La perdita delle fonti primarie di gomma – le piantagioni nell'Estremo Oriente – durante la Seconda guerra mondiale spinse a programmi urgenti di ricerca e produzione di gomma sintetica per soddisfare le esigenze dell'industria e dello sforzo bellico.

Il nylon si rivelò un altro materiale strategico, impiegato come «seta artificiale» per i paracadute. In Germania la I.G. Farben costruì a Buna un grande stabilimento sfruttando il lavoro forzato dei prigionieri di Auschwitz.

La Germania investì molto nella ricerca e produzione di nuovi bombardieri e caccia. Furono i primi a schierare aerei con motori a getto, seguiti in seguito dalla RAF britannica. Il V-2 tedesco (Vergeltungswaffen Zwei) fu una pietra miliare nel progresso della missilistica. Alimentato da alcol e ossigeno liquido, il V-2 era il primo missile balistico, ovvero un razzo autopropulso che dopo il lancio segue solo una traiettoria determinata dalla gravità. Il V-2 era più veloce della velocità del suono, ma non molto preciso. Per esempio, su una gittata di 320 km, solo un terzo dei V-2 colpiva entro 5 km dal bersaglio.

Immagine a sinistra: Un missile V-2 sul suo lanciatore mobile Meillerwagen nel 1943. Dopo la guerra, i V-2 catturati furono ampiamente studiati dai ricercatori sovietici e americani e la loro tecnologia fu il punto di partenza per i programmi spaziali delle due potenze.

Nel 1940 il comando antiaereo dell'esercito britannico organizzò un gruppo di scienziati sotto la guida del fisico P.A.M. Blackett per studiare l'impiego operativo di radar, cannoni e calcolatrici meccaniche per il fuoco contraereo. All'Ammiragliato dal 1942 al 1945, questo gruppo apportò significativi miglioramenti nell'uso del radar aereo per individuare i sottomarini tedeschi che affondavano le navi mercantili nell'Atlantico.

Dal loro lavoro si sviluppò un nuovo campo della matematica – chiamato ricerca operativa – per trattare complessi problemi di ottimizzazione. La ricerca operativa si trasferì nel 1942 negli USA, dove fu sviluppata per scopi militari all'Università di Princeton e al Massachusetts Institute of Technology.

La Seconda guerra mondiale vide anche lo sviluppo e il primo uso sistematico di computer digitali per risolvere problemi militari. In Germania il computer di Konrad Zuse fu usato per l'industria aeronautica. In Gran Bretagna il Colossus, il primo computer digitale elettronico, fu sviluppato per decifrare i codici tedeschi. Negli USA il Mark I elettromeccanico di Harvard e l'ENIAC elettronico dell'esercito americano producevano tavole di tiro per l'artiglieria e altri calcoli militari. L'ENIAC fu usato anche per lo sviluppo della bomba atomica.

Immagine in alto a destra: Il dispositivo in legno in primo piano è una macchina Enigma tedesca a quattro rotori, usata per la codifica. La grande macchina sullo sfondo è una «Bombe» usata per decifrare il codice.

L'uso delle onde radio per rilevare e localizzare oggetti fu suggerito già nel 1900 da Nikola Tesla. I vantaggi militari divennero di importanza critica durante la Seconda guerra mondiale nella battaglia aerea d'Inghilterra e nelle operazioni nell'Oceano Pacifico.
Un tubo per generare potenza a microonde, fondamentale per il successo del radar, il magnetron a cavità, fu sviluppato nel Regno Unito intorno al 1940. Al Massachusetts Institute of Technology fu creato un Laboratorio di Radiazioni dedicato, dove furono impiegati diversi fisici americani.

Immagine a sinistra: L'SCR268 in uso in Italia nel 1944. Questo tipo di radar era un rivelatore di tipo riflettore per dirigere il fuoco contraereo. Immagine a destra: Il fisico britannico E.G. Bowen mostra un magnetron a Lee DuBridge e al fisico I.I. Rabi presso il Laboratorio di Radiazioni nel 1943.

