In juli 1939 overtuigde Szilárd de econoom Alexander Sachs van de noodzaak van een krachtig Amerikaans initiatief op het gebied van militaire toepassingen van splijting, om de Duitse ontwikkelingen te counteren. Szilárd vroeg Einstein een brief te schrijven aan president Roosevelt waarin de gevaren en kansen van splijting werden geschetst.

Met de bijdrage van Edward Teller en Eugene Wigner werd de brief op 2 augustus 1939 opgesteld. Sachs presenteerde de brief en een technisch document van Szilárd op 11 oktober 1939 aan Roosevelt, en de president richtte onmiddellijk een Adviescomité voor Uranium (ACU) op onder het voorzitterschap van de regeringswetenschapper Lyman J. Briggs.

Afbeelding rechts: A. Einstein en L. Szilárd in augustus 1939. Hieronder: de originele Einstein-Szilárd-brief.

Prioriteit werd gegeven aan Fermi's inspanningen in New York om een kettingreactie te produceren met natuurlijk uranium en een grafietmoderator, samen met studies in verscheidene onderzoekslaboratoria naar de scheiding van het isotoop ²³⁵U. In Berkeley werd element 94 (plutonium) in februari 1941 ontdekt door Glenn Seaborg en zijn splijtingseigenschappen werden bestudeerd door hemzelf en Emilio Segrè. Het gebruik ervan als alternatief voor ²³⁵U werd een belangrijke optie.

In juni 1941 overtuigde Vannevar Bush Roosevelt van de noodzaak van deelname van wetenschappers aan de defensieactiviteiten en de ontwikkeling van nieuwe wapens. Het Office of Scientific Research and Development (OSRD) wordt opgericht en rapporteert rechtstreeks aan de president. Het ACU wordt onder de controle van het OSRD geplaatst met de nieuwe naam 'Sectie S-1'. De betrokkenheid van de industrie bij de productie van proefinstallaties wordt aanbevolen en strengere politieke controle van het onderzoek wordt ingevoerd.

Afbeelding hierboven: De wetenschappelijke leiders van het S-1-project: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 maart 1940).

Op 9 oktober 1941 presenteert V. Bush het MAUD-rapport, beschikbaar gesteld door de Britten, aan Roosevelt en vicepresident Henry A. Wallace. Roosevelt geeft Bush volledige bevoegdheid om te onderzoeken of een bom gebouwd kan worden en tegen welke prijs, met de nodige financiering uit een speciale presidentiële bron. Een strikte geheimhoudingstatus moest worden gehandhaafd en de details van de samenwerking met het VK moesten precies worden vastgelegd. Deze gebeurtenis was van het grootste belang voor de daadwerkelijke bouw van de bom.

De samenwerking kende haar moeilijkheden, veroorzaakt door de partij die op een gegeven moment verder gevorderd leek in nucleair onderzoek. In 1941 beperkten de Britten de informatie aan de Amerikanen, in 1942 weigerden ze een Brits team in hun programma op te nemen. De problemen werden verergerd door de aanwezigheid van de Franse wetenschappers in het Britse project en door het patentbeleid. In januari 1943 werd de communicatie volledig verbroken. De samenwerking werd hervat met het trilaterale akkoord van Quebec van 17 augustus 1943 tussen Canada, het VK en de VS. Het VK stopte zijn bomproject en zijn wetenschappers sloten zich aan bij het Amerikaanse team, een vrije uitwisseling van informatie werd gewaarborgd en elke partij heeft een vetorecht over het gebruik van de bom.

Nadat de VS in december 1941 de oorlog waren ingegaan, ontving het Amerikaanse nucleaire programma de hoogste hoeveelheid middelen, zonder enige budgetbeperking.

Arthur Compton in Chicago was verantwoordelijk voor het bereiken van de kettingreactie voor de productie van plutonium, Ernest Lawrence in Berkeley voor de elektromagnetische isotoopscheiding van ²³⁵U met behulp van speciaal ontworpen cyclotrons. Harold Urey voor de isotoopscheiding met centrifuges en gasdiffusie.

