Τον Ιούλιο του 1939, ο Σίλαρντ έπεισε τον οικονομολόγο Αλέξανδρο Σακς για την ανάγκη ισχυρής αμερικανικής πρωτοβουλίας στις στρατιωτικές εφαρμογές της σχάσης, προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι γερμανικές εξελίξεις. Ο Σίλαρντ ζήτησε από τον Αϊνστάιν να γράψει επιστολή στον Πρόεδρο Ρούσβελτ, περιγράφοντας τους κινδύνους και τις δυνατότητες της σχάσης.

Με τη συμβολή του Έντουαρντ Τέλερ και του Γιουτζίν Βίγκνερ, η επιστολή ετοιμάστηκε στις 2 Αυγούστου 1939. Ο Σακς παρουσίασε την επιστολή και ένα τεχνικό έγγραφο του Σίλαρντ στον Ρούσβελτ στις 11 Οκτωβρίου 1939, και ο Πρόεδρος δημιούργησε αμέσως Συμβουλευτική Επιτροπή για το Ουράνιο (ACU) υπό την προεδρία του κυβερνητικού επιστήμονα Λάιμαν Τζ. Μπρίγκς.

Εικόνα δεξιά: Α. Αϊνστάιν και Λ. Σίλαρντ τον Αύγουστο του 1939. Κάτω: η πρωτότυπη επιστολή Αϊνστάιν-Σίλαρντ.

Προτεραιότητα δόθηκε στις προσπάθειες του Φέρμι στη Νέα Υόρκη για την παραγωγή αλυσιδωτής αντίδρασης με φυσικό ουράνιο και συντονιστή γραφίτη, μαζί με μελέτες σε αρκετά ερευνητικά εργαστήρια σχετικά με τον διαχωρισμό του ισοτόπου ²³⁵U. Στο Μπέρκλεϊ, το στοιχείο 94 (πλουτώνιο) ανακαλύφθηκε από τον Γκλεν Σίμπεργκ τον Φεβρουάριο του 1941 και οι ιδιότητες σχάσης του μελετήθηκαν από αυτόν και τον Εμίλιο Σεγκρέ. Η χρήση του ως εναλλακτικής λύσης στο ²³⁵U έγινε σημαντική επιλογή.

Τον Ιούνιο του 1941, ο Βάνεβαρ Μπους έπεισε τον Ρούσβελτ για την ανάγκη συμμετοχής επιστημόνων στις αμυντικές δραστηριότητες και στην ανάπτυξη νέων όπλων. Δημιουργήθηκε το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας και Ανάπτυξης (OSRD), που αναφέρεται απευθείας στον Πρόεδρο. Η ACU τίθεται υπό τον έλεγχο του OSRD με το νέο όνομα «Τμήμα S-1». Συνιστάται η συμμετοχή της βιομηχανίας στην παραγωγή πιλοτικών εγκαταστάσεων και εισάγεται αυστηρότερος πολιτικός έλεγχος της έρευνας.

Εικόνα πάνω: Οι επιστημονικοί ηγέτες του έργου S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Μπέρκλεϊ, 29 Μαρτίου 1940).

Στις 9 Οκτωβρίου 1941 ο Β. Μπους παρουσιάζει την έκθεση MAUD, που διατέθηκε από τους Βρετανούς, στον Ρούσβελτ και τον αντιπρόεδρο Χένρι Α. Γουάλας. Ο Ρούσβελτ δίνει στον Μπους πλήρη εξουσία να ερευνήσει εάν θα μπορούσε να κατασκευαστεί μια βόμβα και με ποιο κόστος, με την απαραίτητη χρηματοδότηση που παρέχεται από ειδική προεδρική πηγή. Έπρεπε να διατηρηθεί αυστηρό καθεστώς μυστικότητας και να καθοριστούν με ακρίβεια οι λεπτομέρειες της συνεργασίας με το ΗΒ. Αυτό το γεγονός ήταν πρωταρχικής σημασίας για την πραγματική κατασκευή της βόμβας.

