Lato 1939 r. Albert Einstein i Leo Szilárd podczas prac nad listem do prezydenta USA Franklina D. Roosevelta ostrzegającym o mozliwości zbudowania przez Niemcy bomby atomowej. Za stroną: http://www.atomicheritage.org/

Maciej Orzeszko

Pisząc ten artykuł mam poważny dylemat: czy trzymać się konwencji historycznej, czy też pisać go jako fizyk, którym jestem z wykształcenia. Postaram się jakoś pogodzić obie role tym bardziej, że historia amerykańskiego programu Manhattan, który doprowadził do skonstruowania pierwszych bomb jądrowych (atomowych), wymaga choćby prostego wyjaśnienia kwestii technicznych i naukowych.
 

Z wielkimi sukcesami jest tak, że zwykle mają one wielu „ojców” (lub matek). Nie inaczej było w tym przypadku. Na początku XX wieku odkrycia w dziedzinie fizyki jądrowej budziły ogromne zainteresowanie. W 1932 r. brytyjski naukowiec James Chadwick odkrył neutron, cząstkę elementarną wchodzącą w skład jąder atomowych, o masie zbliżonej do protonu, ale pozbawioną ładunku elektrycznego. Zainteresowanie badaczy w tamtym okresie wzbudzały próby bombardowania pierwiastków ciężkich neutronami. Jeszcze w 1934 r. przebywający w Wielkiej Brytanii węgierski fizyk Leó Szilárd zgłosił patent dotyczący reakcji łańcuchowej w pierwiastkach ciężkich wywołanej przez neutrony, która „…może dostarczyć ogromnej energii i tym samym posłużyć do zbudowania bomby”. Sam Szilárd próbował bezskutecznie dokonać tego przy użyciu berylu, jednak w planach miał także próby z torem i uranem, na co jednak nie starczyło mu pieniędzy.
 

Enrico Fermi (1901-54), włoski fizyk, w 1938 r. otrzymał Nagrodę Nobla, jako pierwszy dokonał rozszczepienia jąder uranu, w 1942 r. był twórcą pierwszego w historii reaktora atomowego CP-1. Na licencji Wikimedia Commons.

W 1936 r. włoski naukowiec-emigrant w Stanach Zjednoczonych, Enrico Fermi, badał wpływ bombardowania neutronami na najcięższy znany wówczas pierwiastek – radioaktywny uran, o liczbie atomowej 92 (ilość protonów w jądrze) i liczbie masowej najbardziej rozpowszechnionego izotopu 238 (ilość nukleonów – protonów i neutronów). Fermi liczył na to, że w wyniku tych prób uda się stworzyć sztucznie pierwiastki cięższe od uranu, tzw. transuranowce. Podczas tych badań stwierdził, że uran w wyniku tych prób staje się silnie promieniotwórczy, co uznał za sukces.

Jego doświadczenie powtórzyli w 1938 r. w Niemczech Otto Hahn i Fritz Strassmann. Jednak w toku badań okazało się, że obok nowych pierwiastków ciężkich w wyniku interakcji jąder uranu z neutronami powstają także jądra lekkie, jak np. bar o liczbie atomowej 56. W ten sposób niemieccy naukowcy jako pierwsi opisali w grudniu 1938 r. zjawisko rozszczepienia uranu (pękania atomu), które przeczyło dotychczasowej wiedzy o budowie materii. Ich doświadczenie szybko powtórzono w wielu miejscach na świecie, jako pierwsi zrobili to przebywający w Danii żydowscy uciekinierzy z Niemiec – Lise Meitner (dawniej bliska współpracownica Hahna) i jej siostrzeniec Otto Frisch, zatrudnieni w instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze. Meitner podała opis teoretyczny aktu rozszczepienia w oparciu o tzw. kroplowy model jądra atomowego sformułowany przez Bohra. Ich praca została opublikowana w lutym 1939 r. W styczniu Niels Bohr wyjechał do Stanów Zjednoczonych, gdzie zapoznał naukowców amerykańskich i z innych krajów z wynikami prac Hahna i Meitner. Niemal od razu po odczycie Bohra naukowcy w wielu miejscach na świecie przystąpili do doświadczeń z rozszczepianiem uranu.
 

Schemat procesu rozszczepienia jądra uranu-235 przez neutron. Na licencji Wikimedia Commons.

Istotnym odkryciem na tym etapie prac było, że akt rozszczepienia pojedynczego jądra uranu wyzwala dużą porcję energii – ok. 200 MeV (200 milionów eV, dla porównania podczas spalania węgla z jednego atomu uzyskuje się energię na poziomie 3-4 eV). Kolejne odkrycie było dziełem tzw. grupy paryskiej – w marcu 1939 r. Frédéric Joliot-Curie wraz z Hansem von Halbanem i Lwem Kowarskim stwierdzili doświadczalnie, że podczas jednego aktu rozszczepienia uwalniane jest statystycznie 3,5 swobodnego neutronu (w rzeczywistości później ustalono, że w przypadku uranu jest to 2-3 neutrony), które mogą wywołać kolejne akty tego typu. Zatem w sprzyjających warunkach można doprowadzić do samopowielającej reakcji łańcuchowej, przy której wyzwolona zostanie potężna energia, nieporównywalnie wyższa, niż w przypadku konwencjonalnych materiałów wybuchowych.

Grupa paryska miała na swoim koncie wiele sukcesów zarówno doświadczalnych, jak i teoretycznych. Jednym z nich było sformułowanie w 1939 r. pojęcia masy krytycznej – najmniejszej ilości materiału rozszczepialnego, w której może rozwijać się reakcja łańcuchowa. Termin ten w kolejnych latach stanie się b. popularny.

