Recherche dans le domaine du nucléaire au temps de la guerre froide

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Des physiciens sont venus se joindre aux chimistes de Shirleys Bay en 1952 lorsque les LRCD ont commencé à participer à des travaux de recherche pour la défense dans le domaine du nucléaire. En avril 1952, l’URSS a choqué de nombreuses autres puissances en faisant exploser une bombe thermonucléaire, démontrant ainsi clairement ses compétences croissantes dans le domaine du nucléaire. La guerre froide battait son plein, et cet événement a eu des incidences immédiates sur la recherche effectuée aux LRCD.

Le CRD a décidé de consacrer davantage d’efforts à la recherche dans le domaine du nucléaire et a proposé que 50 % des activités de la Station expérimentale de Suffield et des LRCD soient orientées en ce sens.

En octobre 1952, des scientifiques canadiens ont participé au premier essai d’armes nucléaires du R.-U., appelé Opération Hurricane, au large de la côte australienne. Les Canadiens étaient présents pour aider l’organisme britannique Atomic Weapons Research Establishment (AWRE). Après la guerre, le nombre de scientifiques d’expérience à l’AWRE avait diminué, et comme les scientifiques canadiens avaient consacré beaucoup d’efforts à la recherche sur l’énergie nucléaire durant la guerre, le président du CRD, le Dr Solandt, a offert les services des scientifiques canadiens pour les activités de l’AWRE.

Le Dr J. A. Carruthers fut l’un des scientifiques canadiens détachés auprès de l’AWRE; il était responsable de la mesure des effets thermiques de l’arme nucléaire lors de l’Opération Hurricane. Il est revenu au Canada en 1953 et a mis sur pied le groupe de la physique des rayonnements aux LRCD.

À ce moment-là, les Alliés ont reconnu la nécessité de coordonner leurs activités de recherche en vue d’assurer la bonne conduite de la guerre nucléaire. Des programmes de recherche internationaux en collaboration ont été mis sur pied, et ont fini par donner lieu au Programme de coopération technique (PCT) auquel ont participé les États-Unis, le Canada, le R.-U. et l’Australie.

Les trois membres fondateurs de cet organisme coopératif (les États-Unis, le Canada et le R.-U.) ont discuté de la manière dont la recherche devrait être menée, et ont décidé que les LRCD du Canada effectueraient des travaux de recherche dans cinq domaines, soit les effets thermiques de la bombe nucléaire, les instruments de détection du rayonnement, la physique des rayonnements ionisants et les effets chimiques et biologiques des rayonnements ionisants.

Effets thermiques des armes nucléaires

En 1956-1957, les scientifiques canadiens ont également pris part aux essais britanniques d’armes atomiques en Australie. Des équipes de la station expérimentale de Suffield (devenue plus tard le CRD Suffield) ont pris des mesures de l’onde de choc à l’aide de la technique des roquettes fumigènes et ont tenté de mesurer le flux et le spectre de neutrons des armes d’après le rayonnement bêta émis. Une équipe des LRCD, dirigée par Carruthers, a effectué des mesures thermiques, y compris tous les rayonnements dans les parties du spectre suivantes : les UV, le visible et l’infrarouge.

À l’automne 1956, les LRCD ont envoyé une équipe ayant pour mission de faire des observations dans le cadre de l’Opération Buffalo, série de quatre essais d’explosion nucléaire effectués par les Britanniques à Maralinga en Australie-Méridionale. L’Opération Buffalo a été la première d’une série d’essais, et la construction des quartiers d’habitation et des installations expérimentales n’étaient pas encore terminée lorsque l’équipe de scientifiques est arrivée et a commencé ses travaux. Un historien britannique a décrit le type d’études entreprises dans le cadre de l’Opération Buffalo comme suit : « Les militaires [britanniques] ont construit un grand village de baraquements préfabriqués, et une armée de mannequins et d’animaux domestiques et d’animaux de ferme vivants ont été placés près du point zéro et exposés à l’explosion. Quelque 250 militaires des pays du Commonwealth, appelés la Force d’initiation, ont observé l’explosion de surface depuis une distance de quatre milles et demi, puis ont réalisé une inspection de deux heures pour déterminer les répercussions de l’explosion, munis de vêtements de protection et d’appareils respiratoires. »

Du point de vue des chercheurs canadiens, l’Opération Buffalo fut une réussite. Parr Tate raconte :

avaient été prévues par l’équipe des mesures thermiques des LRCD ont été réalisées avec succès. Le Dr Carruthers et Doug Pattman ont observé la forme du souffle de l’explosion avec des bolomètres haute vitesse spéciaux qu’ils avaient eux-mêmes élaborés. Le souffle de l’explosion a également été enregistré à une résolution temporelle plus faible par des radiamètres, et le flux thermique global par des calorimètres. Ces instruments avaient été fabriqués aux LRCD selon des normes de conception américaine par le Dr C. E. Dahlstrom, qui s’est également joint à l’équipe qui a fait des observations à Maralinga. Le spectre de sortie de lumière de chaque explosion d’arme a été enregistré par Glen Turner au moyen de cinéspectrographes haute vitesse spéciaux. Ces appareils de conception américaine avaient été spécialement conçus par une société canadienne en vertu d’un contrat avec les LRCD. »