L'attacco tedesco del 1941 colse le strutture militari dell'Unione Sovietica in gran parte impreparate, permettendo una rapida invasione dei territori russi. L'industria sovietica dovette produrre nuovi sistemi d'arma e scienziati e istituzioni scientifiche furono chiamati a sviluppare materiali per carri armati, aerei e armamenti adatti alle operazioni nelle condizioni estreme dell'inverno russo.

Il carro armato T-34 ebbe un'influenza profonda e duratura sulle successive tattiche e design dei carri. Dispiegato per la prima volta nel 1940, è considerato il progetto più efficace, efficiente e influente della Seconda guerra mondiale.

Immediatamente dopo l'osservazione da parte di Otto Frisch e Lise Meitner della grande energia rilasciata nella fissione dell'uranio (dicembre 1938) e la proposta di Enrico Fermi sulla possibilità di una reazione a catena (gennaio 1939), i possibili usi militari dei processi di fissione divennero evidenti alla comunità dei fisici nucleari. La proposta di Leo Szilárd di astenersi dal pubblicare nuovi risultati fu seriamente considerata, ma non effettivamente accettata. Nella primavera del 1939 i governi, o le autorità militari, di USA, Germania, Unione Sovietica, Francia e Regno Unito furono resi consapevoli delle possibili applicazioni militari della fissione nucleare.

Problemi: Tempo – neutroni veloci

Tuttavia, la costruzione di una bomba nucleare presenta problemi estremamente diversi da quelli implicati nella costruzione di un reattore nucleare. Il problema fondamentale è la necessità di fissioni simultanee di un numero enorme di nuclei in un tempo sufficientemente breve da impedire la dispersione del materiale fissile dovuta al riscaldamento. Un'esplosione equivalente a 20 kt di esplosivo chimico (TNT) richiede la fissione di 1 kg di ²³⁵U, il che implica una reazione a catena lunga 80 passaggi. Poiché la fissione avviene in circa 10^-8 s, 80 generazioni di neutroni passano in 0,8 microsecondi. I neutroni hanno bisogno di circa 1 microsecondo per essere rallentati, e quindi una bomba deve operare con i neutroni veloci così come vengono prodotti, senza moderatore.

Massa Critica del Materiale Fissile

Una grande frazione dei neutroni rilasciati nel processo di fissione ha meno di 1 MeV di energia e non è quindi in grado di indurre la fissione di un nucleo di ²³⁸U. Pertanto, le armi nucleari usano solo ²³⁵U o ²³⁹Pu. La massa minima dipende dalla purezza del materiale fissile, ma può essere notevolmente ridotta circondando il nucleo con uno strato di materiale pesante – il tamper – che riflette indietro i neutroni e ritarda l'espansione del materiale attivo. Per esempio, un tamper di U spesso riduce la massa critica di una sfera di ²³⁵U puro da 56 kg a 15 kg e di ²³⁹Pu da 11 kg a 5 kg.

Immagine a destra: Curve delle masse critiche di ²³⁵U e ²³⁹Pu in funzione della loro purezza.

Progettazione della bomba

Per essere utile, un'arma nucleare deve essere facile da maneggiare in sicurezza e deve funzionare senza guasti. Deve anche essere abbastanza piccola da essere consegnata al bersaglio. Tutte queste condizioni contrastanti devono essere soddisfatte, richiedendo la collaborazione cooperativa di esperti in molti campi. In particolare, le conoscenze scientifiche necessarie comprendono la determinazione precisa delle probabilità di fissione e del comportamento dei materiali fissili in funzione della pressione e della temperatura.

Meccanismi di detonazione

Prima dello sparo, il materiale attivo deve essere preparato in modo tale che una reazione a catena non possa svilupparsi, tenendo conto di tutte le possibili sorgenti di neutroni. L'atto di sparo consiste in un riarrangiamento volumetrico che garantisce la configurazione necessaria per una reazione a catena. Esistono due approcci di base.

Nella tecnica del cannone, una massa subcritica viene propulsa da un cannone convenzionale ad alta velocità in un'altra massa subcritica.