Innym odkryciem, komplikującym nieco wykorzystanie badanego zjawiska było zbadanie struktury izotopowej uranu. Zjawisko izotopii pierwiastków zostało odkryte w 1913 r. niezależnie przez Brytyjczyka Fredericka Soddy’ego i Polaka Kazimierza Fajansa. Polega ono na tym, że pierwiastek chemiczny może istnieć w wielu „wersjach”, posiadających taką samą ilość protonów w jądrze (liczba atomowa), lecz różną liczbę neutronów. Izotopy poszczególnych pierwiastków posiadają na ogół takie same właściwości chemiczne, różnią się jedynie niektórymi właściwościami fizycznymi (masa, temperatura wrzenia itd.). Jak się okazało, stanowiący ok. 99% zawartości w rudzie uranu izotop U-238 jest b. słabo rozszczepialny (właściwie uznano go wówczas za materiał nierozszczepialny). Największa ilość aktów rozszczepienia przypadała na izotop U-235 (92 protony i 143 neutrony w jądrze atomowym), który jednak stanowi jedynie ok. 0,72% zawartości (jak się później okazało, dobrym materiałem rozszczepialnym jest także izotop U-233 pozyskiwany sztucznie). Wyodrębnienie pożądanego izotopu z rudy, tzw. wzbogacanie uranu, jest niezwykle trudne, gdyż nie da się tego dokonać metodami chemicznymi, a jedynie mechanicznymi, wykorzystując subtelną różnicę mas.
 

Rekonstrukcja aparatury badawczej, której w 1938 r. użył Otto Hahn do uzyskania kontrolowanego rozszczepienia jąder uranu. Eksponat Deutsches Museum w Monachium. Na licencji Wikimedia Commons.

Dla zjawiska rozszczepienia jądra atomowego szybko dostrzeżono dwa możliwe zastosowania.

Istnieje możliwość zainicjowania reakcji łańcuchowej w uranie kopalnym o niskiej zawartości izotopu U-235 przy użyciu neutronów uwolnionych podczas aktu naturalnego rozpadu (promieniotwórczości). Aby taka reakcja przebiegała efektywnie, neutrony takie muszą jednak zostać spowolnione (moderowane), gdyż cząstki wolne (o niskich energiach) biorą znacznie częściej udział w aktach rozszczepienia. Rolę moderatora mogą spełniać jądra pierwiastków lekkich – wodoru, helu, litu lub berylu, dobrym moderatorem jest też węgiel (grafit). Taka moderowana (kontrolowana) reakcja łańcuchowa przebiega powoli i towarzyszy jej rozłożone w czasie wydzielanie energii. W ten sposób można zbudować reaktor atomowy (wówczas nazywany stosem atomowym), który jest z założenia doskonałym źródłem energii.

Drugą możliwością jest doprowadzenie do reakcji łańcuchowej przy pomocy neutronów szybkich (bez użycia moderatora) w czystym, rozszczepialnym uranie U-235 (lub wysoko wzbogaconym) poprzez szybkie zwiększenie jego koncentracji (przekroczenie masy krytycznej, czyli wprowadzenie układu w stan nadkrytyczny). Dochodzi wówczas do gwałtownej, niekontrolowanej reakcji, której towarzyszy wydzielenie ogromnej ilości energii – wybuchu atomowego. W ten sposób powstały założenia teoretyczne do budowy nowej, potężnej broni – bomby atomowej.
 

Fragment rudy uranowej (autunitu), wydobywanej we Francji. Na licencji Wikimedia Commons.

Początkowo naukowcy za najbardziej prawdopodobne uznawali zbudowanie reaktora atomowego. Natomiast możliwość stworzenia bomby atomowej w latach 30-tych, ze względu na trudność z wzbogacaniem uranu, uważano jedynie za teoretyczną.
 

Pod koniec lat 30-tych Europa zmierzała ku wojnie, ale w ówczesnym świecie nauki istniała obowiązująca od XIX w. zasada jawności badań. W okresie międzywojennym dotyczyła także naukowców z państw totalitarnych – Niemiec i w pewnym stopniu także z ZSRS. W przypadku badań z dziedziny fizyki jądrowej to należy dodać, że temat ten w tym czasie po prostu nie interesował ówczesnych polityków i wojskowych. Miało się to jednak zmienić w następnych latach.

W tym czasie wyniku wydarzeń w Europie, wielu naukowców z Niemiec oraz innych krajów, wyemigrowało do Stanów Zjednoczonych ze względu na prześladowania na tle rasowym (wielu z nich posiadało żydowskie pochodzenie) lub ze względów politycznych. Wśród nich znajdowały się tak wybitne postacie, jak Albert Einstein, Enrico Fermi, Leo Szilárd, Edward Teller, Hans Bethe, Eugene Wigner i inni. Jednak często powielanym mitem jest, że w wyniku tej emigracji Niemcy zostały całkowicie ogołocone z kadry naukowej. W III Rzeszy pozostało wielu wybitnych fizyków i chemików, jak choćby Werner Heisenberg, Otto Hahn i inni, którzy niejednokrotnie mieli na koncie znaczne sukcesy. Wielu z nich podjęło współpracę z reżimem, a niektórzy – choć po wojnie starali się to zatrzeć – byli gorliwymi stronnikami Hitlera.

W 1939 r. wśród emigrantów przebywających w Stanach Zjednoczonych pojawiła się uzasadniona obawa, że III Rzesza może jako pierwsza skonstruować bombę atomową, co mogło przyczynić się do jej wygranej w nadchodzącej wojnie. Uznano wówczas, że należy ostrzec o takiej ewentualności władze amerykańskie. Nie było to jednak łatwe. Mało kto z amerykańskich polityków czy wojskowych miał jakiekolwiek pojęcie o fizyce jądrowej, a emigranci na ogół nie mieli odpowiednich kontaktów, by dotrzeć do decydentów.

Pierwsze tego typu spotkanie odbyło się 18 marca 1939 r., prowadził je Enrico Fermi, a słuchaczami byli przedstawiciele dowództwa Marynarki Wojennej (US Navy). Fermi, który miał duże problemy z językiem angielskim i mieszał go z włoskimi słowami, próbował możliwie najprościej wytłumaczyć zagadnienia związane z izotopami, rozszczepieniem jądra uranu i możliwymi zastosowaniami tego zjawiska. Słuchacze najwyraźniej niewiele z tego zrozumieli, choć pomysł budowy reaktora atomowego, nie wymagającego powietrza źródła energii jako potencjalnie doskonałego napędu dla okrętów, w tym podwodnych, wyraźnie zainteresował marynarzy.