Generaal Leslie Groves wordt in september 1942 benoemd tot militair hoofd van het project, nu 'Manhattan Engineering District' (MED) genaamd, en geeft onmiddellijk de hoogste prioriteit aan het veiligstellen van de benodigde materialen en selecteert een gebied van ongeveer 230 vierkante kilometer in Tennessee (Oak Ridge) voor de bouw van de laboratoria voor de productie van de splijtbare materialen.

Afbeelding rechts: Kaart van het in Oak Ridge gebouwde complex voor de productie van splijtbaar materiaal. Binnen enkele maanden zag dit landelijke gebied de bouw van, naast enorme laboratoria, een stad met een bevolking van 13.000, en een geasfalteerd wegennet van 500 km. Het volgende jaar bereikte de stad 42.000 inwoners.

Enrico Fermi's experimenten met stapels van betere kwaliteit van natuurlijk uranium en grafiet gaven hem het vertrouwen een zelfonderhoudende kettingreactie te bereiken. Op 16 november 1942 begon hij met de bouw van een demonstratiestapel (CP1) in Chicago, met de hulp van Wigner voor theoretische berekeningen.

De eerste zelfonderhoudende kettingreactie werd bereikt op 2 december 1942, waarmee de mogelijkheid van het gebruik van kernsplijting voor energieopwekking werd bevestigd en een bron van plutonium voor de bom werd gecreëerd.

CP1 wordt onmiddellijk ontmanteld en de materialen worden teruggewonnen voor een grotere stapel, CP2, in het nieuwe laboratorium in het Argonne-bos nabij Chicago.

Afbeelding links: De West Stands van het Stagg Stadion van de Universiteit van Chicago waaronder CP1 werd gebouwd.

Twee methoden voor uraniumscheiding werden nagestreefd.

De elektromagnetische scheidingsmethode is gebaseerd op het principe dat geladen objecten afwijken wanneer ze bewegen in een magnetisch veld. Zwaardere ionen worden in mindere mate afgebogen dan lichtere ionen. Geschikt geplaatste collectoren kunnen profiteren van deze scheiding.

De diffusiemethode is gebaseerd op het feit dat de lichtere moleculen in een gas een hogere gemiddelde snelheid hebben dan de zwaardere moleculen. Een gecomprimeerd gas van een uraniumverbinding wordt door een poreuze barrière gelaten: de iets lichtere ²³⁵U-moleculen hebben een grotere kans om door gaten (een fractie van een micron in diameter) te ontsnappen. Het uitstromende gas, licht verrijkt met het gewenste isotoop (3 delen per 1000), wordt vervolgens opnieuw gecomprimeerd en het proces wordt herhaald. In de Oak Ridge-installatie in 1945 bedroeg het totale oppervlak van de scheidingsbarrière duizenden vierkante meters en werd uranium geproduceerd dat tot 10% was verrijkt.

Afbeelding rechtsboven: Schematisch diagram van de gasstroom in een diffusiecascade.

Voor het eigenlijke ontwerp van de bom besloot J. Robert Oppenheimer, wetenschappelijk directeur van MED, alle benodigde wetenschappers en technische experts samen te brengen in een nieuw geheim laboratorium, dat in de winter van 1942-1943 werd gebouwd in Los Alamos, een afgelegen mesa in New Mexico. In maart 1943 begon het laboratorium, onder de verantwoordelijkheid van de Universiteit van Californië, met basisonderzoek om "een praktisch militair wapen" te produceren. Verschillende onderzoeksapparaten werden overgebracht van diverse plaatsen in de VS: het Harvard-cyclotron, twee Van de Graaff-versnellers uit Wisconsin, een Cockcroft-Walton uit Illinois, enz. De bevolking van Los Alamos verdubbelde elke 9 maanden en bereikte in 1945 meer dan 5000.