La tecnica dell'implosione fa detonare uniformemente una carica periferica di esplosivo chimico in un modo progettato per comprimere una massa subcritica in una configurazione supercritica. Per le armi a ²³⁵U entrambe le tecniche sono possibili, ma per le armi al plutonio, a causa della presenza del ²⁴⁰Pu che fissiona spontaneamente, solo la tecnica dell'implosione è praticabile.

Immagine a sinistra: Disegni schematici dei due meccanismi di detonazione – da Los Alamos, inizio 1943.

Nel 1939, alla Columbia University di New York, la ricerca sulle proprietà fondamentali della fissione è condotta dai gruppi di Fermi e John Dunning con limitato supporto finanziario dalla Marina degli USA. Mentre Fermi mirava a ottenere una reazione a catena con uranio naturale e moderatori in grafite, Dunning iniziò ricerche sull'arricchimento dell'uranio con l'isotopo ²³⁵U. A Princeton, Niels Bohr e John Wheeler sviluppano la teoria di base della fissione, sottolineando l'importanza del ²³⁵U.

Immagine a sinistra: Fermi, Bohr e Léon Rosenfeld alla Carnegie Institution nel 1939. La fissione fu dimostrata al Department of Terrestrial Magnetism (DTM) il 28 gennaio 1939.

Francia

A Parigi, Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin e Frédéric Joliot-Curie si resero conto che i neutroni lenti sono più efficaci per produrre fissioni e cominciarono a usare prima l'idrogeno e poi l'acqua pesante per rallentare i neutroni di fissione. Nell'ottobre 1939 ottennero una formula approssimativa per la legge della reazione a catena, che terranno segreta fino alla fine della Seconda guerra mondiale. Dopo l'invasione tedesca della Francia, von Halban e Kowarski portarono la loro acqua pesante in Inghilterra e si unirono al team di ricerca britannico. Joliot continuò le sue ricerche in Francia, dove prese parte alla resistenza contro i nazisti.

Immagine a destra: Hans von Halban, Lew Kowarski e Frédéric Joliot-Curie, inizio 1939.

Germania

Già dal marzo 1939 il governo tedesco cominciò a interessarsi alla fissione nucleare. In settembre viene formalmente costituito un Progetto Uranio sotto la responsabilità di Kurt Diebner. Il Kaiser Wilhelm Institut für Physik di Berlino-Dahlem diventa il centro scientifico e il lavoro si svolge in diversi istituti in tutta la Germania. L'uso dell'acqua pesante e la separazione isotopica sono i principali temi di ricerca. Heisenberg sviluppa la teoria della fissione. Nell'estate del 1941 a Lipsia è già in funzione una pila subcritica moderata ad acqua pesante. Fritz Houtermans definisce vari aspetti della fissione e suggerisce l'uso dell'elemento 94 (plutonio) prodotto dal ²³⁸U. A Berlino viene costruita una grande pila subcritica usando 500 l di acqua pesante.

Nel 1942 Heisenberg era convinto dell'impossibilità di costruire un'arma nucleare, a causa delle difficoltà di separazione del ²³⁵U. Dal 4 al 6 giugno 1942 il Comitato Uranio presentò i suoi risultati al ministro Albert Speer e al maresciallo Erhard Milch: fu deciso di dare priorità alla produzione di energia nucleare. Si considerò la possibilità di un motore nucleare per la Marina e nell'inverno del 1944 a Dahlem viene costruito un grande stockpile con 1,5 t di uranio e 1,5 t di acqua pesante. Dopo il bombardamento dell'istituto, la ricerca viene trasferita in una caverna a Hechingen in Baviera. Gli strumenti e gli scienziati saranno catturati dalle forze americane il 22 aprile 1945.

Immagine a sinistra: Il laboratorio dell'uranio a Dahlem.

L'Unione Sovietica

La ricerca sperimentale e teorica sulla fissione iniziò immediatamente nella città russa di Leningrado (ora nota come San Pietroburgo) e in una serie di articoli fondamentali di Yakov Borisovich Zel'dovich e Yuli Khariton nel 1939-40 furono delineati i principi di base della reazione a catena di fissione.