En tout, les Canadiens ont observé sept explosions nucléaires pour l’AWRE. En 1959, les essais d’armes nucléaires ont été abandonnés graduellement. Des négociations complexes relatives à un traité international interdisant les essais nucléaires ont commencé et les premières négociations prolongées ont débuté dans la période de 1958 à 1963. Le R.-U. a effectué son dernier essai nucléaire dans l’atmosphère en 1958, ce qui a aussi entraîné la fin de la participation canadienne aux essais britanniques. Les États-Unis ont continué à réaliser des essais d’explosion dans les années 60, et des chercheurs canadiens ont été invités à assister à certains d’entre eux.

L’expertise acquise par les LRCD lors des essais de mesures thermiques a été mise à contribution pour de grands essais d’explosifs classiques (visant à simuler des explosions nucléaires) réalisés à la Station expérimentale de Suffield dans les années 60. Par exemple, Doug Pattman et Parr Tate ont observé que le souffle thermique imputable à l’explosion d’explosifs détonants comportait deux valeurs de crête, comme c’est le cas pour l’onde de choc d’une explosion nucléaire. C’était la première fois qu’on observait un tel comportement pour des explosifs classiques.

Instruments de détection du rayonnement

L’expression « Radiac » vient de l’anglais « Radiation Detection Indication and Computation », qui signifie détection, indication et calcul de la radioactivité. Dès les premiers travaux de recherche sur la radioactivité, il était clair que des améliorations devraient être apportées aux instruments de détection du rayonnement. On éprouvait quelques difficultés à l’époque à se procurer l’équipement adéquat auprès des sociétés d’électronique. Cela était probablement dû au manque d’expertise de l’industrie canadienne dans le domaine des rayonnements ionisants, et au fait que l’on n’avait pas imaginé que dans un milieu où le rayonnement est présent, l’air lui-même devient conducteur d’électricité et que pour cette raison, à moins que des précautions spéciales ne soient prises, les circuits de détection sensibles ne fonctionnent pas. En outre, la réponse des détecteurs est souvent très sensible aux matériaux qui les composent. L’élaboration d’instruments adéquats était encore plus frustrante parce que les sources de rayonnement qui auraient permis d’étalonner et de mesurer la réponse d’énergie n’existaient pas. Ces problèmes exigent un niveau technique que l’industrie canadienne ne possédait pas à l’époque.

Par conséquent, les LRCD ont dû se fier à leur propre expertise en matière d’instruments de mesure des rayonnements. Les LRCD ont embauché des scientifiques et des ingénieurs qui possédaient de l’expérience en matière de rayonnements ionisants, et ont équipé le laboratoire de différentes sources de rayonnement. Certains instruments élaborés ailleurs ont subi des modifications substantielles et ont fait l’objet d’essais afin de convenir à des usages militaires canadiens. Lorsqu’ils ne pouvaient pas trouver les instruments appropriés, les chercheurs des LRCD les élaboraient eux-mêmes. C’est ainsi que cinq nouveaux instruments ayant été acceptés pour le service ont vu le jour. Une fois que la menace d’une guerre nucléaire a été écartée, ce programme de développement s’est vu accorder une priorité beaucoup moins grande.

Physique des rayonnements

Ces travaux ont été entrepris sous la direction générale de Charlie Clifford et comportaient deux grands domaines d’intérêt : d’abord, le calcul et la mesure du blindage des humains exposés au rayonnement grâce à des structures et des matériaux particuliers; et ensuite la quantité et le type de rayonnement qui se dépose dans les organes du corps humain.

Les travaux portant sur le dépôt du rayonnement dans les organes utilisaient principalement des modèles physiques du corps humain (appelés « fantômes ») munis de détecteurs du rayonnement placés sur les zones sensibles au rayonnement. La moelle osseuse et le tube digestif sont les deux principales zones d’intérêt, puisque l’on sait que les dommages causés à ces tissus constituent la principale cause de décès rapide chez l’humain ayant reçu des doses importantes de rayonnement. Les travaux de ce type ont débuté dans les années 50 et se sont poursuivis dans les années 70. Les fantômes ont été améliorés pour mieux représenter le corps humain, et des détecteurs de sensibilité différente ont été mis au point (par le groupe de la chimie des rayonnements) en vue d’être utilisés dans ces fantômes.