W lipcu 1939 r. Eugene Wigner i Leo Szilárd spotkali się z przebywającym w USA Albertem Einsteinem, namawiając go do przyłączenia się do starań mających na celu ostrzeżenie władz amerykańskich. Był to właściwy krok. Einstein, choć nie zajmował się tą dziedziną fizyki i znany był z pacyfistycznych przekonań, był wówczas znaną i rozpoznawalną postacią. Naukowcy znaleźli też kolejnego cennego sojusznika – był nim Alexander Sachs, biznesmen, finansista, a co najważniejsze – przyjaciel i nieformalny doradca prezydenta Franklina D. Roosevelta. Pod jego kuratelą Einstein napisał list do prezydenta, w którym w sposób możliwie przystępny opisał postęp prac i możliwe konsekwencje. Pisał m.in.:

„…uran w najbliższej przyszłości może stać się nowym, ważnym źródłem energii. Jak się wydaje, pewne aspekty zaistniałej sytuacji wymagają czujności, i jeśli się to okaże konieczne, szybkich działań ze strony rządu. Uważam za swój obowiązek zwrócić Pana uwagę na następujące fakty. (…). To nowe zjawisko może także doprowadzić do powstania bomb (…). Jedna bomba tego typu, przetransportowana statkiem i odpalona w porcie, całkowicie zniszczy port wraz z przylegającym do niego terytorium.”

Einstein i Szilárd ostrzegli także o postępach prac prowadzonych w Niemczech w Instytucie Cesarza Wilhelma pod nadzorem Carla von Weizsäckera, a także o tym, że Niemcy przejęli czeskie złoża uranu. List był gotowy 15 sierpnia, jednak w związku z atakiem III Rzeszy na Polskę 1 września, Sachs zdecydował się przełożyć wizytę u prezydenta na później, aby ten mógł poświęcić mu więcej czasu.

Alexander Sachs wręczył list Rooseveltowi na prywatnej audiencji 11 października 1939 r., na której obecni byli także sekretarz prezydenta, gen. Edwin „Pa” Watson i dwóch innych wojskowych ekspertów. Prezydent początkowo sceptycznie odniósł się do przedstawianego zagadnienia (miał stwierdzić: „to zbyt dziwnie brzmi dla polityka”). Sachs jednak nie dawał za wygraną przekonując, jak wielkim niebezpieczeństwem może być zbudowanie takiej broni przez Niemcy.
 

Lyman James Briggs (1874-1963), amerykański naukowiec, inżynier i administrator, dyrektor Narodowego Biura Standardów i od października 1939 r. szef Komitetu Doradczego ds. Uranu. Na licencji Wikimedia Commons.

Ostatecznie prezydent autoryzował utworzenie Komitetu Doradczego ds. Uranu, którego szefem został Lyman J. Briggs, dyrektor Biura Standardów. W jego skład weszło kilku ekspertów wojskowych oraz fizycy –  Szilárd, Wigner i Teller. Komitet po raz pierwszy zebrał się już 21 października. Kmdr. Hoover i inni wojskowi początkowo b. sceptycznie odnosili się do możliwości budowy bomby atomowej, byli jednak zwolennikami budowy eksperymentalnego reaktora atomowego pomysłu Fermiego i Szilárda, który miał udowodnić racje naukowców. Na ten cel wyasygnowano skromną kwotę 6000 dolarów, przeznaczoną na zakup uranu i grafitu, który miał być moderatorem. Amerykański program atomowy na tym etapie był jeszcze b. słabo zaawansowany i wywoływał niewielkie zainteresowanie w kołach politycznych. Niewielkie postępy spowodowały, że Einstein wysłał do Roosevelta dwa kolejne listy: 7 marca i 25 kwietnia 1940 r.

Tymczasem własny program w 1940 r. uruchomili Brytyjczycy, znajdujący się już w stanie wojny z III Rzeszą. Stało się to po tym, gdy w lutym tego roku pracujący na Uniwersytecie w Birmingham uciekinierzy z Niemiec, Otto Frisch i Rudolf Peierls, oszacowali masę krytyczną uranu-235 na ok. 10 kg (dotąd sądzono, że trzeba do tego kilku ton), opracowali metodę wzbogacania uranu (dyfuzja gazowa) oraz określili możliwe skutki wybuchu atomowego (w tym skażenia promieniotwórczego). Ich memorandum, przesłane władzom brytyjskim, udowadniało, że istnieje w praktyce możliwość budowy działającej bomby atomowej. Efektem było powołanie tzw. Komitetu MAUD (ang. Military Application of Uranuim Detonantion – Militarne Zastosowanie Eksplozji Uranu), w skład którego weszli m.in. Sir George Paget Thomson, Marcus Oliphant (promotor Frischa i Peierlsa), James Chadwick (odkrywca neutronu) i John Cockroft, który w najbliższych latach zajął się badaniami zarówno możliwości budowy bomby atomowej, jak i reaktora.
 

Pierwsza strona tajnego raportu brytyjskiego Komitetu MAUD z marca 1941 r. Na licencji Wikimedia Commons.

Brytyjczycy, podobnie jak fizycy w USA, byli zaniepokojeni postępem prac w Niemczech. Choć Stany Zjednoczone wciąż pozostawały neutralne, od połowy 1940 r. Brytyjczycy próbowali nawiązać współpracę z Amerykanami, przesyłając im m.in. tajne raporty Komitetu MAUD. Wynikało to z faktu, że Wlk. Brytania nie posiadała wystarczającego potencjału technicznego i przemysłowego, by doprowadzić program budowy bomby atomowej do końca. Początkowo próby te były hamowane przez amerykańską administrację, przełamanie nastąpiło w sierpniu 1941 r., gdy Marcus Oliphant przybył do Stanów Zjednoczonych i skontaktował się bezpośrednio z amerykańskimi naukowcami. Ostatecznie w październiku 1941 r. brytyjskie raporty dotarły do prezydenta Roosevelta i od tego momentu amerykańsko-brytyjska współpraca w dziedzinie broni jądrowej (ale także i innych rodzajów uzbrojenia i wyposażenia wojskowego, m.in. napędu odrzutowego, radarów czy broni rakietowej) stała się bardziej ścisła.
 