Η συνεργασία είχε τις δυσκολίες της, που δημιουργούνταν από το μέρος που φαινόταν πιο προηγμένο στην πυρηνική έρευνα κάθε φορά. Το 1941 οι Βρετανοί περιόρισαν τις πληροφορίες προς τους Αμερικανούς, το 1942 αρνήθηκαν να συμπεριλάβουν βρετανική ομάδα στο πρόγραμμά τους. Τα προβλήματα επιδεινώθηκαν από την παρουσία Γάλλων επιστημόνων στο βρετανικό έργο και από την πολιτική διπλωμάτων. Τον Ιανουάριο του 1943 η επικοινωνία διακόπηκε εντελώς. Η συνεργασία επαναλήφθηκε με την τριμερή συμφωνία του Κεμπέκ της 17ης Αυγούστου 1943 μεταξύ Καναδά, ΗΒ και ΗΠΑ. Το ΗΒ σταμάτησε το έργο της βόμβας του και οι επιστήμονές του εντάχθηκαν στην αμερικανική ομάδα, εξασφαλίστηκε ελεύθερη ανταλλαγή πληροφοριών και κάθε μέρος έχει δικαίωμα αρνησικυρίας στη χρήση της βόμβας.

Αφού οι ΗΠΑ εισήλθαν στον πόλεμο τον Δεκέμβριο του 1941, το αμερικανικό πυρηνικό πρόγραμμα έλαβε πόρους υψηλότατου επιπέδου, χωρίς κανένα δημοσιονομικό περιορισμό.

Ο Άρθουρ Κόμπτον στο Σικάγο ήταν υπεύθυνος για την επίτευξη της αλυσιδωτής αντίδρασης για την παραγωγή πλουτωνίου, ο Έρνεστ Λόρενς στο Μπέρκλεϊ για τον ηλεκτρομαγνητικό ισοτοπικό διαχωρισμό του ²³⁵U με ειδικά σχεδιασμένα κυκλοτρόνια. Ο Χάρολντ Γιούρι για τον ισοτοπικό διαχωρισμό με φυγοκέντρους και αέρια διάχυση.

Ο Στρατηγός Λέσλι Γκρόουβς διορίζεται τον Σεπτέμβριο του 1942 στρατιωτικός επικεφαλής του έργου, που πλέον ονομάζεται «Μηχανική Περιφέρεια Μανχάταν» (MED), και αμέσως δίνει υψηλότατη προτεραιότητα στην εξασφάλιση των αναγκαίων υλικών και επιλέγει μια περιοχή περίπου 230 τετραγωνικών χιλιομέτρων στο Τενεσί (Oak Ridge) για την κατασκευή των εργαστηρίων αφιερωμένων στην παραγωγή των σχαστικών υλικών.

Εικόνα δεξιά: Χάρτης του συγκροτήματος του Οακ Ριτζ που κατασκευάστηκε για την παραγωγή σχαστικών υλικών. Μέσα σε λίγους μήνες, αυτή η αγροτική περιοχή είδε την κατασκευή, εκτός από τεράστια εργαστήρια, μιας πόλης με πληθυσμό 13.000 κατοίκων και δικτύου ασφαλτοστρωμένων δρόμων 500 χλμ. Κατά το επόμενο έτος, η πόλη έφτασε τους 42.000 κατοίκους.

Τα πειράματα του Ενρίκο Φέρμι με σωρούς υψηλότερης ποιότητας από φυσικό ουράνιο και γραφίτη τον έδωσαν εμπιστοσύνη για την επίτευξη αυτοτροφοδοτούμενης αλυσιδωτής αντίδρασης. Στις 16 Νοεμβρίου 1942 άρχισε την κατασκευή ενός επιδεικτικού σωρού (CP1) στο Σικάγο, με τη βοήθεια του Βίγκνερ για θεωρητικούς υπολογισμούς.

