En juillet 1939, Szilárd convainquit l'économiste Alexander Sachs de la nécessité d'une forte initiative américaine dans les applications militaires de la fission, afin de contrecarrer les développements allemands. Szilárd demanda à Einstein d'écrire une lettre au président Roosevelt décrivant les dangers et les opportunités de la fission.

Avec la contribution d'Edward Teller et d'Eugene Wigner, la lettre fut préparée le 2 août 1939. Sachs présenta la lettre et un document technique de Szilárd à Roosevelt le 11 octobre 1939, et le Président créa immédiatement un Comité consultatif sur l'Uranium (ACU) sous la présidence du scientifique gouvernemental Lyman J. Briggs.

Image à droite : A. Einstein et L. Szilárd en août 1939. Ci-dessous : la lettre originale Einstein-Szilárd.

La priorité fut accordée aux efforts de Fermi à New York pour produire une réaction en chaîne avec de l'uranium naturel et un modérateur en graphite, ainsi qu'aux études dans plusieurs laboratoires de recherche sur la séparation de l'isotope ²³⁵U. À Berkeley, l'élément 94 (plutonium) fut découvert par Glenn Seaborg en février 1941 et ses propriétés de fission furent étudiées par lui-même et Emilio Segrè. Son utilisation comme alternative au ²³⁵U devint une option importante.

En juin 1941, Vannevar Bush convainquit Roosevelt de la nécessité de la participation des scientifiques aux activités de défense et au développement de nouvelles armes. L'Office of Scientific Research and Development (OSRD) est créé, rapportant directement au Président. L'ACU est placé sous le contrôle de l'OSRD sous le nouveau nom de « Section S-1 ». La participation de l'industrie à la production d'installations pilotes est recommandée et un contrôle politique plus strict de la recherche est mis en place.

Image ci-dessus : Les dirigeants scientifiques du projet S-1 : Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 mars 1940).

Le 9 octobre 1941, V. Bush présente le rapport MAUD, mis à disposition par les Britanniques, à Roosevelt et au vice-président Henry A. Wallace. Roosevelt donne à Bush pleine autorité pour examiner si une bombe pourrait être construite et à quel prix, le financement nécessaire étant fourni par une source présidentielle spéciale. Un statut de strict secret devait être maintenu et les détails de la collaboration avec le Royaume-Uni devaient être précisément définis. Cet événement fut d'une importance primordiale pour la fabrication effective de la bombe.

La collaboration connut ses difficultés, générées par la partie qui semblait être la plus avancée dans la recherche nucléaire à un moment donné. En 1941, les Britanniques limitèrent les informations transmises aux Américains ; en 1942, ils refusèrent d'inclure une équipe britannique dans leur programme. Les problèmes furent aggravés par la présence de scientifiques français dans le projet britannique et par la politique des brevets. En janvier 1943, la communication fut totalement coupée. La collaboration fut reprise avec l'accord trilatéral de Québec du 17 août 1943 entre le Canada, le Royaume-Uni et les États-Unis. Le Royaume-Uni arrêta son projet de bombe et ses scientifiques rejoignirent l'équipe américaine, un libre échange d'informations fut assuré et chaque partie dispose d'un droit de veto sur l'utilisation de la bombe.

Après l'entrée en guerre des États-Unis en décembre 1941, le programme nucléaire américain reçut les ressources les plus élevées, sans aucune limitation budgétaire.

Arthur Compton à Chicago était chargé d'atteindre la réaction en chaîne pour la production de plutonium, Ernest Lawrence à Berkeley de la séparation isotopique électromagnétique du ²³⁵U à l'aide de cyclotrons spécialement conçus. Harold Urey de la séparation isotopique par centrifugeuses et diffusion gazeuse.

Le général Leslie Groves est nommé en septembre 1942 chef militaire du projet, désormais appelé « Manhattan Engineering District » (MED), et attribue immédiatement la plus haute priorité à l'obtention des matériaux nécessaires et sélectionne une zone d'environ 230 km² dans le Tennessee (Oak Ridge) pour la construction des laboratoires dédiés à la production des matières fissiles.

Image à droite : Carte du complexe d'Oak Ridge construit pour la production de matières fissiles. En quelques mois, cette zone rurale vit la construction, en plus d'immenses laboratoires, d'une ville de 13 000 habitants et d'un réseau routier asphalté de 500 km. L'année suivante, la ville atteignit 42 000 habitants.

Les expériences d'Enrico Fermi avec des piles de meilleure qualité d'uranium naturel et de graphite lui donnèrent confiance dans la possibilité d'atteindre une réaction en chaîne auto-entretenue. Le 16 novembre 1942, il commença la construction d'une pile de démonstration (CP1) à Chicago, avec l'assistance de Wigner pour les calculs théoriques.

La première réaction en chaîne auto-entretenue fut atteinte le 2 décembre 1942, confirmant la possibilité d'utiliser la fission nucléaire pour produire de l'énergie et créant une source de plutonium pour la bombe.