Tymczasem amerykański program atomowy przyspieszał b. powoli, co było spowodowane pewną inercją amerykańskiej administracji. Należy pamiętać, że do grudnia 1941 r. Stany Zjednoczone pozostawały państwem formalnie neutralnym (choć od końca 1940 r. coraz wyraźniej zacieśniały współpracę z Aliantami), a amerykańska opinia publiczna i część polityków była zwolennikami izolacjonizmu. Dopiero w połowie 1940 r. dało się zauważyć pewne ożywienie, było to spowodowane upadkiem Francji w czerwcu i rozpoczęciem Bitwy o Anglię w lipcu tego roku. W tym czasie b. obawiano się, że Wlk. Brytania zostanie zajęta przez Niemcy, co stanowiło zagrożenie dla amerykańskich interesów w Europie.

12 czerwca 1940 r. prezydent Roosevelt utworzył Narodowy Komitet ds. Badań nad Obronnością (National Defense Research Comitee – NDRC), na którego czele stanął Vannevar Bush, inżynier, wynalazca i jeden z pierwszych informatyków. NDRC miał bardzo szerokie uprawnienia i wchłonął m.in. dotychczasowy Komitet Doradczy ds. Uranu. We wrześniu 1940 r. na projekt wydzielono dodatkowe fundusze (40 tys. dolarów), co jednak nadal było kroplą w morzu potrzeb. 28 czerwca 1941 r. Bush utworzył jeszcze potężniejsze ciało – Biuro Badań Naukowych i Rozwoju (Office of Science Research and Developement – OSRD), które miało szeroki dostęp do wszystkich ośrodków naukowych i zakładów przemysłowych w Stanach Zjednoczonych. W tym czasie w ręce senatora Busha wpadł nieoficjalnie raport brytyjskiego Komitetu MAUD, co znacznie przyspieszyło prace Amerykanów.
 

Vannevar Bush (1890-74), amerykański inżynier i wynalazca, faktyczny kierownik amerykańskiego programu atomowego przed utworzeniem Projektu Manhattan. Na licencji Wikimedia Commons.

Jednym z głównych zagadnień, z jakimi musiano się zmierzyć, była kwestia wzbogacania uranu na potrzeby bomby atomowej. O ile Brytyjczycy opracowali schemat ideowy tego procesu, to jego wdrożenie wymagało budowy wielkich zakładów przemysłowych i wydzielenia na ten cel ogromnych środków. Część decydentów z ramienia Armii wręcz domagała się zaprzestania prac nad reaktorem atomowym i skupienia się nad zagadnieniem budowy broni.

Tymczasem przełom przyniosła jesień i zima 1940/41. W listopadzie brytyjscy uczeni Norman Feather i Egon Bretschner odkryli, że uran-238 bombardowany neutronami, po serii przemian tworzy nowy, ciężki pierwiastek o liczbie atomowej 94. W rzeczywistości pierwiastek ten po raz pierwszy zaobserwował w 1934 r. Enrico Fermi i nazwał hesperynem, ale nazwa ta nie przyjęła się. Fermi nie zdołał także wyizolować go  z innych produktów. W lutym 1941 r., nic nie wiedząc o działaniach Brytyjczyków, ich odkrycie powtórzyła grupa naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego pod kierownictwem Glenna Seaborga przy pomocy neutronów przyspieszanych w akceleratorze (cyklotronie). Pierwiastek ten otrzymał nazwę pluton. Jak się okazało, jego izotop Pu-239 jest jeszcze lepszym materiałem rozszczepialnym niż uran-235, gdyż jeden akt rozszczepienia jego jądra atomowego generuje 3-4 neutrony (statystycznie 3,5 wobec 2,5 w uranie). Tym samym masa krytyczna plutonu i jego ilość potrzebna do zbudowania bomby atomowej jest znacznie niższa (w przypadku metalicznego uranu U-235, otoczonego reflektorem berylowym, wynosi ona 15 kg, podczas gdy dla plutonu w tej samej konfiguracji – 4 kg). Co prawda, przy użyciu ówczesnych akceleratorów cząstek można było wytworzyć jedynie śladowe ilości plutonu (przez cały 1942 r. Amerykanie uzyskali jedynie ok. 0,5 mg jego soli). Szybko jednak wykazano, że pluton będzie można produkować w reaktorach atomowych, w których paliwo uranowe będzie przez cały czas poddawane działaniu neutronów. Z kolei późniejsze wyodrębnienie plutonu z wypalonego paliwa reaktorowego jest procesem o wiele prostszym, niż wzbogacanie uranu, gdyż pluton jest odrębnym pierwiastkiem i ma inne właściwości chemiczne niż uran. Tym samym kwestia budowy reaktora znów stała się priorytetowa, lecz teraz już nie jako źródła energii, ale urządzenia do produkcji materiału rozszczepialnego do bomby atomowej.
 

Krążek metalicznego plutonu. Na licencji Wikimedia Commons.

7 grudnia 1941 r. Japonia zaatakowała amerykańską bazę Pearl Harbor na Hawajach, a trzy dni później Stany Zjednoczone znalazły się w stanie wojny z Niemcami i Włochami. W momencie przystąpienia do II Wojny Światowej USA były do niej nieprzygotowane, dysponowały jednak ogromnym potencjałem przemysłowym, co skutkowało szybkimi inwestycjami w zbrojenia. Wydarzenia te przyczyniły się do znacznego przyspieszenia amerykańskiego programu atomowego. W grudniu 1941 r. w ramach OSRD powstał Komitet Wykonawczy S-1, który miał koordynować proces konstruowania bmby, na czele którego stanął James Conant, znany naukowiec, w jego skład weszło kilku wybitnych fizyków i chemików, np. Arthur H. Compton i Harold Urey.