Η πρώτη αυτοτροφοδοτούμενη αλυσιδωτή αντίδραση επιτεύχθηκε στις 2 Δεκεμβρίου 1942, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα χρήσης της πυρηνικής σχάσης για παραγωγή ενέργειας και δημιουργώντας πηγή πλουτωνίου για τη βόμβα.

Το CP1 αποσυναρμολογείται αμέσως και τα υλικά ανακτώνται για έναν μεγαλύτερο σωρό, το CP2, στο νέο εργαστήριο στο δάσος Argonne κοντά στο Σικάγο.

Εικόνα αριστερά: Οι δυτικές κερκίδες του Σταδίου Στα γκ του Πανεπιστημίου του Σικάγο κάτω από τις οποίες κατασκευάστηκε το CP1.

Ακολουθήθηκαν δύο μέθοδοι διαχωρισμού ουρανίου.

Η μέθοδος ηλεκτρομαγνητικού διαχωρισμού βασίζεται στην αρχή ότι φορτισμένα αντικείμενα αποκλίνουν όταν κινούνται σε μαγνητικό πεδίο. Τα βαρύτερα ιόντα θα αποκλίνουν λιγότερο από τα ελαφρύτερα ιόντα. Κατάλληλα τοποθετημένοι συλλέκτες μπορούν να εκμεταλλευτούν αυτόν τον διαχωρισμό.

Η μέθοδος διάχυσης βασίζεται στο γεγονός ότι τα ελαφρύτερα μόρια ενός αερίου θα έχουν υψηλότερη μέση ταχύτητα από τα βαρύτερα μόρια. Ένα συμπιεσμένο αέριο ουρανιακής ένωσης αφήνεται να διαχυθεί μέσω πορώδους φράγματος: τα ελαφρώς ελαφρύτερα μόρια ²³⁵U έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να διαφύγουν μέσα από τρύπες (κλάσμα μικρού στο διάμετρο). Στη συνέχεια το εκπεμπόμενο αέριο, ελαφρά εμπλουτισμένο με το επιθυμητό ισότοπο (3 μέρη ανά 1000), επανασυμπιέζεται και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Στην εγκατάσταση του Οακ Ριτζ το 1945, η συνολική επιφάνεια του φράγματος διαχωρισμού έφτασε χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα και παρήγαγε ουράνιο εμπλουτισμένο έως 10%.

Εικόνα πάνω δεξιά: Σχηματικό διάγραμμα της ροής αερίου σε καταρράκτη διάχυσης.

Για τον πραγματικό σχεδιασμό της βόμβας, ο Τζ. Ρόμπερτ Οπενχάιμερ, επιστημονικός διευθυντής της MED, αποφάσισε να συγκεντρώσει όλους τους αναγκαίους επιστήμονες και τεχνικούς εμπειρογνώμονες σε ένα νέο μυστικό εργαστήριο, που κατασκευάστηκε στα Λος Άλαμος, ένα απομακρυσμένο οροπέδιο στο Νέο Μεξικό, κατά τον χειμώνα 1942-1943. Τον Μάρτιο του 1943 το εργαστήριο, υπό την ευθύνη του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, άρχισε βασική έρευνα για την παραγωγή «ενός πρακτικού στρατιωτικού όπλου». Αρκετές ερευνητικές συσκευές μεταφέρθηκαν από διάφορα σημεία των ΗΠΑ: το κυκλοτρόνιο του Χάρβαρντ, δύο επιταχυντές Van de Graaff από το Γουισκόνσιν, ένας Cockcroft-Walton από το Ιλινόι κ.λπ. Ο πληθυσμός των Λος Άλαμος διπλασιάστηκε κάθε 9 μήνες για να φτάσει πάνω από 5000 το 1945.

