Загубата на основни източници на каучук – плантации в Далечния изток – по време на Втората световна война предизвика бързи програми за изследване и производство на синтетичен каучук, за да се задоволят нуждите на промишлеността и военното усилие.

Найлонът се оказа друг стратегически материал, служещ като „изкуствена коприна" за парашути. В Германия от I.G. Farben е построен голям завод в Буна, използвайки робския труд на затворниците от Аушвиц.

Германия отделяла голямо внимание на изследванията и производството на нови бомбардировачи и изтребители. Те са първите, използвали самолети с реактивни двигатели, последвани по-късно от британските RAF. Германският V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) е крайъгълен камък в развитието на ракетостроенето. Задвижван от алкохол и течен кислород, V-2 е първата балистична ракета, т.е. ракета с самозадвижване, която след изстрелването следва само траектория, определена от гравитацията. V-2 летял по-бързо от скоростта на звука, но не бил много точен. Например, при обхват от 320 км, само една трета от V-2 ракетите попадала в радиус от 5 км от целта.

Вляво: Ракета V-2 на мобилен пускова установка Meillerwagen през 1943 г. След войната заловените V-2 са обстойно проучени от съветски и американски изследователи и тяхната технология е отправна точка за космическите програми на двете сили.

През 1940 г. противовъздушното командване на британската армия организирало група учени под ръководството на физика П.А.М. Блакет за изследване на оперативното използване на радари, оръдия и механични калкулатори за противовъздушен огън. В Адмиралтейството от 1942 до 1945 г. тази група постигнала значително подобрение в използването на въздушен радар за намиране на германски подводници, потопяващи търговски кораби в Атлантика.

От тяхната работа се развила нова математическа област – наречена оперативни изследвания – за третиране на сложни оптимизационни проблеми. Оперативните изследвания се преместили през 1942 г. в САЩ, където са развити за военни цели в Принстънския университет и Масачузетския технологичен институт.

Втората световна война също вижда разработването и първото систематично използване на цифрови компютри за решаване на военни проблеми. В Германия компютърът на Конрад Цузе е използван за авиационната промишленост. Във Великобритания Colossus, първият електронен цифров компютър, е разработен за разбиване на германски кодове. В САЩ електромеханичният Mark I на Харвард и електронният ENIAC на армията на САЩ са произвеждали таблици за стрелба на артилерия и други военни изчисления. ENIAC е използван и за разработването на атомната бомба.

Горе вдясно: Дървеното устройство на преден план е четирироторна германска машина Enigma, използвана за кодиране. Голямата машина на заден план е „Bombe", използвана за разбиване на кода.

Използването на радiovълни за откриване и локализиране на обекти е предложено още през 1900 г. от Никола Тесла. Военните предимства станали от критично значение по време на Втората световна война в битката за Англия и в операциите в Тихия океан.
Тръба за генериране на микровълнова мощност, основна за успеха на радара, кухинният магнетрон, е разработена в Обединеното кралство около 1940 г. В Масачузетския технологичен институт е създадена специална Радиационна лаборатория, където са наети няколко американски физици.

Вляво: SCR268 в употреба в Италия през 1944 г. Този тип радар бил прожекторен детектор за насочване на зенитен огън. Вдясно: Британският физик Е.Г. Боуен показва магнетрон на Лий Дюбридж и физика И.И. Раби в Радиационната лаборатория през 1943 г.

Германската атака от 1941 г. заварила военните структури на Съветския съюз в голяма степен неподготвени, позволявайки бърза инвазия на руски територии. Съветската промишленост трябвало да произвежда нови оръжейни системи, а учените и научните институции били призвани да разработят материали за танкове, самолети и въоръжение, подходящо за операции в екстремните условия на руската зима.

Танкът Т-34 оказал дълбоко и трайно влияние върху по-нататъшната тактика и дизайна на танковете. Въведен за пръв път в употреба през 1940 г., той се смята за най-ефективния, ефикасен и влиятелен дизайн на Втората световна война.

Непосредствено след наблюдението от Ото Фриш и Лизе Майтнер на голямата енергия, отделяна при делене на уран (декември 1938 г.) и предложението на Енрико Ферми за възможността от верижна реакция (януари 1939 г.), евентуалните военни приложения на процесите на делене станали очевидни за общността на ядрените физици. Предложението на Лео Сцилард за въздържане от публикуване на нови резултати се обсъждало сериозно, но не бил реално прието. През пролетта на 1939 г. правителствата или военните органи на САЩ, Германия, Съветския съюз, Франция и Великобритания са уведомени за евентуалните военни приложения на ядреното делене.

