Le rapport de l'US Geological Survey

RAPPORT NON CLASSIFIE N° 01-28

Contraintes liées à l'ingénierie et à la géologie concernant
la faisabilité du tests nucléaires souterrains dans de vastes cavités
avec atténuation de l'explosion (decoupling).

Dr. William Leith
US Geological Survey
Reston. Virginie 20192

Département de l'intérieur américain

Analyse des questions géologiques

Le rapport peut être téléchargé à partir des Publications du site de l'USGS (US
Geologival Survey) à l'adresse :
http://geology.er.usgs.gov/eespteam/pdf/USGSOFR0128.pdf

Un doublon de sécurité d'origine se trouve ici: http://membres.lycos.fr/atar/Archives/Report01_28.pdf


La copie complète de ce rapport est fournie en langue anglaise. Voici les passages essentiels avec commentaires. (JP Petit et son équipe.)


Travaux préliminaires.

Pendant les 40 années précédentes le bureau de surveillance géologique américain a maintenu son effort pour contrôler la tenue d'essais nucléaires à travers le monde et pour s'assurer que les traités s'y référant avaient été respectés.

- Systèmes de détection des explosions nucléaires

- Effets sur la surface du sol et sur l'environnement concernant principalement les essais menés à l'étranger. Localisation des lieux d'expérimentation

- Evaluations relatives aux soit-disant « essais nucléaires menés à des fins pacifiques.

- Etudes comparées des effets sismiques dûs aux explosions nucléaires et à ceux imputables à la sismicité naturelle et aux explosions liés à l'exploitation minière.

- Intervention et participation à l'élaboration des traités de limitation des essais nucléaires.

- Etablissement de bases de données sismologiques pour faciliter la détection des explosions nucléaires

- Discrimination entre les explosions nucléaires et les effets des tremblements de terre

- Etudes de l'atténuation des ondes dans la croûte terrestre

- Etude des capacité d'atténuation naturelle de sols poreux, à différentes profondeurs (Matzko, 1995)

- Cavités naturelles se prêtant à la mise en place de dispositifs d'atténuation, en se concentrant sur les dômes de sel ou les couches où le sel se présente en couche ou alors sur les zones qui se prêtent à l'aménagement de larges cavernes souterraines.


Un scénario d'atténuation (decoupling)

Un des points d'achoppement des traités de non-prolifération des armes nucléaires (Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty ou CNTB) est la capacité d'évaluer la possibilité que puissent avoir des pays à mener des essais en toute clandestinité, c'est à dire susceptibles d'échapper aux systèmes usuels de détection d'essais. Parmi les différents scénarios possibles, citons :

- Faire exploser une charge nucléaire dans l'espace
- Pendant un tremblement de terre
- Dans un milieu offrant une atténuation d'ordre naturel
- Dans un milieu marin situé très à l'écart
- Dans l'atmosphère terrestre lorsque celle-ci est l'objet d'une forte couverture nuageuse
- En évitant la détection en faisant exploser les charges dans des cavités suffisamment vastes et situées à des profondeurs adéquates.

Toutes ces méthodes ont fait l'objet d'études approfondies et de nombreux articles ont été écrits sur le sujet ( Herbst et Werth 1980, Glenn et Goldstein 1994 , Sykes, 1995, Linger et Al. 1995).

Depuis que la méthode d'atténuation consistant à faire détoner une charge dans une cavité a été envisagée par Albert Latter en 1959 (Latter et Al.1961) un travail considérable a été mené pour tenter de modéliser ce phénomène théoriquement. Les USA et l'URSS ont effectué des essais en condition d'atténuation de signal comme il en été rendu compte dans les papiers de Springer et Al. 1968, Murphy & Al. 1995, Reinke, 1995.

En 1988 on est arrivé à la conclusion qu'une surveillance pourrait être opérée pour des explosions dépassant les 10 kilotonnes et qu'avec de telles puissances on ne disposait pas de méthodes pour éliminer le signal sismologique.

En dessous d'une à deux kilotonnes on a été amené à conclure que des explosions pouvaient être opérées en violation des traités dans des milieux comme du granit, des alluvions ou des dépôts salins et que dans ces conditions on ne disposait pas de méthodes fiables permettant de détecter de tels essais avec la technologie actuelle.

Entre ces deux domaines (charges supérieures à dix kilotonnes ou inférieures à 1 kilotonne se situe une plage où si on met en jeu des technique d' atténuation la détection reste problématique.

