Budowanie bomby atomowej

Einstein pisze list

W lipcu 1939 roku Szilard przekonał ekonomistę, Aleksandra Sachsa, o konieczności rozpoczęcia amerykańskich prac nad badaniem militarnych zastosowań procesu rozszczepienia celem przeciwdziałania niemieckim wynalazkom w tej dziedzinie. Szilard poprosił Einsteina o napisanie do prezydenta Roosevelta memoriału, przedstawiającego możliwości i niebezpieczeństwa wynikające z istoty reakcji rozszczepienia.

W przygotowaniu tekstu brali udział dwaj uciekinierzy z Węgier – Edward Teller i Eugene Wigner. List został napisany 2 sierpnia 1939 r. i razem z załączonymi, przygotowanymi przez Szilarda, danymi technicznymi został przez Sachsa przedstawiony Prezydentowi USA w dniu 11 października 1939 r. Roosevelt natychmiast utworzył Komitet do spraw Uranu ACU (Advisory Committee on Uranium) którego szefem został naukowiec, od wielu lat pracujący w administracji, Lyman J.Briggs.

Klikając tu można obejrzeć ostatnią stronę tego listu

Priorytety uzyskały - kierowane przez Fermiego - prace nad reakcją łańcuchową naturalnego uranu z moderatorem grafitowym oraz kierowane przez Vannevara Busha prace nad różnymi metodami separowania izotopu ²³⁵U (drogą dyfuzji w fazie gazowej, przez termiczne rozdzielanie w fazie ciekłej lub przez zastosowanie wirówek). W Berkeley w 1941 roku Glenn Seaborg odkrył nowy, 94. pierwiastek (pluton) i wraz z Emilio Segre'm badał jego własności, jako materiału rozszczepialnego. Wykorzystanie go, jako alternatywnego do ²³⁵U, było istotną opcją.

Glenn Theodore Seaborg (1912-1999)

Glenn Theodore Seaborg, (1912-1999), w 1937 roku doktoryzował się z chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim (w Berkeley), gdzie od 1945 r. był profesorem chemii. Od roku 1946 kierował badaniami chemicznymi w Laboratorium Promieniowania im. Lawrence'a (Lawrence Radiation Laboratory). Był członkiem Komitetu Doradczego w Komisji Energii Atomowej USA. Od 1958 r był rektorem Uniwersytetu Kalifornijskiego (w Berkeley), odszedł stamtąd w 1961, gdy prezydent USA J.F. Kennedy mianował go szefem Komisji Energii Atomowej USA. Był doradcą naukowym jedenastu prezydentów USA od F.D.Roosevelta do W.J.Clintona, stale domagał się zakazu próbnych wybuchów nuklearnych; był zwolennikiem rozbrojenia nuklearnego.

W latach 1942-1946 kierował w Manhattan Project pracami dotyczącymi plutonu. Był jednym z tych naukowców, którzy domagali się unaocznienia Japończykom potęgi nowej broni przez dokonanie eksplozji na bezludnej wyspie. Był współodkrywcą plutonu i wielu transuranów, aż do pierwiastka o liczbie atomowej Z=102.

Wyjaśnił także strukturę powłok elektronowych ciężkich pierwiastków – aktynowców. Za swoje badania został uhonorowany w 1951 r. Nagrodą Nobla z fizyki. Prace Seaborga, wprowadzające nowatorskie metody, były początkiem nowoczesnej chemii jądrowej.

Badania pod nadzorem Biura Badań Naukowych i Wdrożeń OSRD (Office of Scientific Research and Development)

W czerwcu 1941 roku V.Bush przekonał prezydenta USA, F.D. Roosevelta, o konieczności udziału naukowców w pracach dotyczących spraw obronnych, w tym rozwijaniu nowych broni. Powstała nowa agencja rządowa bezpośrednio podlegająca prezydentowi USA - Biuro Badań Naukowych i Wdrożeń, a Komitet do Spraw Uranu pozostawał pod kontrolą Biura jako sekcja o nowej nazwie S-1. Zalecono zaangażowanie przemysłów w produkcję instalacji pilotażowych i zwiększono polityczną kontrolę nad zespołami badawczymi.

