Ensisijaisten kumilähteen – Kaukoidän plantaasien – menettäminen toisen maailmansodan aikana käynnisti kriisiohjelmia synteettisen kumin tutkimiseksi ja tuottamiseksi teollisuuden ja sotatoimien tarpeisiin.

Nailon osoittautui toiseksi strategiseksi materiaaliksi, joka toimi "tekoksilkkina" laskuvarjoissa. Saksassa I.G. Farben rakensi suuren tehtaan Bunaan hyödyntäen Auschwitzin vankien pakkotyötä.

Saksa panosti paljon uusien pommittajien ja hävittäjien tutkimukseen ja tuotantoon. He olivat ensimmäisiä, jotka ottivat käyttöön suihkumoottorilla varustetut lentokoneet, ja myöhemmin heidän jälkiään seurasi Britannian RAF. Saksalainen V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) oli merkkipaalu rakettitekniikan kehityksessä. Alkoholia ja nestemäistä happea polttoaineenaan käyttävä V-2 oli ensimmäinen ballistinen ohjus eli itsekäyttöinen raketti, joka laukaisun jälkeen seuraa ainoastaan painovoiman määräämää lentoradan. V-2 lensi nopeammin kuin ääni, mutta ei ollut kovin tarkka. Esimerkiksi 320 km:n kantamalla vain kolmannes V-2-ohjuksista osui 5 km:n sisälle kohteestaan.

Vasemmalla: V-2-ohjus liikkuvalla Meillerwagen-laukaisulaitteistollaan vuonna 1943. Sodan jälkeen vangittuja V-2-ohjuksia tutkittiin perusteellisesti neuvostoliittolaisissa ja amerikkalaisissa tutkimuslaitoksissa, ja niiden teknologia oli lähtökohtana molempien suurvaltojen avaruusohjelmille.

Vuonna 1940 Britannian armeijan ilmatorjuntakomento järjesti fyysikko P.A.M. Blackettin johdolla tiedemiesten ryhmän tutkimaan tutkan, aseiden ja mekaanisten laskimien operatiivista käyttöä ilmatorjuntatulessa. Amiraaliteetissa vuosina 1942–1945 tämä ryhmä saavutti merkittäviä parannuksia ilmasta kantavan tutkan käytössä saksalaisten sukellusveneiden paikantamiseksi, jotka upottivat kauppa-aluksia Atlantilla.

Heidän työstään kehittyi uusi matematiikan ala – operaatiotutkimukseksi kutsuttu – monimutkaisten optimointiongelmien käsittelyyn. Operaatiotutkimus siirtyi vuonna 1942 Yhdysvaltoihin, missä sitä kehitettiin sotilaskäyttöön Princetonin yliopistossa ja Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa.

Toisessa maailmansodassa nähdään myös digitaalisten tietokoneiden kehittäminen ja ensimmäinen järjestelmällinen käyttö sotilaallisten ongelmien ratkaisemiseen. Saksassa Konrad Zusen tietokonetta käytettiin lentokoneteollisuudessa. Britanniassa Colossus, ensimmäinen elektroninen digitaalitietokone, kehitettiin saksalaisten koodien murtamiseen. Yhdysvalloissa Harvardin elektomekaaninen Mark I ja Yhdysvaltain armeijan elektroninen ENIAC tuottivat ampumistaulukoita tykistölle ja muihin sotilasoperaatioihin. ENIACia käytettiin myös atomiommin kehittämiseen.

Kuva oikealla ylhäällä: Etualalla oleva puinen laite on nelirotorinen saksalainen Enigma-kone, jota käytettiin salaamiseen. Taustalla oleva suuri kone on koodien murtamiseen käytetty "Bombe".

Radioaaltojen käyttöä kohteiden havaitsemiseen ja paikantamiseen ehdotti jo vuonna 1900 Nikola Tesla. Sotilaalliset edut nousivat kriittiseen asemaan toisessa maailmansodassa Britannian ilmataistelussa ja Tyynenmeren operaatioissa.
Mikrotaajuustehoa tuottava putki, joka oli tutkan menestyksen kannalta välttämätön, ontelo-magnetroni, kehitettiin Isossa-Britanniassa noin vuonna 1940. Massachusettsin teknilliseen korkeakouluun perustettiin erityinen Säteilylaboratorio, johon palkattiin useita amerikkalaisia fyysikkoja.

Vasemmalla: SCR268 käytössä Italiassa vuonna 1944. Tämäntyyppinen tutka oli valonheitintyypinen ilmaisija ilmatorjuntatulen ohjaamiseksi. Oikealla: Brittiläinen fyysikko E.G. Bowen esittelee magnetronia Lee DuBridgelle ja fyysikko I.I. Rabille Säteilylaboratoriossa vuonna 1943.