CP1 est immédiatement démonté et les matériaux récupérés pour une pile plus grande, CP2, dans le nouveau laboratoire de la forêt d'Argonne près de Chicago.

Image à gauche : Les tribunes ouest du Stade Stagg de l'Université de Chicago sous lequel CP1 fut construit.

Deux méthodes de séparation de l'uranium furent poursuivies.

La méthode de séparation électromagnétique est basée sur le principe que les objets chargés subissent une déviation lorsqu'ils se déplacent dans un champ magnétique. Les ions plus lourds seront déviés dans une moindre mesure que les ions plus légers. Des collecteurs placés de manière appropriée peuvent profiter de cette séparation.

La méthode de diffusion est basée sur le fait que les molécules plus légères d'un gaz auront une vitesse moyenne plus élevée que les molécules plus lourdes. Un gaz comprimé d'un composé d'uranium est laissé à diffuser à travers une barrière poreuse : les molécules légèrement plus légères de ²³⁵U ont plus de chances de s'échapper par des trous (d'une fraction de micron de diamètre). Le gaz émergeant, légèrement enrichi avec l'isotope souhaité (3 parties pour 1000), est ensuite recomprimé et le processus est répété. Dans l'usine d'Oak Ridge en 1945, la superficie totale de la barrière de séparation atteignait des milliers de mètres carrés et produisait de l'uranium enrichi jusqu'à 10 %.

Image en haut à droite : Schéma du flux de gaz dans une cascade de diffusion.

Pour la conception réelle de la bombe, J. Robert Oppenheimer, directeur scientifique du MED, décida de rassembler tous les scientifiques et experts techniques nécessaires dans un nouveau laboratoire secret, qui fut construit à Los Alamos, un plateau isolé au Nouveau-Mexique, pendant l'hiver 1942-1943. En mars 1943, le laboratoire, sous la responsabilité de l'Université de Californie, commença les recherches fondamentales pour produire « une arme militaire pratique ». Plusieurs appareils de recherche furent transférés de différents endroits aux États-Unis : le cyclotron de Harvard, deux accélérateurs Van de Graaff du Wisconsin, un Cockcroft-Walton de l'Illinois, etc. La population de Los Alamos doubla tous les 9 mois pour atteindre plus de 5000 personnes en 1945.

Oppenheimer, nonobstant les contraintes militaires, réussit à maintenir le style d'une institution scientifique et à rendre le travail de recherche gratifiant. La vie y était dure mais exaltante et le contact avec des scientifiques expérimentés permit à de jeunes physiciens d'acquérir des compétences essentielles.

La voie vers le plutonium commence par laisser le ²³⁸U absorber un neutron dans un réacteur nucléaire fonctionnant avec des neutrons lents. Après les piles prototypes CP1 et CP2, des entreprises industrielles construisirent trois grands réacteurs dans un nouveau centre secret à Hanford (Washington) et un à Oak Ridge.

À Los Alamos, les recherches sur les propriétés chimiques, physiques et métallurgiques du nouveau matériau progressèrent dès que le plutonium fut livré – d'abord en quantité de grammes, puis à partir du printemps 1945, en quantités substantielles, suffisantes pour la production de trois bombes.

Le 3 juillet 1945 à Los Alamos, la bombe à ²³⁵U, appelée « Little Boy », fut achevée. Le matériau fissile était enrichi jusqu'à 86 % pour 3 masses critiques, chacune d'environ 60 kg. Sa détonation était basée sur la technique du canon, utilisant un canon de 180 cm de long pesant 453 kg.

Little Boy mesurait environ 3 m de long, avec un diamètre de 70 cm, suffisamment petit pour tenir dans la soute à bombes d'un bombardier B-29, et avait un poids total d'environ 4000 kg. Les scientifiques avaient une confiance totale en sa capacité de fonctionnement et aucun essai préliminaire ne fut jugé nécessaire.

La bombe au plutonium « Fat Man » avait un cœur en plutonium pesant environ 6,1 kg et nécessitait une détonation basée sur la technique d'implosion, afin d'éviter la prédétonation, utilisant environ 2300 kg d'explosifs. Le cœur, le tampon en uranium et les explosifs étaient maintenus en place par une sphère métallique constituée de douze sections pentagonales. L'arme avait des empennages stabilisateurs et une coque extérieure protectrice en forme d'œuf, de 150 cm de diamètre. « Fat Man » mesurait environ 365 cm de long et pesait environ 4900 kg.

Image : La bombe Fat Man en cours de préparation à Tinian dans les Mariannes pour être larguée sur Nagasaki.

La technique d'implosion était entièrement nouvelle et les essais partiels préliminaires ne donnaient pas une confiance absolue.

En conséquence, lorsque suffisamment de plutonium fut disponible, un essai final de la bombe complète fut effectué à Alamogordo, dans le désert du Nouveau-Mexique, sur un site appelé Trinity à la mi-juillet 1945.