W październiku 1941 roku Bush przedstawił prezydentowi USA F.D.Rooseveltowi oraz wice-prezydentowi Henry'emu A. Wallace'owi raport Komitetu MAUD, przedstawiający brytyjskie wnioski dotyczące możliwości budowy bomby. Raport wywarł na politykach wielkie wrażenie i prezydent Roosevelt upoważnił Busha do kierowania badaniami nad możliwością skonstruowania bomby oraz zbudowania jej, gdy to okaże się możliwe, bez względu na koszty. Konieczne środki finansowe pochodzić miały ze specjalnego funduszu prezydenta. Prace nad projektem zostały utajnione, a stosunki z Wielką Brytanią miały być odtąd precyzyjnie określone. To wydarzenie miało fundamentalne znaczenia dla stworzenia bomby.

Współpraca obu projektów - brytyjskiego i amerykańskiego - napotykała na utrudnienia, powodowane przez tę stronę, która w danym momencie uważała się za bardziej zaawansowaną w badaniach. W roku 1941 Brytyjczycy ograniczyli informowanie strony amerykańskiej, a w roku 1942 grupa brytyjska została wyłączona z amerykańskiego programu. Sytuację komplikował udział w brytyjskim programie naukowców z Francji oraz przepisy patentowe.

W styczniu 1943 roku współpraca została przerwana. Podjęto ją dopiero po zawarciu w Quebec (Kanada), 17 sierpnia 1943 r., trójstronnego porozumienia (Kanada, Wielka Brytania, USA). Zgodnie z tym porozumieniem, rząd brytyjski zastopował swój program, naukowcy z Wielkiej Brytanii dołączyli do zespołów amerykańskich, zagwarantowano swobodę wymiany informacji i wprowadzono “prawo weta” w sprawie użycia bomby.

Gdy w grudniu 1941 roku USA przystąpiły do wojny, program nuklearny nabrał nowego rozpędu, mając praktycznie nieograniczone finansowanie. Arthur Compton kierował reakcją łańcuchową do produkcji plutonu w reaktorach, Ernest Lawrence kierował elektromagnetyczną separacją izotopów ²³⁵U w przeznaczonych do tego celu cyklotronach, Harold Urey stosował wirówki oraz dyfuzję gazową do separacji izotopów. Wojskowym szefem projektu mianowany został – 17 września 1942 r. - generał Leslie Groves, a cały projekt, nazwany w skrócie MOT, miał najwyższe priorytety w otrzymywaniu surowców. Na budowę zakładów przeznaczonych do produkcji materiałów rozszczepialnych zakupiono obszar 230 km² w stanie Tennessee (Oak Ridge nad rzeką Clinch).

Ernest Orlando Lawrence (1901-1958)

Ernest Orlando Lawrence wstąpił w 1919 roku na stanowy Uniwersytet Południowej Dakoty (University of South Dakota), gdzie w 1922 roku uzyskał magisterium z chemii. W 1925 roku doktoryzował się na Uniwersytecie Yale (Yale University).

W 1928 roku mianowany profesorem nadzwyczajnym, w dwa lata później profesorem zwyczajnym na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego (w Berkeley). Od 1936 roku do śmierci był dyrektorem tamtejszego Laboratorium Promieniowania (Radiation Laboratory). Podczas II Wojny Światowej miał istotny wkład w tworzenie bomby atomowej, zajmował szereg ważnych stanowisk w Projekcie Manhattan. Po wojnie odegrał ważną rolę w próbach doprowadzenia do międzynarodowego porozumienia w sprawie wstrzymania próbnych eksplozji broni jądrowej.

W 1958 roku był uczestnikiem delegacji amerykańskiej na poświęconą tej sprawie Konferencję Genewską. Prace badawcze Lawrence’a dotyczyły fizyki jądrowej. W roku 1929 wynalazł cyklotron, w którym przyspieszane cząstki w zderzeniach z atomami różnych pierwiastków tworzyły nowe, nieznane dotąd pierwiastki. Odkryto setki nowych, promieniotwórczych izotopów znanych pierwiastków. We współpracy z bratem, Johnem, badali medyczne i biologiczne zastosowania cyklotronu. Lawrence budował coraz większe wersje cyklotronów. W roku 1941 jako pierwszy wytworzył w laboratorium znane z promieniowania kosmicznego mezony π, rozszerzając później badania na antycząstki. Uhonorowany w 1939 roku nagrodą Nobla z fizyki “za wynalezienie i rozwój cyklotronów i za wyniki otrzymane przy ich użyciu, a zwłaszcza za wytworzenie sztucznej promieniotwórczości”.

