En août 1942, en pleine guerre mondiale, le gouvernement britannique cherche à relocaliser dans un lieu plus sûr les chercheurs qui oeuvrent dans son laboratoire de physique nucléaire, à Cambridge. Il désire également faciliter la collaboration entre ces chercheurs européens et ceux travaillant au projet Manhattan lancé par le président Roosevelt aux États-Unis.

Il amorce des négociations avec le Canada qui accepte de mettre sur pied le Laboratoire de Montréal. Le 19 août 1943, dans le cadre de la conférence de Québec, Winston Churchill et Franklin Roosevelt signent secrètement l’Accord de Québec qui permet d’intégrer le programme nucléaire britannique Tube Alloys au projet Manhattan. Du coup, cette entente intègre indirectement dans un premier temps le Canada dans le programme nucléaire des Alliés.

Le physicien québécois Pierre Demers, décédé le 29 janvier dernier à l’âge de 102 ans, a travaillé au Laboratoire de Montréal durant la guerre, mais à cette époque, il ne connaissait absolument pas le but des recherches qu’il menait. Il ne l’apprendra que lorsqu’explose la première bombe atomique sur Hiroshima, le 6 août 1945.

Pierre Demers est recruté par Hans von Halban, un physicien français d’origine autrichienne avec lequel il a étudié au laboratoire de Frédéric Joliot-Curie à Paris. Lorsque les Allemands occupent Paris, Halban et certains de ses collègues quittent la France pour l’Université de Cambridge. Il est ensuite envoyé à Montréal pour diriger le Laboratoire de Montréal dont la mission est de servir le projet Manhattan qui vise à mettre au point une arme nucléaire.

Le Conseil national de recherches du Canada réquisitionne une surface de 2000 mètres carrés à l’Université de Montréal, qui accueille finalement ce laboratoire secret dans l’aile ouest du pavillon principal (pavillon Roger-Gaudry). Plus de 340 chercheurs britanniques, français, américains et canadiens travailleront dans ces installations qui étaient surveillées en permanence par un agent de la Gendarmerie royale du Canada.

Le but principal des recherches de Montréal visait à montrer qu’il était possible de créer et de soutenir la fission nucléaire avec de l’uranium naturel et de l’eau lourde, et que cette technologie pouvait servir à produire du plutonium, un matériau hautement fissile mais presque inexistant à l’état naturel.

Le problème de l’uranium naturel est qu’il contient très peu (0,7 %) d’uranium 235, l’élément radioactif le plus propice pour produire de l’énergie nucléaire, mais principalement (99 %) de l’uranium 238 qui n’est pas fissile et qui, par conséquent, n’est pas utile pour fabriquer une bombe ou un réacteur nucléaire. Les scientifiques s’appliquaient donc à accroître la proportion d’uranium 235 dans le combustible qu’ils utilisaient.

Pour produire de l’uranium enrichi, on fait réagir l’uranium naturel avec du fluor et on obtient de l’hexafluorure d’uranium qui est un gaz. « Durant la Deuxième Guerre mondiale, on poussait le gaz à travers des filtres qui laissaient passer les molécules d’uranium 235 qui sont plus petites et qui retenaient les molécules d’uranium 238. La méthode utilisée aujourd’hui consiste à faire appel à d’énormes centrifugeuses. Le gaz qui se retrouve le plus près des parois est un peu plus dense en uranium 235 parce que ses molécules sont plus légères. En répétant plusieurs fois cette manipulation, on arrive à un composé enrichi en uranium 235. Il s’agit toutefois d’un processus difficile et assez coûteux », explique Richard Leonelli, directeur du département de physique de l’Université de Montréal. C’est pourquoi on a tenté au Canada de concevoir un réacteur nucléaire utilisant de l’uranium naturel.

À partir de 1944, pour des raisons de sécurité, l’équipe oeuvrant au Laboratoire de Montréal déménagea dans les laboratoires de Chalk River, en Ontario, où elle compléta la conception d’un petit réacteur ZEEP (Zero Energy Experimental Pile).

Fission nucléaire

Pour induire la fission nucléaire, on bombarde une masse d’uranium à l’aide de neutrons. Lorsqu’un noyau d’uranium 235 capture un neutron, il devient un atome d’uranium 236 qui est instable et qui par conséquent se brise en deux fragments moins lourds tout en libérant quelques neutrons. Ces derniers peuvent à leur tour être absorbés par d’autres atomes d’uranium 235 qui se fragmenteront et produiront d’autres neutrons, lesquels en se multipliant entraînent une réaction en chaîne qui, si elle n’est pas ralentie, aboutira à une explosion.

Or, les neutrons qui sont émis lors de la fission sont tellement rapides que les atomes d’uranium 235 toujours présents ne parviennent pas à les retenir. On utilise donc un modérateur pour les ralentir. Le modérateur se compose généralement de noyaux légers, comme le carbone, contre lesquels les neutrons entrent en collision. Les noyaux de deutérium constituent aussi un très bon modérateur contre lequel « les neutrons rebondissent et sont ralentis comme quand une boule de billard frappe une autre boule de billard », explique M. Leonelli.

« Contrairement à l’atome d’hydrogène qui se compose d’un proton et d’un électron, le noyau de deutérium est constitué d’un proton et d’un neutron. Dans l’eau lourde, les deux atomes d’hydrogène sont remplacés par deux atomes de deutérium », précise Richard MacKenzie, professeur au département de physique de l’Université de Montréal.

« On s’est rendu compte que, quand on utilise du carbone comme modérateur, on ne ralentit pas suffisamment les neutrons pour avoir une réaction soutenue, c’est pourquoi on doit utiliser de l’uranium enrichi. Tous les réacteurs nucléaires dans le monde qui utilisent les filières américaines ou européennes sont des réacteurs à l’uranium enrichi, fait remarquer M. Leonelli. L’eau lourde rend possible l’utilisation de l’uranium naturel parce qu’elle ralentit suffisamment les neutrons pour que, même s’il y a beaucoup moins d’atomes d’uranium 235, les neutrons arrivent à les trouver. Aujourd’hui seul le Canada fabrique des réacteurs à uranium naturel qui utilisent de l’eau lourde comme modérateur, ce sont les réacteurs CANDU (Canada deutérium Uranium). »

Les recherches sur l’eau lourde menées au Laboratoire de Montréal, puis à Chalk River, ne visaient pas « directement à fabriquer des bombes, mais plus à comprendre tous les paramètres de la réaction pour déterminer les masses critiques [nécessaires pour que la réaction se multiplie de façon exponentielle] pour fabriquer une bombe. Une partie des recherches avec l’eau lourde visait aussi à trouver une façon efficace de fabriquer du plutonium 239, un élément qui n’existe plus à l’état naturel mais qui est très fissile et donc propice pour la fabrication des bombes. Le réacteur CANDU permet d’en fabriquer très efficacement en bombardant de l’uranium 238 avec des neutrons. On obtient alors de l’uranium 239 qui est instable et émet un électron, ce qui le transforme en plutonium 239.

Grâce à tous ces travaux effectués durant la guerre, le Canada s’est retrouvé avec la seconde infrastructure nucléaire du monde après celles des États-Unis.