Проблеми: Време – бързи неутрони

Строежът на ядрена бомба обаче представлява изключително различни проблеми от тези, свързани с изграждането на ядрен реактор. Основният проблем е необходимостта от едновременни делявания на огромен брой ядра за достатъчно кратко време, за да се предотврати разпръскването на делящия се материал поради нагряване. Взрив, еквивалентен на 20 кт химически взривни вещества (ТНТ), изисква делене на 1 кг ²³⁵U, което предполага 80-кратна верижна реакция. Тъй като деленето протича за около 10^-8 с, 80 неутронни поколения преминават за 0,8 микросекунди. Неутроните се нуждаят от около 1 микросекунда, за да се забавят, и затова бомбата трябва да работи с бързите неутрони такива, каквито се произвеждат, без модератор.

Критична маса на делящия се материал

Голяма част от неутроните, отделяни в процеса на делене, имат енергия под 1 МеВ и следователно не могат да предизвикат делене на ядро на ²³⁸U. Затова ядреното оръжие използва само ²³⁵U или ²³⁹Pu. Минималната маса зависи от чистотата на делящия се материал, но може да се намали значително, като ядрото се обгради с пласт от тежък материал – тампон – който отразява неутроните обратно и забавя разширяването на активния материал. Например, дебел тампон от уран намалява критичната маса на сфера от чист ²³⁵U от 56 кг до 15 кг и на ²³⁹Pu от 11 кг до 5 кг.

Вдясно: Криви на критичните маси на ²³⁵U и ²³⁹Pu в зависимост от тяхната чистота.

Конструкция на бомбата

За да бъде полезно, ядреното оръжие трябва да се борави безопасно и да работи безотказно. Трябва и да е достатъчно малко, за да бъде доставено до целта. Всички тези противоречиви условия трябва да бъдат изпълнени, изисквайки съвместното сътрудничество на експерти от много области. По-конкретно, необходимите научни знания включват прецизно определяне на вероятностите за делене и на поведението на делящите се материали в зависимост от налягането и температурата.

Механизми на детониране

Преди изстрелването активният материал трябва да бъде приготвен по такъв начин, че верижна реакция да не може да се развие, като се вземат предвид всички възможни източници на неутрони. Актът на изстрелване се състои в обемно пренареждане, което осигурява конфигурацията, необходима за верижна реакция. Съществуват два основни подхода.

При оръдейната техника една субкритична маса се изстрелва с конвенционално оръдие с висока скорост в друга субкритична маса.

Техниката на имплозия равномерно детонира периферен заряд от химически взривни вещества по начин, предназначен да компресира субкритична маса в суперкритична конфигурация. За оръжия с ²³⁵U и двата подхода са възможни, но за оръжия с плутоний, поради наличието на спонтанно делящ се ²⁴⁰Pu, само техниката на имплозия е осъществима.

Вляво: Схематични чертежи на двата механизма на детониране – от Лос Аламос, началото на 1943 г.

През 1939 г. в Колумбийския университет в Ню Йорк изследванията върху основните свойства на делене се извършват от групите на Ферми и Джон Дънинг с ограничена финансова подкрепа от Военноморската служба на САЩ. Докато Ферми се стремял да получи верижна реакция с природен уран и графитни модератори, Дънинг започнал изследвания върху обогатяването на урана с изотопа ²³⁵U. В Принстън Нилс Бор и Джон Уилър разработили основната теория на делене, подчертавайки важността на ²³⁵U.

Вляво: Ферми, Бор и Леон Розенфелд в Института Карнеги през 1939 г. Делянето е демонстрирано в Департамента по земния магнетизъм (DTM) на 28 януари 1939 г.

Франция

В Париж Ханс фон Халбан, Лев Коварски, Франсис Перен и Фредерик Жолио-Кюри установили, че бавните неутрони са по-ефективни за предизвикване на делене и започнали да използват първо водород и след това тежка вода за забавяне на неутроните от делена. През октомври 1939 г. те получили приблизителна формула за закона на верижната реакция, която ще пазят в тайна до края на Втората световна война. След германската инвазия на Франция фон Халбан и Коварски занесли тежката си вода в Англия и се присъединили към британския изследователски екип. Жолио продължил изследванията си във Франция, където участвал в съпротивата срещу нацистите.

Вдясно: Ханс фон Халбан, Лев Коварски и Фредерик Жолио-Кюри, началото на 1939 г.

Германия

Още от март 1939 г. германското правителство започнало да се интересува от ядреното делене. През септември официално е конституиран Уранов проект под ръководството на Курт Дибнер. Институтът Кайзер Вилхелм за физика в Берлин-Далем се превръща в научен център и работа се извършва в различни институти из цяла Германия. Използването на тежка вода и изотопното разделяне са основните изследователски теми. Хайзенберг разработва теорията на делене. През лятото на 1941 г. в Лайпциг вече работи субкритична купчина с тежка вода. Фриц Хоутерманс определя различни аспекти на делене и предлага използването на елемент 94 (плутоний), произвеждан от ²³⁸U. В Берлин е изградена голяма субкритична купчина с 500 л тежка вода.