Po doświadczeniach z coraz bardziej wydajnymi zestawami z naturalnego uranu i grafitu Enrico Fermi był pewien uzyskania samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. 16 listopada 1942 roku rozpoczęto w Chicago budowę zestawu demonstracyjnego CP-1. W obliczeniach teoretycznych dla nowego zestawu brał udział Wigner. Cel osiągnięto rankiem 2 grudnia 1942 roku - potwierdzona została możliwość wykorzystania rozszczepienia uranu do otrzymywania energii i produkowania plutonu - materiału do bomb atomowych.

Następnie zestaw CP-1 zdemontowano, elementy składowe przeznaczone zostały do budowy nowego, większego zestawu CP-2 w lasach Argonne niedaleko Chicago, gdzie powstawały duże instalacje do przemysłowej produkcji plutonu.

Elektromagnetyczna separacja korzysta z praw ruchu przyspieszonych naładowanych obiektów w polu magnetycznym: jeżeli ładunki obiektów są jednakowe, cięższe jony są mniej odchylane, co wykorzystuje się przez odpowiednie umieszczenie kolektorów materiałów.

W Oak Ridge korzystano z dwóch urządzeń. Pierwsza instalacja o nazwie "Alfa" zwiększała zawartość ²³⁵U do 15 %, druga - "Beta" - do 90 %, co dawało już materiał przydatny do konstrukcji bomby. Liczba instalacji doszła do 1100, a dzienna produkcja wzbogaconego uranu osiągnęła w styczniu 1945 roku 204 gramy.

Separacja elektromagnetyczna

Wychodząc z praw elektrodynamiki możemy wykazać, że dla jonu o ładunku Q i masie M, przyspieszonego napięciem V w polu magnetycznym o indukcji B, promień okręgu, po którym porusza się jon wynosi

Po przejściu połowy okręgu (odchylenie o 180^o ) odstęp d pomiędzy pozycjami jonów na kolektorze wynosi

gdzie M_U jest masą atomową uranu, a masy M₂₃₈ i M₂₃₅ oznaczają masy izotopów uranu. Dla typowego promienia R >> 122 cm odstęp d wynosi tylko 1,5 cm

Metoda wykorzystuje fakt, że w gazie o określonej temperaturze molekuły lżejsze poruszają się szybciej, a molekuły cięższe wolniej. Związek uranu, w postaci sprężonego gazu, kierowany jest na porowatą przesłonę: molekuły z izotopem ²³⁵U mają większą szansę przeniknięcia przez otworki o średnicy ułamków mikrometra. Gaz, po przejściu przez przesłonę, słabo wzbogacony w poszukiwany izotop (3 części na 1000), jest ponownie sprężany i cały proces jest powtarzany aż do uzyskania odpowiedniego wzbogacenia. W 1945 roku porowate przesłony w Oak Ridge miały całkowitą łączną powierzchnię tysięcy metrów kwadratowych, a otrzymywany gaz, po wzbogaceniu do 10 % ²³⁵U, kierowany był do zestawu elektromagnetycznego separatora typu "Beta".

J. Robert Oppenheimer, dyrektor naukowy MOT (Manhattan Engineering District), zdecydował o przeniesieniu całego personelu naukowego i technicznego, niezbędnego do pracy nad ostatecznym konstruowaniem bomby, do nowego, tajnego laboratorium. Ośrodek powstał zimą 1942-1943 w Los Alamos na odosobnionym pustynnym płaskowyżu w stanie Nowy Meksyk. W marcu 1943 roku, pod szyldem Uniwersytetu Kalifornijskiego, rozpoczęto badanie możliwości zbudowania i zastosowania nowej "broni praktycznej". Z całych Stanów Zjednoczonych dostarczono liczne urządzenia badawcze, jak cyklotron (z Uniwersytetu Harvarda), dwa akceleratory typu Van de Graaf’a (ze stanu Wisconsin), akcelerator typu Cocrofta-Waltona (z Illinois). Ludność Los Alamos podwajała się co 9 miesięcy, osiągając w 1945 roku ponad 5 000 osób.