L'efficacité de l'arme était de 17 % avec un rendement de 22 kt. L'essai permit également de vérifier plusieurs détails techniques, mais l'objectif principal était d'éprouver directement les effets d'une explosion nucléaire.

Aucun des témoins de la première explosion nucléaire n'était préparé à l'événement réel : depuis le flash initial et le premier globule de feu sans aucun bruit, depuis la chaleur silencieuse de l'impulsion lumineuse, comme des gifles dures simultanées sur les deux joues, jusqu'à l'onde de choc traversant le sol du désert, et au nuage de débris formant la sinistre forme de champignon.

Image à droite : Le globule de feu initial de la première explosion nucléaire jamais survenue sur Terre, le 16 juillet 1945.

L'évolution d'une explosion nucléaire et ses effets dépendent, outre son rendement, du type de détonation – aérienne, à haute altitude, en surface, sous-marine, souterraine – et des conditions météorologiques spécifiques et de la nature du terrain.

Cependant, les principaux phénomènes restent inchangés. La grande énergie produite dans le court laps de temps de l'explosion chauffe les matériaux à des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés et des pressions de millions de fois la pression atmosphérique sont atteintes. De grandes quantités d'énergie sont rayonnées principalement sous forme de rayons X, qui sont absorbés par l'air, conduisant à la formation d'une masse d'air extrêmement chaude et incandescente. Ce globule de feu croît en taille et monte, diminuant sa température. Après une minute, l'émission lumineuse cesse et le nuage s'est élevé à environ 7 km d'altitude.

La séquence de photos à gauche montre les 4 premières secondes de l'évolution du globule de feu de l'explosion lors du test Trinity.

Au début de 1945, il devint clair que les alliés gagnaient la guerre tant en Europe que dans le Pacifique. Plusieurs scientifiques commencèrent à discuter des implications sociales et politiques de l'énergie nucléaire et des conséquences de l'utilisation réelle de la bombe. En juin 1945, le rapport de James Frank suggérait d'avertir le Japon et de démontrer la puissance de la bombe dans une zone inhabitée, face à ses effets dévastateurs. Un Comité scientifique, composé de Compton, Fermi, Lawrence et Oppenheimer, fut créé pour conseiller le Comité Intérimaire et rapporta les points de vue des scientifiques.

Cependant, une utilisation militaire directe de l'arme fut jugée nécessaire, après consultation de tous les alliés, même si, pour l'avenir, une coopération internationale ouverte pour le développement de l'énergie nucléaire civile était envisagée.

Le matin du 6 août 1945 à 8 h 15, Little Boy fut largué sur Hiroshima et explosa à 580 m au-dessus de la ville, avec un rendement compris entre 12 kt et 15 kt. Le 9 août 1945 à 11 h 02, Fat Man explosa à 503 m au-dessus de Nagasaki ; son rendement était supérieur à 22 kt. Les deux villes furent détruites, avec plus de cent mille morts et cent mille blessés. Le Japon capitula et la Seconde Guerre mondiale prit fin. La décision finale de larguer la bombe était à la fois militairement motivée, afin d'éviter un lourd bilan de pertes lors de l'invasion du Japon, et politique, pour terminer la guerre avant que l'Union soviétique puisse s'étendre dans la zone Pacifique.

Image : Le colonel Paul W. Tibbets, Jr., sur son bombardier B-52 « Enola Gay » avant le décollage pour Hiroshima.

Après la guerre, les perspectives de l'énergie nucléaire civile et militaire commencèrent à être examinées. Le nouveau président américain Harry S. Truman créa un « Comité Intérimaire » pour décider de l'utilisation des armes et de la manière de façonner un programme nucléaire pour l'avenir. Parmi les décisions à prendre figurait le choix entre poursuivre la coopération internationale ou suivre une politique de monopole américain.

Mais la Seconde Guerre mondiale fut un tournant dans les relations entre scientifiques et gouvernements. Les scientifiques n'ont pas seulement inventé et construit de nouvelles armes, ils les ont activement promues et ont participé aux décisions concernant le moment et la manière de les utiliser, devenant ainsi des partenaires à part entière dans le processus d'élaboration des politiques.

Le succès militaire et politique de la bombe atomique et les perspectives économiques de l'énergie nucléaire donnèrent visibilité et pouvoir à la communauté scientifique partout. Le Royaume-Uni, la Russie et la France avaient besoin de scientifiques pour construire leurs propres arsenaux nucléaires. Aux États-Unis, les physiciens obtinrent un grand soutien financier et furent capables de gagner, malgré les souhaits de l'establishment militaire, la responsabilité du contrôle du développement de l'énergie nucléaire. Aux États-Unis, la politique de l'énergie nucléaire fut déléguée à la Commission de l'énergie atomique, un organe sous contrôle civil.