Wśród naukowców trwała dyskusja nad dalszym kierunkiem prac: czy bomba ma zostać zbudowana z wzbogaconego uranu, czy też wytworzonego sztucznie plutonu. Obie opcje miały swoje wady i zalety. Użycie plutonu wydawało się bardziej kuszące ze względu na jego niższą masę krytyczną i potencjalnie łatwiejsze wytwarzanie, o ile uda się zbudować działający reaktor atomowy. Ale pod koniec 1941 r. żaden reaktor jeszcze nie istniał. Z kolei wzbogacanie uranu wymagało budowy odpowiedniego zaplecza przemysłowego. Conant podjął salomonową decyzję o pójściu w obu tych kierunkach jednocześnie: zadecydowano o rozwijaniu trzech metod separacji uranu-235 (dyfuzja gazowa i elektromagnetyczna, wirówki) oraz budowie dwóch rodzajów reaktorów (moderowanych grafitem i ciężką wodą), w których miał być wytwarzany pluton. W prace zostały zaangażowane najbardziej prężne ośrodki naukowe i badawcze w USA: uniwersytety w Berkeley (Kalifornia), Kolumbii, Waszyngtonie, Chicago, a także wielkie Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej. Cały program został objęty szczególnymi procedurami bezpieczeństwa i utajniony.

W styczniu 1942 r. Arthur H. Compton nakreślił harmonogram prac. Według niego do lipca 1942 r. miała zostać ostatecznie określona możliwość przeprowadzenia reakcji łańcuchowej (co wymagało prac teoretycznych i doświadczalnych). Pierwszą samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową w reaktorze zamierzano uzyskać w styczniu 1943 r., a rok później przewidywano wytworzenie pierwszej partii plutonu. Wyprodukowanie pierwszej bomby atomowej przewidziano na styczeń 1945 r. Wybiegając wprzód trzeba powiedzieć, że wszystkie punkty harmonogramu udało się zrealizować w terminie z wyjątkiem ostatniego – bombę uzyskano z półrocznym opóźnieniem.

W maju 1942 r. komitet S-1 przedłożył prezydentowi Rooseveltowi raport, w którym koszt całego programu oszacowano na ok. 100 milionów dolarów. 17 czerwca prezydent oficjalnie autoryzował program i wyasygnował na ten cel kwotę 85 milionów. Jednocześnie zdecydował, że od tej pory za jego realizację będzie odpowiadała Armia. Był to punkt zwrotny programu.
 

Gen. Leslie R. Groves (1896-1970), nadzorował budowę Pentagonu, a w latach 1942-45 był szefem Projektu Manhattan. Na licencji Wikimedia Commons.

11 sierpnia 1942 r. płk. James Marshall, dowódca Wojskowego Korpusu Inżynieryjnego (Army Corps of Engineers District), powołał w jego ramach specjalny wydział do prac nad rozszczepianiem jądrowym, któremu nadano kryptonim Wydział Inżynieryjny Manhattan (ang. Manhattan Engineer District – MED), a prowadzony program badań naukowych nazwano Projektem Manhattan (ang. Manhattan Project). MED wkrótce przejął cały program wraz z personelem od organizacji cywilnych. We wrześniu szefem całego programu został gen. Leslie R. Groves. Miał on niewielkie pojęcie o fizyce jądrowej, był natomiast znakomitym organizatorem, znanym m.in. z kierowania budową Pentagonu.

Kierownictwo programu naukowego Projektu Manhattan powierzono człowiekowi, który odtąd będzie się jednoznacznie kojarzyć z pierwszą bombą atomową. Był nim 38-letni wówczas J. Robert Oppenheimer, wybitny fizyk teoretyczny, profesor dwóch uniwersytetów (University of California i California Institute of Technology – Caltech). Oppenheimer uchodził za geniusza, stopień doktora uzyskał w wieku 23 lat w Niemczech, znał biegle kilka języków obcych i był dobrym organizatorem. Wkrótce pod jego kierownictwem znalazła się grupa ok. 100 wybitnych naukowców, w której było 26 obecnych lub przyszłych laureatów Nagrody Nobla z dziedziny fizyki bądź chemii. Do 1945 r. grupa ta miała się rozrosnąć kilkadziesiąt razy.
 

„Ojciec bomby atomowej” – J. Robert Oppenheimer (1904-67), amerykański fizyk, kierownik naukowy Projektu Manhattan w latach 1942-45. Na licencji Wikimedia Commons.

Jako lokalizację ośrodka badań nad bombą wybrano tajną lokalizację o roboczej nazwie „Miejsce Y” (Site Y) na płaskowyżu pośrodku pustyni w stanie Nowy Meksyk w rejonie miasteczka Los Alamos. Budowa ośrodka rozpoczęła się w listopadzie 1942 r., a już od marca następnego roku pracowali tam pierwsi naukowcy. Miejsce to było całkowicie izolowane i pilnowane przez oddziały żandarmerii i służb specjalnych, a samych pracowników poddano drastycznym procedurom bezpieczeństwa, w tym m.in. zachowania tajemnicy – o pracy nie wolno było rozmawiać nawet ze współmałżonkami (jak stwierdził jeden z naukowców, zgodnie z przepisami nie wolno mu było mówić nawet do samego siebie). Selekcja przyszłych uczestników programu odbywała się nie tylko na podstawie ich dorobku naukowego, ale też kartotek policyjnych, inwigilacji, podsłuchanych rozmów telefonicznych i przechwyconej korespondencji, co stanowiło złamanie ówczesnego prawa amerykańskiego. Kandydat otrzymywał następnie w praktyce „propozycję nie do odrzucenia” i znikał bez śladu ze swojej macierzystej uczelni, co często poważnie niepokoiło rodziny i znajomych. Kluczowy personel został objęty zakazem latania samolotami, co wobec oddalenia ośrodka od siedzib ludzkich i konieczności częstych podróży było dużą niedogodnością.

Los Alamos stało się wkrótce największym i najbardziej prężnym ośrodkiem naukowym w Stanach Zjednoczonych, a być może i w ówczesnym świecie. Oppenheimer dbał o poziom wiedzy swoich podwładnych – prowadzono liczne wykłady i seminaria, wymieniano się wynikami. Pracowników podzielono na kilka grup, które zajmowały się poszczególnymi zagadnieniami, jednocześnie ich wysiłki były w pełni koordynowane. Jak wspominali później uczestnicy Projektu Manhattan, bez takiej organizacji i koordynacji zbudowanie bomby jądrowej do 1945 r. nie byłoby możliwe.
 

Kwatery pracowników Projektu Manhattan w „Miejscu Y” w Los Alamos, 1945 r. Domena publiczna.