Oppenheimer, pomimo ograniczeń wprowadzonych przez wojskowych, starał się podtrzymywać styl pracy właściwy instytucjom naukowym, a pracę naukową uczynić pełną satysfakcji. Życie codzienne było tam zarazem i trudne i fascynujące, a możliwość kontaktu z wybitnymi mistrzami dawała niezwykłą szansę młodym fizykom.

Droga do otrzymania plutonu rozpoczyna się od pochłaniania przez ²³⁸U powolnych neutronów wytwarzanych w reaktorach. Po prototypowych zestawach CP-1 i CP-2 wielkie firmy przemysłowe zbudowały trzy duże reaktory w nowym, utajnionym centrum w Hanford (w stanie Washington) oraz reaktor w Oak Ridge (w stanie Tennessee).

Gdy tylko dostarczono pierwsze, gramowe ilości plutonu, zaczęto w Los Alamos badania własności fizycznych, chemicznych i metalurgicznych nowego materiału. Od wiosny 1945 roku dostępna ilość plutonu wystarczała do budowy trzech bomb.

Podczas gdy naukowcy mogli sobie pozwolić na rozwiązywanie wyzwań stale pojawiających się przy zgłębianiu nowych dziedzin fizyki jądrowej, amerykańskie Siły Powietrzne pracowały nad planem bombardowań, gdy tylko zapadnie decyzja o użyciu nowej broni przeciwko Japonii. Rozpoczęto również zastanawiać się nad cywilną oraz militarną przyszłością energii nuklearnej po wojnie.

Nowy prezydent USA, Harry S. Truman, powołał na początku maja 1945 roku Komitet Tymczasowy (Interim Committee), którego celem miało być decydowanie o użyciu broni oraz o planach na przyszłość. Wśród problemów rozważano alternatywę: albo międzynarodowa współpraca albo monopol amerykański.

Bomba uranowa z izotopem ²³⁵U (zawierająca niemal 3 masy krytyczne, czyli ok. 60 kg - łącznie ok. 180kg - materiału rozszczepialnego o wzbogaceniu ok. 86 %), nazwana “Little Boy” ("chłopiec"), została zmontowana w Los Alamos 3 lipca 1945 roku. Zapłon był oparty na technice wstrzeliwania, do którego służyło działo ważące 453 kg i mające długość 180 cm.

Cała konstrukcja o długości ok. 3 m, średnicy ok. 70 cm i wadze ok. 4000 kg była wystarczająco niewielka, aby można ją było umieścić w bombowcu B-29. Zespoły naukowe były całkowicie pewne wyników swojej pracy i nie uważano, aby wstępne przetestowanie bomby było konieczne.

Bomba zawierała plutonowy rdzeń o wadze ok. 6,1 kg oraz około 2300 kg silnego, konwencjonalnego materiału wybuchowego, niezbędnego do kompresji materiału rozszczepialnego przez implozję. Rdzeń, płaszcz uranowy i konwencjonalny materiał wybuchowy zostały zmontowane w metalowej kuli zbudowanej z dwunastu pięciokątnych sekcji. Cała konstrukcja była zamknięta w ochronnej obudowie w kształcie jajka o średnicy 150 cm. Całość ważyła 4900 kg i miała długość 365 cm.

Technika implozji była techniką nową, a wyniki wstępnego, częściowego wybuchu nie mogły dawać pełnej gwarancji działania bomby. Dlatego też, gdy tylko uzyskano odpowiednią ilość plutonu, przeprowadzono test pełnej bomby ("Projekt Trinity"). Stało się to 16 lipca 1944 roku, rankiem o godz 5:29, w Alamogordo, na pustyni w stanie Nowy Meksyk. Wydajność oceniono na 17 %, a siłę wybuchu na 22 kt. Próba pozwoliła sprawdzić pewne szczegóły techniczne, ale głównym celem było poznanie skutków wybuchu jądrowego.