Saksan hyökkäys vuonna 1941 yllätti Neuvostoliiton sotilasrakenteet suurelta osin valmistautumattomina, mikä mahdollisti nopean tunkeutumisen Venäjän alueille. Neuvostoliittolaisen teollisuuden oli tuotettava uusia asejärjestelmiä, ja tiedemiehiä ja tieteellisiä laitoksia pyydettiin kehittämään materiaaleja tankeille, lentokoneille ja aseistukselle, joka soveltuisi toimintaan Venäjän talven ääriolosuhteissa.

T-34-panssarivaunulla oli syvä ja kestävä vaikutus myöhempiin panssaritaktiikkoihin ja -suunnitteluun. Ensimmäisen kerran käyttöön otettu vuonna 1940, sitä pidetään toisen maailmansodan tehokkaimpana, taloudellisimpana ja vaikutusvaltaisimpana mallina.

Heti Otto Frischin ja Lise Meitnerin havainnon jälkeen uraanin halkeamisessa vapautuvasta suuresta energiasta (joulukuu 1938) ja Enrico Fermin ehdotuksesta ketjureaktiosta (tammikuu 1939) halkeamisprosessien mahdolliset sotilaalliset sovellukset kävivät ilmeisiksi ydinfyysikoiden yhteisölle. Leo Szilárd'in ehdotusta pidättyä uusien tulosten julkaisemisesta harkittiin vakavasti, mutta sitä ei tosiasiallisesti hyväksytty. Keväällä 1939 Yhdysvaltojen, Saksan, Neuvostoliiton, Ranskan ja Yhdistyneen kuningaskunnan hallituksille tai sotilasviranomaisille ilmoitettiin ydinhalkeamisen mahdollisista sotilaallisista sovelluksista.

Ongelmat: Ajoitus – nopeat neutronit

Ydintomitten rakentaminen asettaa kuitenkin täysin erilaisia ongelmia kuin ydinreaktorin rakentaminen. Perustava ongelma on samanaikaisten halkeamisten välttämättömyys valtavassa määrässä ytimiä riittävän lyhyessä ajassa, jotta halkeamismateriaalin hajoaminen kuumennuksen vuoksi estyy. 20 kt:n kemialliseen räjähteeseen (TNT) vastaava räjähdys edellyttää 1 kg:n ²³⁵U:n halkeamista, mikä merkitsee 80-kertaista ketjureaktiota. Koska halkeaminen tapahtuu noin 10^-8 s:ssa, 80 neutronisukupolvea kuluu 0,8 mikrosekunnissa. Neutronit tarvitsevat noin 1 mikrosekunnin hidastuakseen, joten pommin on toimittava nopeilla neutroneilla sellaisina kuin ne tuotetaan, ilman moderaattoria.

Halkeamismateriaalin kriittinen massa

Suuri osa halkeamisprosessissa vapautuvista neutroneista on alle 1 MeV:n energiaa ja ei siten kykene aiheuttamaan ²³⁸U-ytimen halkeamista. Siksi ydinaseet käyttävät vain ²³⁵U:ta tai ²³⁹Pu:ta. Minimimimassa riippuu halkeamismateriaalin puhtaudesta, mutta sitä voidaan huomattavasti pienentää ympäröimällä ydin raskaasta materiaalista tehdyllä kerroksella – tamperilla – joka heijastaa neutroneja takaisin ja hidastaa aktiivisen materiaalin laajenemista. Esimerkiksi paksu U-tamperi pienentää puhtaan ²³⁵U-pallon kriittistä massaa 56 kg:sta 15 kg:aan ja ²³⁹Pu:n 11 kg:sta 5 kg:aan.

Oikealla: ²³⁵U:n ja ²³⁹Pu:n kriittisten massojen käyrät niiden puhtauden funktiona.

Pommien suunnittelu

Ollakseen käyttökelpoinen ydinaseen on oltava turvallinen käsitellä ja sen on toimittava luotettavasti. Sen on myös oltava riittävän pieni, jotta se voidaan toimittaa kohteeseen. Kaikki nämä keskenään ristiriitaiset ehdot on saavutettava, mikä edellyttää yhteistyötä monien alojen asiantuntijoiden kanssa. Erityisesti tarvittavaan tieteelliseen tietämykseen sisältyy halkeamistodennäköisyyksien ja halkeamismateriaalien käyttäytymisen tarkka määrittäminen paineen ja lämpötilan funktiona.

Räjäytysmekanismit

Ennen laukaisua aktiivinen materiaali on valmisteltava siten, ettei ketjureaktio voi kehittyä, ottaen huomioon kaikki mahdolliset neutronien lähteet. Laukaisuhetki koostuu tilavuusjärjestelystä, joka varmistaa ketjureaktioon tarvittavan konfiguraation. On kaksi peruslähestymistapaa.