Ο Οπενχάιμερ, παρά τους στρατιωτικούς περιορισμούς, κατάφερε να διατηρήσει το ύφος επιστημονικού ιδρύματος και να κάνει τη διεξαγωγή έρευνας ικανοποιητική. Η ζωή εκεί ήταν σκληρή αλλά συναρπαστική και η επαφή με έμπειρους επιστήμονες επέτρεψε σε νέους φυσικούς να αποκτήσουν βασικές δεξιότητες.

Ο δρόμος προς το πλουτώνιο αρχίζει από το να αφεθεί το ²³⁸U να απορροφήσει ένα νετρόνιο σε πυρηνικό αντιδραστήρα που λειτουργεί με αργά νετρόνια. Μετά τους σωρούς πρωτοτύπου CP1 και CP2, βιομηχανικές εταιρείες κατασκεύασαν τρεις μεγάλους αντιδραστήρες σε νέο μυστικό κέντρο στο Χάνφορντ (Ουάσιγκτον) και έναν στο Οακ Ριτζ.

Στα Λος Άλαμος, η έρευνα για τις χημικές, φυσικές και μεταλλουργικές ιδιότητες του νέου υλικού προχώρησε μόλις παραδόθηκε πλουτώνιο – αρχικά σε ποσότητα γραμμαρίων και, από την άνοιξη του 1945, σε ουσιαστικές ποσότητες, αρκετές για την παραγωγή τριών βομβών.

Στις 3 Ιουλίου 1945 στα Λος Άλαμος η βόμβα ²³⁵U, που ονομάστηκε «Little Boy», ολοκληρώθηκε. Το σχαστικό υλικό ήταν εμπλουτισμένο έως 86% για 3 κρίσιμες μάζες, η καθεμία περίπου 60 kg. Η ανατίναξή της βασίστηκε στην τεχνική του κανονιού, χρησιμοποιώντας κανόνι μήκους 180 cm και βάρους 453 kg.

Το Little Boy ήταν περίπου 3 m μακρύ, με διάμετρο 70 cm, αρκετά μικρό ώστε να χωράει στη θέση βόμβας βομβαρδιστικού B-29, και είχε συνολικό βάρος περίπου 4000 kg. Οι επιστήμονες είχαν πλήρη εμπιστοσύνη στην ικανότητα λειτουργίας του και δεν θεωρήθηκε απαραίτητη καμία προκαταρκτική δοκιμή.

Η βόμβα πλουτωνίου «Fat Man» είχε πυρήνα πλουτωνίου βάρους περίπου 6,1 kg και απαιτούσε ανατίναξη βασισμένη στην τεχνική έκρηξης από ένθετα εκρηκτικά, προκειμένου να αποφευχθεί η πρόωρη ανατίναξη, χρησιμοποιώντας περίπου 2300 kg εκρηκτικών. Ο πυρήνας, το ουρανιακό στεφάνι και τα εκρηκτικά συγκρατούνταν σε ατμόσφαιρα από μεταλλική σφαίρα αποτελούμενη από δώδεκα πενταγωνικές ενότητες. Το όπλο είχε σταθεροποιητικά πτερύγια και ένα προστατευτικό εξωτερικό κέλυφος σε σχήμα αυγού, 150 cm σε διάμετρο. Το «Fat Man» ήταν περίπου 365 cm μακρύ και ζύγιζε περίπου 4900 kg.

Εικόνα: Η βόμβα Fat Man ετοιμάζεται στο Τίνιαν στις Μαριάνες για παράδοση στη Ναγκασάκι.

Η τεχνική έκρηξης από ένθετα εκρηκτικά ήταν εντελώς νέα και οι προκαταρκτικές μερικές δοκιμές δεν έδιναν πλήρη εμπιστοσύνη.

Ως εκ τούτου, μόλις ήταν διαθέσιμο αρκετό πλουτώνιο, πραγματοποιήθηκε τελική δοκιμή της πλήρους βόμβας στο Αλαμογκόρντο, στην έρημο του Νέου Μεξικού, σε μια τοποθεσία που ονομάστηκε Trinity στα μέσα Ιουλίου 1945.