Les travaux sur le blindage ont également fait l’objet de beaucoup d’attention. Une certaine partie de ces travaux de recherche sur le blindage mérite d’être mentionnée ici, car elle utilisait une technologie d’avant-garde dans les années 60 pour modéliser et calculer le transport du rayonnement dans l’air au-dessus du sol. Cette technologie était l’ordinateur. Parr Tate raconte :

« Au début des années 60, le transport du rayonnement dans l’air au-dessus du sol a été étudié à l’aide de l’ordinateur construit par le CRTD. À cette époque, il n’y avait pas de micro-ordinateurs et les ordinateurs dont nous disposions étaient entretenus par des centres industriels ou universitaires et ne se prêtaient habituellement pas à des opérations assistées par les scientifiques. Le débogage et le fonctionnement réussi d’un programme était souvent un processus long et pénible. Les programmes de transport du rayonnement du LRCBRD [Laboratoire de recherches chimiques, biologiques et radiologiques de la défense, qui est l’un des anciens noms du CRDO], étaient en langage machine. »

Parmi les projets entrepris par le LRCBRD, on compte notamment les projets suivants : calcul des modèles de transport du rayonnement à l’aide de programmes informatiques, suivi de la réalisation d’essais sur le terrain pour confirmer expérimentalement les calculs; détermination du blindage assuré par un véhicule blindé pour protéger ses occupants, dans le contexte d’une attaque nucléaire; transport du rayonnement dans des conduits ayant des coudes et calculs du rayonnement diffusé par des dalles constituées de différents matériaux.

Grâce aux travaux réalisés par le LRCBRD, le Canada s’est taillé une place enviable sur la scène internationale en raison de son expertise dans le domaine de la protection contre le rayonnement. D’abord Charlie Clifford, puis Frank Szabo ont été membres du comité sur la protection contre le rayonnement de l’Académie des sciences des États-Unis, ce qui représente un titre de prestige. Les travaux du LRCBRD sont aujourd’hui devenus des classiques qui sont inclus dans les manuels sur la protection contre le rayonnement.

Radiobiologie

Les premiers travaux réalisés en radiobiologie ont été réalisés par Paul Vittorio dans le Laboratoire de recherches pour la défense de Kingston (LRDK) et portaient sur l’étude des changements qui surviennent dans les organes ayant été exposés au rayonnement. Ces travaux ont été transférés aux LRCD lorsque le LRDK a fermé ses portes.

Les efforts faits en radiobiologie se sont éventuellement orientés vers la recherche d’agents de protection contre le rayonnement, c’est-à-dire vers des composés qui assurent une protection contre l’exposition subséquente au rayonnement lorsqu’ils sont injectés dans le corps. George Grant a dirigé beaucoup de ces travaux, souvent en collaboration avec des travaux semblables réalisés par d’autres pays,particulièrement au Walter Reed Army Institute of Research des États-Unis. Divers composés ont été mis à l’essai par injection dans des souris, que l’on a par la suite exposées au rayonnement en observant leur taux de survie. Jack Purdie a étudié les effets des agents de protection contre le rayonnement sur des cellules irradiées dans une culture de tissus. Certains des composés ont été synthétisés aux LRCD.

En dépit de ces efforts, on a finalement reconnu que les composés de protection contre les rayonnements ne pourraient jamais être aussi efficaces que ce que l’on cherchait vraiment à obtenir — on ne peut mettre qu’une certaine quantité de composé dans la moelle osseuse, et cette quantité n’était pas suffisante pour éviter toutes les lésions pouvant être induites par le rayonnement. La recherche au Canada et dans plusieurs autres pays a pris une autre direction, soit celle des études sur les vomissements dus à une exposition aux radiations. En général, après avoir reçu une dose de rayonnement, même non létale, un être humain vomit et si cela se produit durant l’accomplissement de tâches militaires, le militaire n’est plus apte à accomplir ses tâches. Même si la dose est létale, le décès n’est pas immédiat et il serait avantageux sur le plan militaire de faire en sorte que le soldat demeure fonctionnel le plus longtemps possible. Alan Cairnie a entrepris des recherches sur les causes des vomissements dus à une exposition au rayonnement et les moyens possibles de les éviter.

Le schéma expérimental de Cairnie est représentatif du type de qualités requises dans un laboratoire de recherche. Il a utilisé le rat comme modèle, même si les rats ne vomissent jamais. Des chercheurs avaient remarqué que les rats évitent de consommer des aliments qu’ils associent à des effets gastriques désagréables, semblables aux nausées. De cette manière, l’évitement de certains aliments pourrait indiquer à l’expérimentateur que le rat reconnaît que ces aliments provoquent chez lui des désordres gastriques. Et l’on pourrait alors mettre à l’essai certains médicaments pour voir s’ils atténuent ces effets. Les travaux de recherche dans ce domaine réalisés par le Canada et d’autres pays de l’OTAN au cours des années 80 ont facilité l’élaboration de médicaments antinauséeux maintenant utilisés par des patients qui suivent des traitements de radiothérapie.