Tykkimenetelmässä yksi subkriittinen massa ammutaan suurella nopeudella tavanomaisella tykillä toiseen subkriittiseen massaan.

Implosiotekniikassa räjäytetään tasaisesti reunalataus kemiallista räjähdysainetta tavalla, jonka tarkoituksena on puristaa subkriittinen massa suprakriittiseen tilaan. ²³⁵U-aseiden tapauksessa molemmat tekniikat ovat mahdollisia, mutta plutoniumaseiden tapauksessa spontaanisti halkeavan ²⁴⁰Pu:n läsnäolon vuoksi vain implosiotekniikka on toteutettavissa.

Vasemmalla: Kaavamaiset piirustukset kahdesta räjäytysmekanismista – Los Alamosista, vuoden 1943 alkupuolelta.

Vuonna 1939 Columbian yliopistossa New Yorkissa Fermin ja John Dunningin ryhmät suorittavat tutkimusta halkeamisen perusominaisuuksista rajatulla taloudellisella tuella Yhdysvaltain laivastolta. Siinä missä Fermi pyrki saavuttamaan ketjureaktiota luonnonuraanilla ja grafiittimoderaattoreilla, Dunning aloitti tutkimuksen ²³⁵U-isotoopin uraanin rikastamisesta. Princetonissa Niels Bohr ja John Wheeler kehittivät halkeamisen perusteoriankorostaen ²³⁵U:n merkitystä.

Vasemmalla: Fermi, Bohr ja Léon Rosenfeld Carnegie-laitoksessa vuonna 1939. Halkeaminen osoitettiin Terrestrial Magnetism -osastolla (DTM) 28. tammikuuta 1939.

Ranska

Pariisissa Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin ja Frédéric Joliot-Curie havaitsivat, että hitaat neutronit ovat tehokkaampia halkeamisten aikaansaamiseksi, ja aloittivat ensin vedyn ja sitten raskaan veden käytön halkeamisneutronien hidastamiseksi. Lokakuussa 1939 he saivat likimääräisen kaavan ketjureaktiosta laiksi, jonka he pitäisivät salassa toisen maailmansodan loppuun asti. Ranskan saksalaismiehityksen jälkeen von Halban ja Kowarski toivat raskaan vetensä Englantiin ja liittyivät brittiläiseen tutkimustiimiin. Joliot jatkoi tutkimuksiaan Ranskassa, missä hän osallistui vastarintaan natseja vastaan.

Oikealla: Hans von Halban, Lew Kowarski ja Frédéric Joliot-Curie, alkuvuosi 1939.

Saksa

Jo maaliskuusta 1939 lähtien Saksan hallitus alkoi kiinnostua ydinhalkeamisesta. Syyskuussa muodostettiin virallisesti uraaniprojekti Kurt Diebnerin vastuulla. Berliinin Dahlemin Kaiser-Wilhelm-fysiikan instituutista tuli tieteellinen keskus ja työtä tehtiin useissa instituuteissa eri puolilla Saksaa. Raskaan veden käyttö ja isotooppierottelu ovat tärkeimmät tutkimusaiheet. Heisenberg kehittää halkeamisteorian. Kesällä 1941 Leipzigissa on jo käynnissä subkriittinen raskasvedellä moderoitu pino. Fritz Houtermans määrittelee halkeamisen eri näkökohtia ja ehdottaa alkuaineen 94 (plutoniumin) käyttöä, jonka ²³⁸U tuottaa. Berliinissä rakennetaan suuri subkriittinen pino 500 l:lla raskasta vettä.

Vuonna 1942 Heisenberg oli vakuuttunut ydinaseen rakentamisen mahdottomuudesta ²³⁵U:n erottelun vaikeuksien vuoksi. 4.–6. kesäkuuta 1942 uraanikomitea esitti tulokset ministerille Albert Speerille ja marsalkka Erhard Milchille: päätettiin antaa etusija ydinvoiman tuotannolle. Harkittiin ydinmoottorin mahdollisuutta laivastolle ja talvella 1944 Dahlemiin rakennetaan suuri varasto, jossa on 1,5 t uraania ja 1,5 t raskasta vettä. Instituutin pommituksen jälkeen tutkimus siirretään luolaan Hechingenissä Baijerin alueella. Laitteet ja tiedemiehet otetaan Yhdysvaltain joukkojen vangiksi 22. huhtikuuta 1945.

Vasemmalla: Uraanilaboratorio Dahlemissa.

Neuvostoliitto

Kokeellinen ja teoreettinen tutkimus halkeamisesta alkoi välittömästi venäläisessä Leningradin kaupungissa (nykyisin tunnettu nimellä Pietari) ja Jakov Borisovitš Zeldovitšin ja Juli Haritonin perustavissa artikkeleissa vuosina 1939–40 hahmoteltiin halkeamisen ketjureaktiota koskevat perusperiaatteet.