Η αποδοτικότητα του όπλου ήταν 17% με απόδοση 22 kt. Η δοκιμή επέτρεψε επίσης τον έλεγχο αρκετών τεχνικών λεπτομερειών, αλλά ο κύριος στόχος ήταν να βιωθούν άμεσα τα αποτελέσματα μιας πυρηνικής έκρηξης.

Κανένας από τους μάρτυρες της πρώτης πυρηνικής έκρηξης δεν ήταν προετοιμασμένος για το πραγματικό γεγονός: από την αρχική λάμψη και την πρώιμη φωτόσφαιρα χωρίς κανέναν ήχο, από τη σιωπηλή θερμότητα της παλμικής φωτεινής ακτινοβολίας, σαν ταυτόχρονα σκληρά χαστούκια και στις δύο μαγουλάδες, έως το κύμα κρούσης που έτρεξε στο έδαφος της ερήμου και το σύννεφο ερειπίων που σχημάτισε την απαίσια μορφή μανιταριού.

Εικόνα δεξιά: Η αρχική φωτόσφαιρα της πρώτης πυρηνικής έκρηξης ποτέ στη Γη, 16 Ιουλίου 1945.

Η εξέλιξη μιας πυρηνικής έκρηξης και τα αποτελέσματά της εξαρτώνται, εκτός από την απόδοσή της, από τον τύπο της έκρηξης – αέρα, μεγάλου ύψους, επιφάνειας, υποβρύχιας, υπόγειας – και από τις συγκεκριμένες μετεωρολογικές συνθήκες και τη φύση του εδάφους.

Ωστόσο, τα κύρια φαινόμενα παραμένουν αμετάβλητα. Η μεγάλη ενέργεια που παράγεται στο σύντομο χρόνο της έκρηξης θερμαίνει τα υλικά σε θερμοκρασίες αρκετών δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών και επιτυγχάνονται πιέσεις εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από την ατμοσφαιρική. Μεγάλες ποσότητες ενέργειας εκπέμπονται κυρίως ως ακτίνες Χ, οι οποίες απορροφώνται από τον αέρα, οδηγώντας στον σχηματισμό μιας εξαιρετικά θερμής και πυράκτινης μάζας αέρα. Αυτή η φωτόσφαιρα αυξάνεται σε μέγεθος και ανεβαίνει, μειώνοντας τη θερμοκρασία της. Μετά από ένα λεπτό, η εκπομπή φωτός παύει και το σύννεφο έχει ανέβει σε ύψος περίπου 7 km.

Η αλληλουχία φωτογραφιών αριστερά δείχνει τα πρώτα 4 δευτερόλεπτα στην εξέλιξη της φωτόσφαιρας της έκρηξης κατά τη δοκιμή Trinity.

Στις αρχές του 1945 έγινε σαφές ότι οι σύμμαχοι κέρδιζαν τον πόλεμο τόσο στην Ευρώπη όσο και στον Ειρηνικό. Αρκετοί επιστήμονες άρχισαν να συζητούν τις κοινωνικές και πολιτικές συνεπαγωγές της πυρηνικής ενέργειας και τις συνέπειες της πραγματικής χρήσης της βόμβας. Τον Ιούνιο του 1945, η έκθεση του Τζέιμς Φρανκ πρότεινε να προειδοποιηθεί η Ιαπωνία και να επιδειχθεί η δύναμη της βόμβας σε κάποια αναφατή περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη τα καταστροφικά αποτελέσματά της. Ένα Επιστημονικό Πάνελ, αποτελούμενο από τους Κόμπτον, Φέρμι, Λόρενς και Οπενχάιμερ, δημιουργήθηκε για να συμβουλεύει την Ενδιάμεση Επιτροπή και ανέφερε τις απόψεις των επιστημόνων.