Jednak w 1942 r. za najpilniejszą kwestię uznano zbudowanie reaktora atomowego (nazywanego wówczas stosem atomowym). Zajęła się tym ekipa kierowana przez Enrico Fermiego na Uniwersytecie w Chicago w ramach tamtejszego Laboratorium Metalurgicznego (MetLab, w rzeczywistości była to nazwa kodowa, bo komórka nie zajmowała się metalurgią). Wraz z nim pracowało tam 51 osób, w tym kilkunastu noblistów. Od września 1941 r., gdy uzyskano pierwszą partię 8 ton uranu zamówione w Kanadzie, na kilku uniwersytetach przeprowadzono próby z tzw. stosami podkrytycznymi, w których m.in. badano czystość poszczególnych składników. Początkowo wśród naukowców funkcjonowało kilka koncepcji budowy reaktora, jednak dowodzący programem gen. Groves zażądał w październiku 1942 r. skupienia się nad najbardziej obiecującą. Arthur H. Compton podjął wówczas decyzję, że pierwsze eksperymentalne urządzenie o niewielkiej mocy będzie moderowane grafitem i chłodzone powietrzem, natomiast reaktory większej mocy będą chłodzone wodą.

16 listopada 1942 r. w pomieszczeniu pod trybunami kortów do squasha na Uniwersytecie w Chicago w najściślejszej tajemnicy, pracownicy MetLab rozpoczęli budowę reaktora, oznaczonego jako Pierwszy Stos Chicagowski (Chicago Pile No 1, CP-1). Co ciekawe, był on budowany w sposób dość chaotyczny i bez planów. Miał on kształt kulisty, jego rdzeń stanowiło 5625 kg metalicznego uranu i 36,3 t dwutlenku tego pierwiastka. Moderator stanowiło 350 t grafitu. Do pierwszego uruchomienia reaktora doszło 2 grudnia o godz. 15:25. Była to pierwsza na świecie kontrolowana reakcja łańcuchowa i zarazem potwierdzenie teorii o rozszczepieniu. Reakcja trwała jedynie 28 minut i przerwano ją ze względu na przegrzewanie się urządzenia.  Był to pierwszy wymierny i wielki sukces Programu Manhattan. Sam reaktor CP-1 był jeszcze kilkukrotnie włączany, po czym został przeniesiony w inne miejsce i zrekonstruowany jako zmodyfikowany CP-2.
 

Rysunek przedstawiający uruchomienie pierwszego na świecie reaktora atomowego CP-1 w podziemiach kortu do squasha należącego do Uniwersytetu w Chicago, 2 grudnia 1942 r. Domena publiczna.

Na przełomie 1942/43 w Stanach Zjednoczonych rozpoczęto budowę kilku kolejnych reaktorów, wciąż jednak jeszcze mających charakter badawczy – CP-3 (moderowany ciężką wodą) w Aragonne pod Chicago, LOPO w Los Alamos, R-305 w Hanford w stanie Waszyngton oraz X-10 (tzw. stos Clinton, moderowany grafitem i chłodzony powietrzem) w Oak Ridge w stanie Tennessee. Posłużyły one do badań różnych rozwiązań technicznych oraz znalezienia optymalnej metody wydobycia zużytego paliwa i pozyskania plutonu. Z reaktora X-10 pod koniec 1943 r. uzyskano pierwszą partię 1,54 mg plutonu. W sumie do 1945 r. wyprodukowano w nim 200 g tego pierwiastka, które w całości wykorzystano w pierwszej bombie atomowej.

W lutym 1943 r. w miejscowości Hanford w stanie Waszyngton, nad rzeką Columbia, rozpoczęto budowę ośrodka określanego jako „Miejsce W” (Site W). Do lutego 1945 r. powstały tam trzy reaktory produkcyjne oraz zakład chemicznej ekstrakcji plutonu z wypalonego paliwa reaktorowego. Na początku 1945 r. uzyskano produkcję rzędu 6 kg plutonu miesięcznie z każdego z reaktorów.
 

Obsługa ładuje paliwo uranowe do reaktora X-10 w Oak Ridge w stanie Tennessee, 1943 r. Na licencji Wikimedia Commons.

Równolegle z budową reaktorów atomowych i wytwarzania w nich plutonu kontynuowano program separacji uranu. W lutym 1943 r. rozpoczęto budowę zakładów wzbogacania uranu znanych jako „Miejsce X” (Site X) w Oak Ridge nad rzeką Clinton w stanie Tennessee. Zastosowano w nich dwie metody: separacji elektromagnetycznej oraz dyfuzji gazowej,  następnie także termodyfuzji. Zakłady te osiągnęły pełnię mocy produkcyjnej na początku 1945 r.

Ogółem w latach 1942-45 w ramach Programu Manhattan zatrudnione było ok. 200 tys. ludzi, w tym ok. 5700 naukowców. Z tej liczby jedynie kilkanaście osób obejmowało wiedzą cały program, a jedynie kilka wiedziało, że prowadzi on do zbudowania bomby atomowej.

Prace studyjne nad konstrukcją bomby – głównego celu Programu Manhattan – ruszyły od wiosny 1943 r., czyli od uruchomienia tajnego ośrodka w Los Alamos. Opracowano wówczas ogólne zasady, jak taka bomba powinna być zbudowana i jak ma działać. Rdzeniem bomby miał być ładunek materiału rozszczepialnego – wysokowzbogaconego uranu o zawartości co najmniej 60% izotopu U-235 lub wyprodukowanego w reaktorze plutonu Pu-239, przy czym bomba musiała zawierać go kilka razy więcej niż wynosiła masa krytyczna. W normalnych warunkach materiał ten musiał znajdować się w stanie podkrytycznym (np. rozdzielony na kilka części).