Oppenheimer slaagde er, ondanks de militaire beperkingen, in de stijl van een wetenschappelijke instelling te bewaren en het onderzoekswerk lonend te maken. Het leven was er zwaar maar spannend en het contact met ervaren wetenschappers stelde jonge fysici in staat essentiële vaardigheden te verwerven.

De weg naar plutonium begint met het ²³⁸U één neutron laten absorberen in een kernreactor die werkt met langzame neutronen. Na de prototypestapels CP1 en CP2 bouwden industriële bedrijven drie grote reactoren in een nieuw geheim centrum in Hanford (Washington) en één in Oak Ridge.

In Los Alamos vorderde het onderzoek naar de chemische, fysische en metallurgische eigenschappen van het nieuwe materiaal zodra plutonium werd afgeleverd – eerst in gramhoeveelheden en, vanaf het voorjaar van 1945, in substantiële hoeveelheden, genoeg voor de productie van drie bommen.

Op 3 juli 1945 in Los Alamos werd de ²³⁵U-bom, genaamd "Little Boy", voltooid. Het splijtbare materiaal was verrijkt tot 86% voor 3 kritieke massa's, elk van ongeveer 60 kg. De detonatie was gebaseerd op de kanonmethode, waarbij een kanon van 180 cm lang en 453 kg werd gebruikt.

Little Boy was ongeveer 3 m lang, met een diameter van 70 cm, klein genoeg om in de bommenruimte van een B-29-bommenwerper te passen, en had een totaalgewicht van ongeveer 4000 kg. De wetenschappers hadden volledig vertrouwen in de werking ervan en er werden geen voorafgaande tests noodzakelijk geacht.

De plutoniumbom "Fat Man" had een plutoniumkern van ongeveer 6,1 kg en vereiste detonatie op basis van de implosietechniek, om voordetonatie te vermijden, met behulp van ongeveer 2300 kg springstof. De kern, uraniumbuffer en springstof werden op hun plaats gehouden door een metalen bol bestaande uit twaalf vijfhoekige secties. Het wapen had stabilisatievinnen en een beschermende eierschaalvormige buitenmantel met een diameter van 150 cm. "Fat Man" was ongeveer 365 cm lang en woog ongeveer 4900 kg.

Afbeelding: De Fat Man-bom wordt voorbereid op Tinian op de Marianen voor aflevering op Nagasaki.

De implosietechniek was volledig nieuw en de voorlopige gedeeltelijke tests gaven geen volledige zekerheid.

Daarom werd, zodra voldoende plutonium beschikbaar was, midden juli 1945 een definitieve test van de complete bom uitgevoerd in Alamogordo, in de woestijn van New Mexico, op een locatie genaamd Trinity.

De efficiëntie van het wapen was 17% met een opbrengst van 22 kt. De test maakte het ook mogelijk verscheidene technische details te controleren, maar het hoofddoel was de effecten van een nucleaire explosie direct te ervaren.

Geen van de getuigen van de eerste nucleaire explosie waren voorbereid op het werkelijke evenement: van de eerste flits en de vroege vuurbal zonder enig geluid, van de stille warmte van de lichtpuls, als gelijktijdige harde klappen op beide wangen, tot de schokgolf die over de woestijnvloer raasde, en de wolk van puin die de onheilspellende paddenstoelvorm vormde.

Afbeelding rechts: De aanvankelijke vuurbal van de eerste kernexplosie ooit op Aarde, 16 juli 1945.

De evolutie van een nucleaire explosie en haar effecten hangen, naast de opbrengst, af van het type ontploffing – lucht, grote hoogte, oppervlak, onderwater, ondergronds – en van de specifieke meteorologische omstandigheden en de aard van het terrein.