Ωστόσο, μετά από διαβουλεύσεις με όλους τους συμμάχους, θεωρήθηκε απαραίτητη η άμεση στρατιωτική χρήση του όπλου, ακόμα κι αν, για το μέλλον, προβλεπόταν ανοιχτή διεθνής συνεργασία για την ανάπτυξη της πολιτικής πυρηνικής ενέργειας.

Το πρωί της 6ης Αυγούστου 1945 στις 8:15 π.μ., το Little Boy έπεσε στη Χιροσίμα εκρήγνυμενο σε ύψος 580 m πάνω από την πόλη, με ισχύ μεταξύ 12 kt και 15 kt. Στις 9 Αυγούστου 1945 στις 11:02 π.μ., το Fat Man εξερράγη σε ύψος 503 m πάνω από τη Ναγκασάκι· η ισχύς του ήταν μεγαλύτερη από 22 kt. Οι δύο πόλεις καταστράφηκαν, με περισσότερους από εκατό χιλιάδες νεκρούς και εκατό χιλιάδες τραυματίες. Η Ιαπωνία παραδόθηκε και ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος ολοκληρώθηκε. Η τελική απόφαση για τη ρίψη της βόμβας ήταν τόσο στρατιωτικά κινητοποιημένη, προκειμένου να αποφευχθεί μεγάλος αριθμός θυμάτων κατά την εισβολή στην Ιαπωνία, όσο και πολιτική, για την τερμάτιση του πολέμου πριν η Σοβιετική Ένωση μπορούσε να επεκταθεί στον Ειρηνικό.

Εικόνα: Ο Συνταγματάρχης Paul W. Tibbets, Jr., στο βομβαρδιστικό B-52 «Enola Gay» πριν από την απογείωση για τη Χιροσίμα.

Μετά τον πόλεμο, άρχισαν να εξετάζονται οι προοπτικές της πολιτικής και στρατιωτικής πυρηνικής ενέργειας. Ο νέος Αμερικανός Πρόεδρος, Χάρι Σ. Τρούμαν, δημιουργεί μια «Ενδιάμεση Επιτροπή» για να αποφασίσει σχετικά με τη χρήση των όπλων και τον τρόπο διαμόρφωσης ενός πυρηνικού προγράμματος για το μέλλον. Μεταξύ των αποφάσεων που έπρεπε να ληφθούν ήταν εάν θα συνεχιζόταν η διεθνής συνεργασία ή θα ακολουθούνταν πολιτική αμερικανικού μονοπωλίου.

Ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος αποτέλεσε όμως καμπή στις σχέσεις μεταξύ επιστημόνων και κυβερνήσεων. Οι επιστήμονες δεν εφηύραν και κατασκεύασαν απλώς νέα όπλα, τα προώθησαν ενεργά και συμμετείχαν στις αποφάσεις πότε και πώς να τα χρησιμοποιήσουν, γίνοντας πλήρεις εταίροι στη διαδικασία χάραξης πολιτικής.

Η στρατιωτική και πολιτική επιτυχία της ατομικής βόμβας και οι οικονομικές προοπτικές της πυρηνικής ενέργειας έδωσαν ορατότητα και δύναμη στην επιστημονική κοινότητα παντού. Το ΗΒ, η Ρωσία και η Γαλλία χρειάζονταν επιστήμονες για να κατασκευάσουν τα δικά τους πυρηνικά οπλοστάσια. Στις ΗΠΑ, οι φυσικοί έλαβαν μεγάλη οικονομική υποστήριξη και κατάφεραν να κερδίσουν, παρά τις επιθυμίες του στρατιωτικού ιδρύματος, την ευθύνη ελέγχου της ανάπτυξης της πυρηνικής ενέργειας. Στις ΗΠΑ, η πολιτική πυρηνικής ενέργειας ανατέθηκε στην Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας, ένα όργανο υπό πολιτικό έλεγχο.