Żaden ze świadków pierwszej eksplozji nuklearnej nie był przygotowany na to, co zobaczono: bezgłośny błysk, pojawienie się kuli ognia, ciche uderzenie ciepła i światła, fala uderzeniowa mknąca po pustyni i złowieszcza chmura rozpylonego materiału w kształcie grzyba.

Na początku 1945 roku zwycięstwo aliantów (“sprzymierzonych” - wojskowego porozumienia anty-niemieckiego i anty-japońskiego) w Europie i na Pacyfiku było już oczywiste. Środowisko ludzi nauki zaczęło rozważać społeczne i polityczne konsekwencje poznania energii jądrowej oraz skutki użycia jej jako broni.

W czerwcu 1945 roku James Frank sugerował zademonstrowanie Japonii ogromnej siły niszczącej bomby na terenach niezamieszkałych. Zespół naukowców (Compton, Fermi, Lawrence i Oppenhaimer) skierował raport do Komitetu Tymczasowego (Interim Committee) z informacjami o różnicach w opiniach uczonych, uznający jednak za konieczne bezpośrednie, wojskowe użycie broni jądrowej za wiedzą wszystkich sprzymierzonych. Raport zakładał przyszłą otwartą współpracę międzynarodową w celu rozwijania cywilnych zastosowań energii jądrowej.

Rankiem 6 sierpnia 1945 roku o godz. 8:15 bomba “Little Boy” została zrzucona na japońskie miasto Hiroszima. Wybuch o sile od 12 kt do 15 kt nastąpił 580 m nad miastem. Druga bomba, “Fat Man”, oceniona na ponad 22 kt, eksplodowała na wysokości 503 m nad Nagasaki 9 sierpnia 1945 roku o godz. 11:02. Oba miasta zostały zniszczone, zginęło ponad 100 000 ludzi, setki tysięcy zostało poszkodowanych. Japonia skapitulowała, co oznaczało zakończenie II Wojny Światowej na Pacyfiku. Ostateczna decyzja o zrzuceniu bomb miała dwa cele: militarny - uniknięcie dużej liczby amerykańskich ofiar inwazji na Japonię oraz polityczny - zakończenie wojny zanim Związek Radziecki rozszerzy swoje wpływy na Pacyfiku.

Przebieg i skutki wybuchu nuklearnego zależą nie tylko od energii, ale również od takich czynników, jak miejsce eksplozji – na powierzchni gruntu, pod ziemią, pod wodą, w atmosferze (tu ważna jest wysokość), warunki meteorologiczne, ukształtowanie i własności terenu. Zasadnicze cechy wybuchu pozostają stałe: rezultatem wytworzenia gigantycznej energii w bardzo krótkim czasie jest podgrzanie otoczenia do temperatury rzędu kilkudziesięciu milionów stopni i pojawienie się ogromnego ciśnienia rzędu milionów atmosfer. Duża część wypromieniowanej energii, to promieniowanie X, którego pochłanianie powoduje silne ogrzanie i świecenie dużych mas powietrza. Kula ognia unosi się w górę, rosną jej rozmiary a temperatura maleje. Po minucie blask ustaje, a chmura sięga 7 km.

W kuli ognistej materia znajduje się w postaci gazowej. Przy ochładzaniu, w wyniku kondensacji tworzy się obłok zestalonych drobin pozostałości materiału bomby oraz kropli wody z zassanego powietrza. Chmura zmienia kształt na toroidalny, poddawany gwałtownym prądom wewnętrznym. Chłodne powietrze jest wciągane do gorącego obłoku, wnosząc gruz i pył, którego część staje się promieniotwórcza. Po pewnym czasie rozpylony materiał zaczyna opadać pod wpływem grawitacji, tworząc opad promieniotwórczy.

Opad, zawierający materiał ulegający rozpadom promieniotwórczym nawet przez długi czas, jest odpowiedzialny za skażenie promieniotwórcze. Opad jest szczególnie istotny w przypadku wybuchu na powierzchni ziemi, gdy rozproszona jest duża masa materiału. Po testowym wybuchu 15 Mt na atolu Bikini (1 marca 1954 roku) opad promieniotwórczy spowodował znaczne skażenie powierzchni ponad 18 000 km². Liczne wybuchy testowe z lat 1950-ych wywołały rozproszenie opadu po całym świecie.