Kluczowym momentem detonacji miało być zestawienie rdzenia do stanu nadkrytycznego. Co jest szczególnie istotne, do tej chwili ładunek musi pozostawać wolny od neutronów. Jest to niezwykle trudne do realizacji, gdyż zarówno uran jak i pluton są pierwiastkami silnie radioaktywnymi i samoistnie emitują dużą ich ilość. Niesie to z sobą ryzyko tzw. predetonacji – przedwczesnego rozpoczęcia reakcji łańcuchowej, zanim ładunek osiągnie stan nadkrytyczny. Zostanie wówczas wydzielona pewna ilość energii, a materiał ulegnie rozproszeniu. Taki nieudany wybuch atomowy w nomenklaturze anglosaskiej nosi nazwę „skiśnięcia ładunku” (ang. fizzle). Zatem zestawienie układu nadkrytycznego musi się odbyć b. szybko, a sam ładunek musi zostać scalony w sposób trwały. Kolejnym elementem kluczowym jest dostarczenie do niego szybkich neutronów w momencie scalenia, aby wspomóc narastanie lawinowej reakcji łańcuchowej. Może się to odbywać na dwa sposoby: za pomocą specjalnego inicjatora neutronowego (niezależnego źródła neutronów), znajdującego się w pobliżu lub wewnątrz układu nadkrytycznego, oraz poprzez otoczenie ładunku specjalnym reflektorem, odbijającym „uciekające” neutrony z powrotem.
 

Kilka pierwotnych pomysłów na zestawienie materiału rozszczepialnego w układ nadkrytyczny. Rysunek pochodzi z konferencji w lipcu 1942 r. Na licencji Wikimedia Commons.

Rozwiązanie tych wszystkich zagadnień okazało się niebywale trudne tym bardziej, że zdecydowano się na jednoczesny rozwój zarówno bomby z ładunkiem uranu, jak i plutonu.

Pierwszym i najbardziej oczywistym układem, w jakim miała działać bomba atomowa, był tzw. zestaw artyleryjski (ang. Gun Assembly), znany też jako układ „pocisk-cel”. W wariancie tym materiał rozszczepialny miał być rozdzielony na dwie podkrytyczne części, rozmieszczone po przeciwnych końcach rury, przypominającej konstrukcją lufę działa. W celu detonacji bomby, jedna część materiału („pocisk”) miała zostać odpalona przy pomocy konwencjonalnego ładunku wybuchowego i „wstrzelona” w drugą („cel”). Układ taki wydawał się najprostszy w realizacji i niezawodny, ale też nie pozbawiony wad: przy uznanej za maksymalną możliwą do osiągnięcia prędkości „pocisku” rzędu 900 m/s czas łączenia ładunku w układ nadkrytyczny był relatywnie długi (1-2 milisekundy, 0,001-0,002 s). Mimo to w początkowym okresie prac w latach 1943-44 skupiono się właśnie na tym układzie w wersji „działa uranowego” (ang. Uranium Gun) i „działa plutonowego” (ang. Plutonium Gun). Za priorytetową uznano drugą wersję bomby ze względu m.in. na mniejszą masę krytyczną plutonu oraz większe tempo narastania reakcji łańcuchowej.

Pierwotne obliczenia z 1943 r. wykazały, co prawda, że masa kompletnej bomby tego typu będzie wynosiła 10-12 t, znacznie powyżej udźwigu ówczesnych samolotów, jednak intensywne prace w Los Alamos na przełomie 1943/44 doprowadziły do redukcji jej masy i gabarytów. Jeszcze jesienią 1943 r. powstały makiety pierwszej wersji takiej bomby i przeszły próby zrzutu z samolotów.
 

Schemat działania bomby w układzie „pocisk-cel” (ang. Gun Assembly). Domena publiczna.

Tymczasem w lecie 1944 r. nastąpił najpoważniejszy kryzys całego programu. W lipcu do Los Alamos trafiła pierwsza partia plutonu wyprodukowanego w zakładach w Clinton. Euforia naukowców szybko minęła po jego zbadaniu. Okazało się, że materiał napromieniowany w reaktorze jest zanieczyszczony izotopem Pu-240, nierozszczepialnym, za to silnie radioaktywnym i wydzielającym dużą ilość neutronów w wyniku samorzutnego rozpadu. Próba użycia takiego materiału w bombie typu „pocisk-cel” musiała skończyć się predetonacją („skiśnięciem”), której mogło towarzyszyć wydzielenie znacznie niższej energii od wymaganej. Problem ten wydawał się nierozwiązywalny – obu izotopów nie da się rozdzielić, a nawet obecność 1% domieszki Pu-240 wystarczy, by bomba nie działała. Nie było także możliwości takiej modyfikacji układu, by wyeliminować problem – nawet trzykrotne zwiększenie prędkości „pocisku” w lufie (co oznaczało granice ówczesnych możliwości technicznych) nic tu nie mogło pomóc. Jak wyliczono, prędkość „pocisku” musiałaby wynosić ok. 5 km/s, co było nierealne.

Pocieszające było natomiast, że nadal istniała możliwość zbudowania bomby atomowej w układzie „pocisk-cel” z uranu.
 

Niepowodzenie koncepcji zbudowania bomby atomowej w układzie „pocisk-cel” z plutonu spowodowało przyspieszenie prac nad taką bombą z uranu. Na zdjęciu: zakład K-25 wzbogacania uranu metodą dyfuzji gazowej w Oak Ridge. Na licencji Wikimedia Commons.

W tej sytuacji prace nad „działem plutonowym” zarzucono. Jak się okazało, J. Robert Oppenheimer przewidywał taką ewentualność i był na nią przygotowany. Na naradzie w Los Alamos z przedstawicielami wojska zdecydowano o całkowitej reorganizacji programu: większość sił miała zostać skierowana na opracowanie bomby plutonowej o innej konstrukcji, podczas gdy program „działa uranowego” miał być kontynuowany jako zabezpieczenie – miał on dać początek bombie Mk.1 Little Boy, zrzuconej 6 sierpnia 1945 r. na Hiroszimę. Tym samym w ramach Programu Manhattan miały odtąd być opracowane dwa kompletnie różne rodzaje bomb atomowych.
 