Le but de ce papier est de faire le point sur les technique d'atténuation en faisant exploser les charges dans des cavités (Sykes, 2000). Cette revue de question se réfère à des cavités emplies d'air. Mais d'autres méthodes d'atténuation ont été envisagées. On s'est intéressé également à des matériaux poreux, alvéolaires, susceptibles de s'écraser lors de l'explosion en
absorbant l'énergie. On a démontré la faisabilité d'expériences nucléaires souterraines dans des roches alvéolaires dont le coefficient de porosité atteindrait 5 à 20 %. Il existe des régions, comme le Kalahari, où la porosité peut dépasser les 20 %

Voici quels sont les critères qui permettent d'envisager de réaliser des explosions nucléaires furtives.

- Le signal sismologique doit être en dessous du seuil de détectabilité des instruments de surveillance.
- La profondeur à laquelle est effectué le test doit être suffisante pour assurer le confinement des produits radioactifs après l'explosion de telle manière que les systèmes de détection des produits radioactifs ne puissent mettre le phénomène en évidence, en le différenciant des signaux d'origine naturelle.
- L'aménagement du site d'essai doit pouvoir échapper à toute surveillance par satellite.


Atténuation dans des cavités ellipsoïdales

Américains et Soviétiques ont effectué de nombreux essais à l'aide d' explosifs chimiques de forte puissance dans des cavités dont l'élongation atteignait 4:1. En Union Soviétique ces essais ont été conduits en Kirghizie en 1960. Des essais semblables ont été faits à Magdalena, Nouveau Mexique en 1994. Ces essais ont été faits pour vérifier que les modèles prédictifs étaient corrects.

Facteur d'atténuation dans le sel et le granit.

D'après un rapport publié en 1988 par l'OTA donnent des diamètres de cavités sphéroïdales de 25 mètres dans du sel et de 20 mètres dans du granit susceptibles de fournir une atténuation suffisante pour des charges d'une kilotonne, les profondeurs auxquelles les charges étaient mises à feu étant de 825 mètres. Sykes (1995) estime que ces évaluations devraient être revues à la hausse, mais ces modifications restent faibles et on peut considérer ces valeurs comme significatives.


Les environnements dans le cas de l'aménagement d'une cavité souterraine.

La technique d'atténuation des explosions dans des cavités implique des aménagements assez large sans piliers de soutènement. De manière à opérer avec le minimum de chances de détection les considérations suivantes doivent être prises en compte :

- Etude géologique de l'environnement.
- Disposer de données préalables quant à la faisabilité de l' opération dans un tel sol.
- Données concernant la stabilité des sols.
- Efficacité de l'atténuation
- Caractéristiques liées au problème du confinement des produits de réaction
- Discrétion des travaux
- Coût


Construction de cavernes dans du sel

Des dépôts de sel à des profondeurs modérées (100-1500 mètres) offrent des caractéristiques idéales à la fois pour l'atténuation et le confinement, ceci du fait des propriété rhéologiques du sel. En effet le sel reste compact vis à vis de charges de courte durée, alors qu'il offre des propriétés de plasticité et d'imperméabilité sur de longues périodes de temps. Les USA et l'URSS ont effectué des explosions nucléaires souterraines à faible signature dans des cavités ménagées dans du sel, atteignant des puissances de 10 kilotonnes. En 1999 Davis & Sykes en ont conclu que cette technique de mise à feu dans du sel était le moyen le plus commode qu'une nation pouvait utiliser pour mener des essais nucléaires souterrains furtifs.

Les industries du pétrole et en général les secteurs qui s'occupent de l' énergie ont creusé des milliers de cavernes de ce genre pour assurer le stockage d'hydrocarbures comme le pétrole brut, le propane, le butane, l'éthylène aussi bien que de l'air comprimé. D'après Kedrovskiy, 1974, l'Union Soviétique a pour sa part créé de nombreuses cavités de ce genre à l' aide d'explosions nucléaires.

En dépit du fait qu'on trouve beaucoup de dépôts de sel dans le monde, ceux qui ont une épaisseur suffisante sont en nombre plus limité. Ces dépôts de sel sont couramment inclus dans des couches de carbonate de calcium (CaCO3),
de gypse (Ca5O4*2 H2O) et de sylvite anhydre. Le sel courant est du Na Cl (chlorure de sodium). Les couches salines ont des épaisseurs allant de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres. On trouve aussi ce qu'on appelle de « dômes de sel ».

(...)

Techniques de creusement. Taille des cavernes...Stabilité...

Sites avec dépôts de sel épais :

Chine Nombreux
France Nombreux
Inde Limité à la région de Kumaun. Profondeur et épaisseur non connues
Iran Nombreux
Irak Nombreux
Israël Sites en nombre limité, concentrés autour de la Mer Morte. Epaisseurs et profondeurs non connues.
Libye Limité au nord est du pays, frontière Tunisie. Ep. Et prof. Non connues
Crée Aucune donnée Pakistan Limité à la région de Sargodha
Russie Nombreux Angleterre Limités
USA Nombreux

Des cavités dans des dômes de sel ayant un volume de deux millions de mètres cubes sont rares mais il est à noter que des cavités artificielles de 17 millions de mètres cubes ont été creusées.