Tutaj pokazujemy zmiany dawki rocznej w wyniku testowych wybuchów bomb, czy awarii reaktora w Czarnobylu.

W ułamku sekundy po wybuchu nuklearnym tworzy się wysokie ciśnienie wypływające z kuli ognia. Generuje ono falę uderzeniową zachowującą się jak ściana sprężonego powietrza, przemieszczająca się szybciej niż dźwięk. Taka fala uderzeniowa powoduje ogromne zniszczenia. Silne chwilowe wiatry, związane z przejściem podmuchu osiągają prędkość do 3000 km/godz. Skutkiem łącznym fali uderzeniowej i wichury jest pojawienie się ciśnienia dynamicznego do 2 MPa, malejącego w funkcji czasu i odległości od centrum wybuchu.

Promieniowanie cieplne, emitowane podczas wybuchu jądrowego w atmosferze, unosi od 35% do 45% całkowitej energii i pojawia się w dwóch różnych formach. Najpierw następuje krótsza, intensywna emisja promieniowania ultrafioletowego, a potem emitowane jest światło widzialne i promieniowanie podczerwone. To ostatnie jest główną przyczyną oparzeń skóry i pożarów aż do odległości 19 km od punktu zero.

Reakcji rozszczepienia powodującej wybuch jądrowy towarzyszy natychmiastowa emisja ogromnej liczby neutronów i fotonów gamma. Dodatkowa emisja promieniowania alfa, beta i gamma powstaje w kuli ognia lub jest emitowana przez fragmenty rozszczepienia.

Podczas gdy promieniowanie alfa i beta zostają zaabsorbowane na przestrzeni do kilku metrów, strumienie neutronów i promieniowania gamma docierają na duże odległości, powodując szkodliwe skutki w organizmach żywych.

Promieniowanie jądrowe, choć unosi tylko około 3% całkowitej energii wybuchu, może powodować znaczną część całkowitej liczby ofiar wybuchu. Istotnie, ochrona przed neutronami lub promieniowaniem gamma nie jest łatwa. Przykładowo, w odległości 1,6 km od wybuchu równoważnego 1 Mt, promieniowanie jądrowe jest śmiertelne dla dużego odsetka ludzi osłoniętych warstwą 60 cm betonu.

Przy wybuchu na dużej wysokości promieniowanie jądrowe jonizuje składniki atmosfery. Pojawiająca się ogromna liczba elektronów i jonów dodatnich poważnie zakłóca sygnały radiowe czy radarowe, a swobodne elektrony w oddziaływaniu z ziemskim polem magnetycznym generują silne pola elektromagnetyczne zdolne do uszkodzenia aparatury elektronicznej zlokalizowanej na rozległym obszarze poniżej punktu eksplozji.

Ten impuls elektromagnetyczny ma bardzo szerokie widmo częstości – od bardzo niskiej do setek MHz, głównie w zakresie częstości radiowych. Po niezwykle szybkim osiągnięciu maksimum, natężenie pola elektrycznego maleje w czasie dziesięciu mikrosekund. W oparciu o to zjawisko powstała specjalna broń emitująca impuls elektromagnetyczny, który unicestwia systemy łączności wroga.

Czasy II Wojny Światowej były przełomem we wzajemnych relacjach świata nauki i świata władzy. Uczeni nie tylko odkryli i zbudowali nową broń, ale aktywnie ją promowali oraz uczestniczyli w decyzjach, gdzie i kiedy broń ma być użyta, stając się pełnoprawnymi partnerami w podejmowaniu decyzji politycznych.

Militarne i polityczne sukcesy broni jądrowej i przyszłe ekonomiczne skutki energii nuklearnej wszędzie przysporzyły środowiskom naukowym rozgłosu i władzy. Wielka Brytania, Francja i Związek Radziecki potrzebowały naukowców do budowy własnego potencjału nuklearnego.

W USA fizycy uzyskali duże dofinansowanie i byli w stanie zdobyć przewagę nad sferami wojskowymi w kontrolowaniu energii jądrowej. W USA podejmowanie decyzji w sprawach nuklearnych zostało przekazane Komisji Energii Atomowej i pozostaje pod cywilną kontrolą.