De belangrijkste verschijnselen blijven echter onveranderd. De grote energie die in de korte tijd van de explosie wordt geproduceerd, verhit de materialen tot temperaturen van enkele tientallen miljoenen graden en drukken van een miljoen keer de atmosferische druk worden bereikt. Grote hoeveelheden energie worden voornamelijk uitgestraald als röntgenstralen, die door de lucht worden geabsorbeerd, wat leidt tot de vorming van een uiterst hete en gloeiende luchtmassa. Deze vuurbal groeit in omvang en stijgt op, terwijl de temperatuur daalt. Na een minuut stopt de lichtemissie en is de wolk gestegen tot ongeveer 7 km hoogte.

De fotoreeks links toont de eerste 4 seconden in de evolutie van de explosievuurbal tijdens de Trinity-test.

Begin 1945 werd duidelijk dat de geallieerden zowel in Europa als in de Stille Oceaan de oorlog aan het winnen waren. Verschillende wetenschappers begonnen de sociale en politieke implicaties van kernenergie en de gevolgen van het daadwerkelijke gebruik van de bom te bespreken. In juni 1945 stelde het rapport van James Frank voor Japan te waarschuwen en de kracht van de bom te demonstreren in een onbewoond gebied, gezien de verwoestende effecten ervan. Een Wetenschappelijk Panel, samengesteld uit Compton, Fermi, Lawrence en Oppenheimer, werd opgericht om het Interimscomité te adviseren en bracht verslag uit over de standpunten van de wetenschappers.

Een direct militair gebruik van het wapen werd echter noodzakelijk geacht, na raadpleging van alle geallieerden, ook al was voor de toekomst een open internationale samenwerking voor de ontwikkeling van de civiele kernenergie voorzien.

Op de ochtend van 6 augustus 1945 om 8:15 uur werd Little Boy op Hiroshima gegooid en explodeerde 580 m boven de stad, met een opbrengst tussen 12 kt en 15 kt. Op 9 augustus 1945 om 11:02 uur explodeerde Fat Man 503 m boven Nagasaki; de opbrengst was groter dan 22 kt. De twee steden werden vernietigd, met meer dan honderdduizend doden en honderdduizend gewonden. Japan capituleerde en de Tweede Wereldoorlog kwam tot een einde. De definitieve beslissing om de bom te gooien was zowel militair gedreven, om een hoog aantal slachtoffers bij de invasie van Japan te vermijden, als politiek, om de oorlog te beëindigen voordat de Sovjet-Unie zich in het Pacifisch gebied kon uitbreiden.

Afbeelding: Kolonel Paul W. Tibbets, Jr., op zijn B-52 bommenwerper "Enola Gay" voor de start naar Hiroshima.

Na de oorlog begonnen de perspectieven van de civiele en militaire kernenergie onderzocht te worden. De nieuwe Amerikaanse president Harry S. Truman richtte een "Interimscomité" op om te beslissen over het gebruik van de wapens en hoe een kernprogramma voor de toekomst vorm te geven. Tot de te nemen beslissingen behoorde de vraag of men de internationale samenwerking zou voortzetten of een beleid van Amerikaans monopolie zou volgen.

Maar de Tweede Wereldoorlog was een keerpunt in de relaties tussen wetenschappers en regeringen. Wetenschappers hebben niet alleen nieuwe wapens uitgevonden en gebouwd, ze hebben ze actief gepromoot en deelgenomen aan het beslissen wanneer en hoe ze te gebruiken, waarmee ze volwaardige partners werden in het beleidsproces.

Het militaire en politieke succes van de atoombom en de economische vooruitzichten van kernenergie gaven de wetenschappelijke gemeenschap overal zichtbaarheid en macht. Het VK, Rusland en Frankrijk hadden wetenschappers nodig om hun eigen nucleaire arsenalen te bouwen. In de VS kregen fysici grote financiële steun en konden zij, ondanks de wensen van het militaire establishment, de verantwoordelijkheid voor het controleren van de ontwikkeling van kernenergie winnen. In de VS werd het nucleaire energiebeleid gedelegeerd aan de Atomic Energy Commission, een orgaan onder civiele controle.