Ci-après, les données concernant les diamètres nécessaires pour différentes
valeurs de la charge :

Charge Rayon pour Volume atténuation totale
1 kT    25 m           65.500 m3
5 kT    43 m           333.000 m3
etc...

Coût de la construction..

...


Creusement de cavernes dans des roches dures

De nombreuses cavités sphéroïdales dépourvues d'étais, dont le diamètre atteint 30 mètres, ont été construites..

Les données sur les cavernes de grandes dimensions ont été publiées en France par Duffaut en 1987.

Les records en matière de creusement (donnés dans l'article) donnent des dimensions atteignant 70 mètres. La plus grande caverne naturelle a une dimension de 400 mètres et se trouve en Indonésie. On trouve en France une caverne de 230 mètres d'envergure et d'un volume total de onze millions de mètres cubes.

...les pages suivantes se réfèrent à la faisabilité du creusement des cavernes dans différents matériaux. Il existe des machines spécialisées, des « Djumbo » spécialement conçue pour effectuer ces creusements. Le rapport fournit là encore les données, diamètres, volume, des cavités à prévoir dans des roches dures pour obtenir une atténuation totale.

20 mètres pour une charge d'une kilotonne

Suivent des considérations concernant le confinement des produits de réactions nucléaires ainsi qu'un rappel des expérimentations nucléaires effectuées (table 6) avec les puissances, la date, la nature du sol, la profondeur.

Puis des formules approchées qui donnent les profondeurs auxquelles les tirs doivent être effectués. Autres considérations concernant le confinement.

....


Expériences françaises :

On rappelle les données concernant les expériences françaises. Les profondeurs de tir sont des valeurs ramenées à la charge en kilotonnes soit données en

Mètres x ( puissance en kilotonne)1/3

Sur 140 essais effectués dans le Pacifique, 121 (86 % ) n'ont pas été accompagnés de rejets. Dans 8,4 % des cas (le reste des essais) une cheminée s'est formée, liée à l'effondrement de la cavité créée par l'explosion.

Explications : l'explosion de la charge, quand on opère dans un volume non aménagé au préalable, quand on ne recherche pas systématiquement la furtivité vitrifie les parois. Pour un charge d'une kilotonne se crée une chambre autour du container contenant la bombe qui ne dépasse pas quelques dizaines de mètres cubes. Ce volume est alors empli de gaz très chaud, sous très forte pression. Une partie peut alors diffuser dans le milieu environnant, selon sa porosité. Puis se gaz se refroidit et « tire » alors sur les roches, provoquant un effondrement qui se propage vers le haut. C'est ce phénomène qui crée (désert du Nevada) les cuvettes caractéristiques au dessus des épicentres des explosions. Dans un terrain alluvionnaire cet effondrement ne pose pas de problème particulier. Dans le cas des expériences françaises cet effondrement s'est réalisé dans 8,4 % des cas accompagné d'une fracturation qui pourrait avoir une effusion de tritium, de strontium et de césium radio-actifs dans les roches karstiques et dans l'eau de mer. Pour quatre autre tests (3%) on a trouvé du tritium dans la couche karstique, bien que les effluents n'aient pas atteint la surface.


Discussion :

Au delà de 10 kilotonnes...

... ( ne nous intéressent pas)

Moins d'une kilotonne :

On peut obtenir une totale atténuation d'explosions ayant au maximum cette puissance à condition d'opérer dans des cavités ayant un diamètre de :

25 mètres dans du sel

20 mètres dans une roche dure

Un grand nombre de telles cavités existent ou on été ménagées de par le monde dans de nombreux pays. Leur creusement ne posent pas de problèmes techniques insurmontables et ces travaux restent d'un coût très modéré par rapport au coût de développement du programme nucléaire lui-même.

Se pose alors le problème du confinement. Le meilleur résultat est obtenu avec le sel. Après, c'est selon. Quand il s'agit de roches dures de bons résultats en matière de confinement peuvent être obtenus si on a pris des précautions en choisissant le site, la nature des roches et opéré à une profondeur convenable. On peut aussi tester l'efficacité de la caverne en
faisant détoner une charge chimique avant de procéder à l'explosion nucléaire et ainsi faire des vérifications d'étanchéité. C'est ce qui a été fait lors du développement des techniques d'explosions nucléaires furtives dans le site du Nevada. Le site de ces explosions nucléaires souterraines devra être choisi de manière à minimiser les possibilités de détections par sismographe (une région à activité sismique relativement forte permettra de mieux cacher le signal dans le bruit de fond local).