През 1942 г. Хайзенберг е убеден в невъзможността за изграждане на ядрено оръжие поради трудностите при разделянето на ²³⁵U. На 4-6 юни 1942 г. Урановият комитет представил резултатите си на министъра Алберт Шпеер и маршал Ерхард Милх: решено е да се даде приоритет на производството на ядрена мощност. Разглежда се възможността за ядрен двигател за флота и зимата на 1944 г. в Далем е изградено голямо складово количество с 1,5 т уран и 1,5 т тежка вода. След бомбардирането на института изследванията са преместени в пещера в Хехинген в Бавария. Уредите и учените ще бъдат заловени от американски сили на 22 април 1945 г.

Вляво: Урановата лаборатория в Далем.

Съветският съюз

Експерименталните и теоретичните изследвания на делене започнали незабавно в руския град Ленинград (сега известен като Санкт Петербург) и в поредица от основополагащи статии от Яков Борисович Зелдович и Юли Харитон от 1939-40 г. са очертани основните принципи на верижната реакция от делене.

През 1940 г. програма за използване на делене е представена на Президиума на Академията на науките. В Ленинград през юни 1941 г. групата на Курчатов започва работа с новопостроен циклотрон. Обаче по времето на германската инвазия в Русия (юни 1941 г.) Сталин спира изследванията на делене.

През юли 1945 г. Сталин решил да започне ускорена програма за развитие на ядрената мощ под ръководството на Игор Курчатов. Секретна лаборатория (Арзамас-16) е построена от военнопленници близо до Арзамас, на около 400 км на изток от Москва. Няколко германски учени и материали от германски лаборатории помогнали за ускоряване на руския проект.

Вдясно: Карта на първите съветски ядрени лаборатории.

Великобритания: Меморандумът на Фриш-Пайерлс

Началото на британската програма за ядрено оръжие е резултат от изследванията, извършени в Бирмингам от двама бежанци: германецът Рудолф Ернст Пайерлс и австриецът Ото Фриш. На 19 март 1940 г. те представят на Хенри Тизард, президент на Имперския колеж, два поверителни меморандума: „За свойствата на радиоактивна 'супербомба'" и „За конструкцията на 'супербомба', основана на ядрена верижна реакция в уран".

В меморандума си те обосновават осъществимостта на бърза неутронна верижна реакция на взривна от ²³⁵U с критична маса само 1 кг. Те описват механизма на детониране с оръдие и изследват ефектите на оръжието и настояват за стартиране на изследователска програма, за да се противодейства на германските ядрени разработки.

Меморандумът на Фриш-Пайерлс, правещ перспективата за уранно оръжие достъпна, убедил RAF да стартира силна изследователска програма (Комитетът MAUD) под ръководството на Джордж Томпсън с групи в Ливърпул (Джеймс Чадуик), Бирмингам (Олифант и Пайерлс), Оксфорд (за изотопно разделяне) и в Imperial Chemical Industries.

Вляво: Марк Олифант в Департамента по физика на Бирмингам през 1941 г.

След падането на Франция парижките учени донесли своите познания в Обединеното кралство заедно с тежката вода. На 7 юли 1941 г. Комитетът MAUD представя на правителството подробни документи, очертаващи военните и гражданските приложения на делене. Чърчил дава висок приоритет и на двете области на изследване; „Дирекцията Tube Alloys" е създадена под контрола на Джон Андерсън, лорд-председател на Съвета. До края на 1941 г. британската програма е най-напредналата в света.

Италия

Групата по ядрена физика в Рим, основана от Ферми и ръководена от Едуардо Амалди след заминаването на Ферми за САЩ през 1939 г., специализирала в реакции, предизвикани от неутрони. Важно е провеждането на изследвания за делене, за да се разбере защо групата по-рано е объркала тази реакция с производството на трансуранови елементи през 1936 г.

Въпреки това, през 1941 г. римската група решила да преустанови всички изследвания за делене поради военните му последствия.

Вдясно: Протонен ускорител Cockroft-Walton от 200 кВ в употреба от 1939 г. от групата по ядрена физика в Рим.

Йошио Нишина започнал изследвания на ядреното оръжие през лятото на 1940 г. в лабораторията Рикен в Токио с ограничена подкрепа от японската армия. В Киото Имперският флот подкрепял изследванията на Бунсаку Аракацу. Конкуренцията между флота и военновъздушните сили довела до ограничен напредък до пролетта на 1943 г., когато са произведени първите разделителни инсталации. Проектът обаче никога не достигнал ефективни размери. След бомбардировката на Хирошима Нишина прелетял над града и признал ужасяващото естество на ядрения удар.