Docelowa, plutonowa bomba atomowa miała działać w tzw. układzie implozyjnym, którego projekt powstał jeszcze wiosną 1943 r., ale początkowo nie był brany pod uwagę. W układzie tym ładunek plutonu w stanie podkrytycznym miał postać wydrążonej kuli z pustą przestrzenią w środku. Przejście do stanu nadkrytycznego miało się odbywać poprzez jednoczesną detonację układu konwencjonalnych ładunków wybuchowych, rozmieszczonych na powierzchni kuli, co miało doprowadzić do jej „zgniecenia”. Zaletą takiej konstrukcji bomby był b. krótki czas przejścia ładunku w układ nadkrytyczny, trwający ok. 2-3 mikrosekund (0,000002-0,000003 s, ok. tysiąca razy krócej niż w przypadku układu „pocisk-cel”), co dawało pewność wywołania reakcji łańcuchowej. Układ implozyjny został wybrany dla bomby plutonowej, jednak można go było zastosować także w przypadku ładunku wzbogaconego uranu (i faktycznie stosuje się go w broni współczesnej). Wadą projektu było duże skomplikowanie techniczne bomby oraz fakt, że nawet prawidłowo „ściśnięty” pluton nie miał wystarczającej gęstości, toteż konieczne było zastosowanie inicjatora neutronowego.

Jak się okazało, najważniejszym wyzwaniem było opracowanie zapalnika – niezawodnego systemu detonacji ładunków konwencjonalnych i przejścia układu w stan nadkrytyczny. Był to poważny problem, gdyż ładunek materiału rozszczepialnego musiał zostać „ściśnięty” idealnie symetrycznie, co wymagało wytworzenia kulistej, trójwymiarowej fali uderzeniowej skierowanej do zewnątrz. Było to zagadnienie, którym dotąd nie zajmowała się nauka. Prace nad nim rozpoczął zespół, w którego skład wchodził brytyjski naukowiec James L. Tuck. Obliczeniami kierował John von Neumann, który swoich pracach wykorzystał po raz pierwszy w historii maszyny liczące firmy IBM. Były one jednak jeszcze b. niedoskonałe i ich wyniki musiały być sprawdzane ręcznie.
 

Schemat bomby atomowej typu implozyjnego. Domena publiczna.

Tuck zaproponował wykonanie specjalnej, kulistej soczewki z materiałów wybuchowych o różnych prędkościach spalania, które miały otaczać ładunek rozszczepialny. Ich detonacja miała doprowadzić do powstania ukształtowanej fali uderzeniowej. Prace nad tym układem zajęły ok. 12 miesięcy, w czasie których naukowcy musieli opracować od podstaw model teoretyczny zagadnienia i rozwiązać cały szereg do tej pory całkowicie nieznanych problemów. W tym czasie, metodą prób i błędów, odpalono ok. 20 tys. ładunków i opracowano technologię kształtowania ładunków wybuchowych. Twórcą elektrycznego systemu ich odpalania, znanego jako Unit X, był Donald Horing fizyk z Harvardu. Skala skomplikowania rozwiązanych wówczas zagadnień była zbliżona do napotkanych przy pozyskaniu materiału rozszczepialnego. Ostateczny kształt bomby powstał na przełomie lutego i marca 1945 r., przy czym detonator nie został do tego momentu wypróbowany w pełnej skali.

Warto dodać, że prace nad zapalnikiem bomby doprowadziły do ogromnego postępu w wiedzy o fizyce materiałów wybuchowych, co znalazło później zastosowanie także w cywilnej inżynierii (m.in. w górnictwie).

Zastosowanie tylu nowych rozwiązań w docelowej bombie implozyjnej spowodował, że na szczeblach rządowych Stanów Zjednoczonych wiosną 1945 r. zadecydowano o przeprowadzeniu pełnoskalowej próbnej detonacji pierwszego egzemplarza. Co ciekawe, w przypadku rozwijanej równolegle bomby uranowej w układzie „pocisk-cel” uznano, że choć jej projekt uznano za prymitywny, o gwarantuje on w 100% poprawne działanie i z prób zrezygnowano.
 

„Obudowywanie” rdzenia bomby Gadget soczewkami z materiałów wybuchowych. Domena publiczna. 

Wiosną 1945 r. w Los Alamos przystąpiono do montażu pierwszej w historii bomby jądrowej. Otrzymał on nazwę własną „Gadget” (ang. przyrząd, małe i proste urządzenie). Jej „sercem” i najważniejszą częścią był rdzeń, składający się z 6,2 kg metalicznego plutonu o wysokim stopniu czystości (99,1% zawartości izotopu Pu-239). Większość plutonu wyprodukowano w zakładzie w Hanford, jednak ok. 200 g prawdopodobnie pochodziło z eksperymentalnego reaktora X-10 w Oak Ridge. Stanowiło to równowartość ok. 6 mas krytycznych. Rdzeń uformowano w kształt kuli o średnicy ok. 9 cm, z wydrążeniem w środku. W wydrążeniu tym znajdował się berylowo-polonowy inicjator Urchin, stanowiący źródło neutronów. Jego zadaniem było wzmocnienie reakcji łańcuchowej w momencie kompresji układu do stanu nadkrytycznego.

Rdzeń bomby został otoczony trzydziestocentymetrową warstwą naturalnego (niewzbogaconego) uranu. Miała ona spełniać rolę reflektora i zarazem tzw. ubijaka – w momencie wejścia rdzenia w stan nadkrytyczny uran odbijał szybkie neutrony „uciekające” z układu i kierował je z powrotem. Jednocześnie duża bezwładność uranowego reflektora utrzymywała przez pewien czas układ w stanie zwartym, co wspomagało przebieg reakcji łańcuchowej. Naukowcy i konstruktorzy bomby sądzili, że naturalny uran jest nierozszczepialny przy użyciu neutronów prędkich, jak się jednak miało okazać w wytworzonej w momencie wybuchu temperaturze powyżej miliona stopni uranowa warstwa także brała udział w reakcji łańcuchowej, dokładając jej ok. 20% mocy.
 

Bomba atomowa Gadget po ukończeniu. Na licencji Wikimedia Commons.

Reflektor/ubijak był otoczony grubą na 11 cm warstwą aluminium, stanowiącą stabilizator chemiczny. Całość układu otaczał zapalnik bomby, czyli ważąca 2500 kg, gruba na 45 cm sferyczna warstwa ładunków wybuchowych oraz systemu ich zapalników, przewodów itd.

W sumie ładunek Gadget miał postać kuli o średnicy ok. 150 cm i masie 5 ton.

Link do kolejnej części artykułu:
http://www.tysol.pl/a9341-16-lipca-1945-r-%E2%80%93-proba-Trinity-Pierwsza-detonacja-bomby-atomowej-Czesc-2-wybuch-i-jego-konsekwencje