Vuonna 1940 tiedeakatemian presidenttikunnalle esitettiin ohjelma halkeamisen hyödyntämiseksi. Leningradissa kesäkuussa 1941 Kurchatovin ryhmä aloittaa toiminnan vastikään rakennetulla syklotronilla. Saksan Venäjän invaasion aikana (kesäkuu 1941) Stalin kuitenkin pysäyttää halkeamistutkimuksen.

Heinäkuussa 1945 Stalin päätti käynnistää kriisiohjelma ydinvoiman kehittämiseksi Igor Kurchatovin johdolla. Salainen laboratorio (Arzamas-16) rakennettiin sotavankien toimesta lähellä Arzamasia, noin 400 km itään Moskovasta. Useat saksalaiset tiedemiehet ja saksalaisista laboratorioista peräisin olevat materiaalit auttoivat nopeuttamaan venäläistä projektia.

Oikealla: Kartta ensimmäisistä neuvostoliittolaisista ydintutkilaboratorioista.

Iso-Britannia: Frisch-Peierls-muistio

Britannian ydinaseohjelman alku oli seurausta Birminghamissa kahdesta pakolaisesta tehtyjen tutkimusten: saksalainen Rudolf Ernst Peierls ja itävaltalainen Otto Frisch. 19. maaliskuuta 1940 he esittivät Henry Tizardille, Imperial Collegen presidentille, kaksi luottamuksellista muistiota: "Radioaktiivisen 'superpommin' ominaisuuksista" ja "Uraanin ketjureaktioon perustuvan 'superpommin' rakentamisesta".

Muistiossaan he perustelevat räjähtävän ²³⁵U-ketjureaktiota nopeiden neutronien kanssa kriittisellä massalla, joka on vain 1 kg. He kuvaavat tykkien räjäytysmekanismin ja tutkivat aseen vaikutuksia ja vaativat käynnistämään tutkimusohjelman saksalaisten ydinkehitysten vastapainoksi.

Frisch-Peierls-muistio, joka teki uraaniaseen mahdollisuuden saavutettavaksi, vakuutti RAF:n käynnistämään vahvan tutkimusohjelman (MAUD-komitea) George Thompsonin johdolla ryhmillä Liverpoolissa (James Chadwick), Birminghamissa (Oliphant ja Peierls), Oxfordissa (isotooppierotteluun) ja Imperial Chemical Industriesissa.

Vasemmalla: Mark Oliphant Birminghamin fysiikan laitoksella vuonna 1941.

Ranskan kaatumisen jälkeen pariisilaistieteilijät toivat asiantuntemuksensa Yhdistyneeseen kuningaskuntaan raskaan vetensä kanssa. 7. heinäkuuta 1941 MAUD-komitea esitti hallitukselle yksityiskohtaisia asiakirjoja, joissa hahmotellaan halkeamisen sotilaalliset ja siviilisovellukset. Churchill antoi korkean prioriteetin molemmille tutkimusaloille; "Directorate Tube Alloys" perustettiin John Andersonin, neuvostonlord-presidentin, valvontaan. Vuoden 1941 loppuun mennessä brittiläinen ohjelma oli maailman edistynein.

Italia

Fermin perustama ja Edoardo Amaldin johtama ydinfy siikan ryhmä Roomassa Fermin lähdön jälkeen Yhdysvaltoihin vuonna 1939 erikoistui neutronien aiheuttamiin reaktioihin. Oli tärkeää tehdä tutkimusta halkeamisesta ymmärtääkseen, miksi ryhmä oli aiemmin sekoittanut tämän reaktion transuraanisten alkuaineiden tuotantoon vuonna 1936.

Vuonna 1941 Rooman ryhmä päätti kuitenkin lopettaa kaiken halkeamistutkimuksen sen sotilaallisten vaikutusten vuoksi.

Oikealla: 200 kV:n Cockcroft-Walton-protonikiihdy tin, jota Rooman ydinfy siikan ryhmä käytti vuodesta 1939 lähtien.

Yoshio Nishina aloitti ydinaseiden tutkimuksen kesällä 1940 Riken-laboratoriossa Tokiossa rajatulla tuella Japanin armeijalta. Kiotossa keisarillinen laivasto tuki Bunsaku Arakatun tutkimuksia. Laivaston ja ilmavoimien välinen kilpailu johti rajoitettuun edistykseen kevääseen 1943 asti, jolloin ensimmäiset erottelulaitokset valmistettiin. Projekti ei kuitenkaan koskaan saavuttanut tehokasta kokoa. Hiroshiman pommituksen jälkeen Nishina lensi kaupungin yli ja tunnisti ydiniskun kauhean luonteen.