Nel 1940, un programma per lo sfruttamento della fissione fu presentato al Presidium dell'Accademia delle Scienze. A Leningrado nel giugno 1941 il gruppo di Kurchatov inizia l'attività con un ciclotrone di nuova costruzione. Tuttavia, durante l'invasione tedesca della Russia (giugno 1941) Stalin ferma la ricerca sulla fissione.

Nel luglio 1945 Stalin decise di avviare un programma d'urgenza per sviluppare l'energia nucleare sotto la guida di Igor Kurchatov. Un laboratorio segreto (Arzamas-16) fu costruito da prigionieri di guerra vicino ad Arzamas, a circa 400 km a est di Mosca. Diversi scienziati tedeschi e materiali provenienti da laboratori tedeschi aiutarono ad accelerare il progetto russo.

Immagine a destra: Mappa dei primi laboratori nucleari sovietici.

Gran Bretagna: Il memorandum Frisch-Peierls

L'inizio del programma britannico sulle armi nucleari fu il risultato della ricerca svolta a Birmingham da due rifugiati: il tedesco Rudolf Ernst Peierls e l'austriaco Otto Frisch. Il 19 marzo 1940 presentarono a Henry Tizard, presidente dell'Imperial College, due memoranda riservati: «Sulle proprietà di una 'Superbomba' radioattiva» e «Sulla costruzione di una 'Superbomba' basata su una reazione a catena nucleare nell'uranio».

Nel loro memorandum sostengono la fattibilità di una reazione a catena esplosiva a neutroni veloci di ²³⁵U con una massa critica di soli 1 kg. Descrivono il meccanismo di detonazione a cannone, esplorano gli effetti dell'arma e insistono sull'avvio di un programma di ricerca per contrastare gli sviluppi nucleari tedeschi.

Il memorandum Frisch-Peierls, che rendeva accessibile la prospettiva di un'arma all'uranio, convinse la RAF a lanciare un forte programma di ricerca (il Comitato MAUD) sotto George Thompson con gruppi a Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant e Peierls), Oxford (per la separazione isotopica) e alla Imperial Chemical Industries.

Immagine a sinistra: Mark Oliphant al Dipartimento di Fisica di Birmingham nel 1941.

Dopo la caduta della Francia, gli scienziati parigini portarono la loro competenza nel Regno Unito insieme alla loro acqua pesante. Il 7 luglio 1941 il Comitato MAUD presentò al Governo documenti dettagliati che descrivevano gli usi militari e civili della fissione. Churchill diede alta priorità a entrambe le aree di ricerca; il «Directorate Tube Alloys» fu creato sotto il controllo di John Anderson, Lord President of the Council. Entro la fine del 1941 il programma britannico era il più avanzato al mondo.

Italia

Il gruppo di fisica nucleare a Roma, fondato da Fermi e guidato da Edoardo Amaldi dopo la partenza di Fermi per gli USA nel 1939, si era specializzato nelle reazioni indotte dai neutroni. Era importante condurre ricerche sulla fissione per capire perché il gruppo aveva in precedenza confuso questa reazione con la produzione di elementi transuranici nel 1936.

Tuttavia, nel 1941 il gruppo romano decise di cessare tutte le ricerche sulla fissione a causa delle sue implicazioni militari.

Immagine a destra: L'acceleratore di protoni Cockroft-Walton da 200 kV in uso dal 1939 dal gruppo di fisica nucleare di Roma.

Yoshio Nishina iniziò la ricerca sulle armi nucleari nell'estate del 1940 presso il laboratorio Riken di Tokyo, con un supporto limitato dall'esercito giapponese. A Kyoto, la Marina imperiale sostenne la ricerca di Bunsaku Arakatsu. La competizione tra la Marina e l'Aeronautica portò a progressi limitati fino alla primavera del 1943, quando furono prodotti i primi impianti di separazione. Tuttavia, il progetto non raggiunse mai una dimensione efficace. Dopo il bombardamento di Hiroshima, Nishina sorvolò la città e riconobbe la terrificante natura di un attacco nucleare.