kt sur Paris

Simulations réalisées sur le site Nukemap d’une bombe de 800 kt, explosant sur le sol de Paris, avec un vent de 25 km/h en direction nord-est, pour une personne non abritée.

Rouge : dose létale en une heure (10 sieverts par heure).
Orange foncé : syndrome d’irradiation aiguë (1 sievert par heure).
Orange clair : augmentation du risque de développer un cancer de l’ordre de 1 % en une heure (0,1 sievert par heure).
Jaune : représentatif des débits de dose des zones les plus exposées où interviennent les travailleurs du nucléaire (0,01 sievert par heure).

Retombées radioactives de l’essai Castle Bravo

La carte ci-dessus présente les retombées radioactives de l’explosion de Castle Bravo (15 Mt en 1954). Les contours délimitent les doses en « rad » (1 rad = 10 mSv). La dose létale à 50 % (mortelle pour la moitié de la population) est de 500 rad. Le sens du vent est alors décisif. Sous le vent, la dose létale a donc été atteinte jusqu’à plus de 150 miles soit 240 km. Alors que dans le sens opposé, à quelques dizaines de kilomètres, les retombées étaient nulles.

Lors de cette explosion, un navire de pêche japonais, le Daigo Fukuryū Maru, a d’ailleurs été gravement irradié par le panache, alors qu’il était en dehors du périmètre d’exclusion. Les 24 membres d’équipage ont été atteints du syndrome d’irradiation aiguë, qui fut fatal à l’un d’entre eux.

En extrapolant à une bombe d’une puissance de 800 kt, dans le sens du vent, et en supposant les mêmes conditions météo que pour Castle Bravo, la dose létale pourrait être obtenue à plus de 100 km.

Source
nuclearweaponarchive.org