Des explosions à forte atténuation (fully decoupled) correspondant à des charges inférieures à la kilotonne donneront des signaux correspondant à des magnitudes sismiques inférieures à 2,6 m b

Remarque : Une activité de foudroyage de galerie à Gardanne, à mille mètres de profondeur donne des signaux de magnitude 3. Donc, s'il y avait explosion nucléaire furtives leur signature sismique pourrait être assimilée à ce type
d'activité. En conclusion, pour l'ensemble des pays de l'hémisphère nord un événement d'une magnitude aussi faible passerait totalement inaperçu vis à vis du système international de surveillance (CTBT).


Charges supérieures à 10 kT

...ne nous intéresse pas

Dissimulation, tromperie, dénégation.

En procédant dans une région où existe une activité minière il sera possible d'imputer des signaux à une activité minière normale en donnant des justifications plausibles. Si on opère dans des cavités qui ont pu être utilisées pour le stockage souterrain, dans des mines de sel, toute l' infrastructure de surface permettra de camoufler naturellement les opérations. Si la cavité est remplie de liquide son pompage pourra passer inaperçu. Après un essai nucléaire souterrain furtif la faiblesse du signal émis pourra être imputée à une explosion liée à une exploration géophysique , à l'effondrement de cavités ou à la sismicité naturelle du lieu (voir Leith & Simpson, 1986).

De la même manière on pourra procéder à des explosions nucléaires souterraines furtives dans une mine située dans une roche dure en imputant les signaux à l'activité minière elle-même. La plupart des pays susceptibles
de participer à la prolifération de l'armement nucléaire sont connues pour avoir des activités minières de routine (excepté le Pakistan).

Des explosions liées à des activités minières correspondant à mille tonnes de TNT sont rares. Cependant, dans certaines régions les explosions correspondant à des fracturation de roches à grande profondeur peuvent donner des signaux dépassant la magnitude 5 de telle manière que ces signaux pourraient être confondus avec ceux d'explosions nucléaires atténuées de dix kilotonnes ou plus.

Il devient alors extrêmement problématique de faire la différence entre les signaux correspondant à une activité minière normale et qui atteignent couramment la magnitude 3 ou 4 et ceux d'une explosion nucléaire furtive, atténuée, correspondant à la magnitude 3.

Quand on opère dans du granit, pour les charges allant de 1 à 10 kT il a été montré que les magnitudes s'échelonnaient entre 2 et 3,5 , la valeur dépendant de l'environnement tectonique. Dans ces conditions ces événements peuvent être ou ne pas être détectés par le système de surveillance de l'hémisphère nord. Qui plus est, le signal obtenu peut ne pas être identifié (...)

Conclusion générale :

(...)

En dessous de 10 kilotonnes le signal sismique d'explosions nucléaires souterraines faites dans des cavités sphériques de diamètre adéquat se situerait entre la magnitude 3 et la magnitude 3,5 . Pour les charges tournant autour d'une kilotonne le signal aurait une magnitude 3.
..

Notre commentaire :

En suivant les conclusions de ce rapport il n'est donc pas nécessaire d' imaginer des techniques sophistiquées pour atténuer le signal de l' explosion souterraine d'une charge nucléaire équivalant à une kilotonne de TNT (les « petites » charges nucléaires à fission peuvent être utilisées comme source d 'énergie d'armes de type électromagnétique, intensivement développée actuellement). Il suffit que la charge explose dans une cavité sphéroïdale assez vaste. Dans une roche dure le diamètre doit être de 20 mètres et dans du sel de 25 mètres. Le creusement d'une telle cavité ne pose aucun problème technique particulier. La détente du gaz dégagé par l'explosion, un plasma à haute température, est alors suffisamment efficace pour réduire l' ébranlement que subit le matériau solide alentour, lorsqu'il est frappé par l'onde de choc et le signal sismique produit atteint seulement la magnitude 3, ce qui est totalement compatible, par exemple, avec une activité minière normale (foudroyage de galeries). En clair : en se fondant sur des données sismographiques disponibles il ne serait pas possible de faire la différence entre des expériences nucléaires souterraines furtives et une activité minière normale.

D'autres techniques d'atténuation peuvent être combinées. Dans la mesure où l'énergie primaire d'une arme électromagnétique serait celle d'une « petite bombe A », une part importante de cette énergie serait convertie en
énergie électromagnétique ce système serait « furtif par essence », l'énergie électromagnétique émise n'étant pas détectable à profondeur suffisante.

En conclusion, la France peut très bien avoir procédé à un nombre non évaluable d'expériences nucléaires souterraines se situant à une profondeur type de mille mètres, axées sur la mise au point d'armes électromagnétiques alimentées par des bombes A de faible puissance et que ceci ait pu passer pratiquement inaperçu.

Retour au menu: Les armes à antimatière

©1996-2009 GLORIA OLIVÆ