Les essais nucléaires auxquels ont procédé les grandes puissances, principalement dans les années 1950-1960, ont été à l'origine de rejets de matières radioactives dans l'environnement et ont causé à ce jour la plus importante dose collective d'irradiation non contrôlée. Cette contamination radioactive dure encore, bien qu'atténuée par le temps.

Au total, tout au long de la guerre froide et la course à l'arme atomique, 543 essais atmosphériques ont été effectués par les Etats-Unis et l'Union Soviétique et à un moindre degré par la France, le Royaume Uni et la Chine.

Les essais souterrains ne sont pas à l'origine d'expositions à distance des terrains de tir, du moins en l'absence de fuite ou de dispersion de radioactivité.

À la suite du traité signé en 1963 entre les Etats-Unis et l'Union Soviétique bannissant les essais atmosphériques, ces deux grandes puissances ont procédé à un ample programme d'essais souterrains jusqu'au début des années 1990. Les programmes d'essais souterrains de la France et de la Chine ont continué jusqu'en 1996. L'Inde a procédé à son premier essai souterrain en 1974, puis à cinq autres en 1998, auxquels le Pakistan répliqua quelques semaines plus tard en procédant à six tests.

Bien qu'il existe un consensus international pour interdire tous les types d'essais, le traité d'interdiction complète formulé en 1996, n'est pas encore entré en application. L'Inde, le Pakistan, mais aussi Israël, ne l'ont pas encore ratifié, si bien que l'on ne peut dire que la pratique des essais nucléaires a définitivement cessé. La crainte d'un éventuel programme nucléaire militaire en Irak, de la reprise de celui de la Corée du Nord, celle du recours à des armes sales par des groupes terroristes ont fait resurgir les menaces.

La puissance totale dégagée par les essais atmosphériques a été de 440 mégatonnes de TNT, celles des essais souterrains de 90 mégatonnes. Les années les plus actives furent 1954, 1958, 1961, et 1962. La plus puissante explosion est celle d'une bombe soviétique de 50 mégatonnes en 1961, dont 97 % dues à la fusion et 3 % à la fission. Les puissances des deux bombes qui ont détruit Hiroshima et Nagasaki étaient beaucoup plus petites : 15 et 21 kilotonnes.

Les rendements de la plupart des essais souterrains étaient bien inférieurs à celui des essais atmosphériques et il était généralement possible de contenir les débris.

Les Américains ont effectué leurs essais dans des atolls des Iles Marshall dans le Pacifique et les déserts du Nouveau-Mexique et du Nevada. Le tir le plus polluant - le tir Bravo - s'est produit en 1954 à Bikini. Les sites soviétiques se trouvent dans des zones désertiques du Kazakhstan et de la Nouvelle Zemble au nord du Cercle Polaire. Les Soviétiques ont également procédé à quelques essais malheureux à des fins de génie civil. La France a effectué la plupart de ses essais souterrains sur l'atoll de Muruora.

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