Het verlies van de primaire rubberbronnen – plantages in het Verre Oosten – tijdens de Tweede Wereldoorlog zette aan tot noodprogramma's voor onderzoek naar en productie van synthetisch rubber om aan de behoeften van industrie en oorlogsinspanning te voldoen.

Nylon bleek een ander strategisch materiaal te zijn, dat diende als «kunstzijde» voor parachutes. In Duitsland bouwde I.G. Farben in Buna een grote fabriek die gebruik maakte van de slavenarbeid van de gevangenen van Auschwitz.

Duitsland legde grote nadruk op onderzoek en productie van nieuwe bommenwerpers en jagers. Ze waren de eersten die vliegtuigen met straalmotoren inzetten, later gevolgd door de Britse RAF. De Duitse V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) was een mijlpaal in de vooruitgang van de raketwetenschappen. Aangedreven door alcohol en vloeibare zuurstof was de V-2 het eerste ballistische projectiel, d.w.z. een zelfaangedreven raket die na lancering alleen een door de zwaartekracht bepaalde baan volgt. V-2's vlogen sneller dan het geluid, maar waren niet erg nauwkeurig. Bijvoorbeeld, bij een bereik van 320 km zou slechts een derde van de V-2's binnen 5 km van hun doel inslaan.

Afbeelding links: Een V-2 raket op zijn mobiel lanceerplatform Meillerwagen in 1943. Na de oorlog werden buitgemaakte V-2's uitgebreid bestudeerd door Sovjet- en Amerikaanse onderzoekers en hun technologie was het startpunt voor de ruimteprogramma's van de twee machten.

In 1940 organiseerde het luchtafweercommando van het Britse leger een groep wetenschappers onder de fysicus P.A.M. Blackett om het operationele gebruik van radar, geschut en mechanische rekenmachines voor luchtafweervuur te bestuderen. Bij de Admiraliteit van 1942 tot 1945 bewerkstelligde deze groep aanzienlijke verbetering in het gebruik van luchtgebonden radar voor het opsporen van Duitse onderzeeërs die koopvaardijschepen in de Atlantische Oceaan tot zinken brachten.

Uit hun werk ontwikkelde zich een nieuw wiskundig vakgebied – operationeel onderzoek genaamd – voor de behandeling van complexe optimalisatieproblemen. Operationeel onderzoek verplaatste zich in 1942 naar de VS, waar het voor militaire doeleinden werd ontwikkeld aan de Princeton University en het Massachusetts Institute of Technology.

De Tweede Wereldoorlog ziet ook de ontwikkeling en het eerste systematische gebruik van digitale computers om militaire problemen op te lossen. In Duitsland werd de computer van Konrad Zuse gebruikt voor de vliegtuigindustrie. In het VK werd de Colossus, de eerste elektronische digitale computer, ontwikkeld voor het kraken van Duitse codes. In de VS produceerden de elektromechanische Mark I van Harvard en de elektronische ENIAC van het Amerikaanse leger schietstabellen voor artillerie en andere militaire berekeningen. ENIAC werd ook gebruikt voor de ontwikkeling van de atoombom.

Afbeelding rechtsboven: Het houten apparaat op de voorgrond is een vierwierige Duitse Enigma-machine, gebruikt voor codering. De grote machine op de achtergrond is een «Bombe» die werd gebruikt voor het kraken van de code.

Het gebruik van radiogolven voor het detecteren en lokaliseren van objecten werd al in 1900 door Nikola Tesla voorgesteld. De militaire voordelen werden van kritiek belang tijdens de Tweede Wereldoorlog bij de luchtslag om Engeland en bij de operaties in de Stille Oceaan.
Een buis voor het opwekken van microgolfvermogen, fundamenteel voor het succes van radar, de holte-magnetron, werd rond 1940 in het VK ontwikkeld. Bij het Massachusetts Institute of Technology werd een speciaal Stralingslaboratorium opgericht, waar verschillende Amerikaanse fysici werden tewerkgesteld.

Afbeelding links: De SCR268 in gebruik in Italië in 1944. Dit type radar was een schijnwerperstype detector om luchtafweervuur te sturen. Afbeelding rechts: De Britse fysicus E.G. Bowen toont een magnetron aan Lee DuBridge en de fysicus I.I. Rabi in het Stralingslaboratorium in 1943.

De Duitse aanval van 1941 trof de militaire structuren van de Sovjet-Unie grotendeels onvoorbereid, waardoor een snelle invasie van Russische gebieden mogelijk werd. De Sovjet-industrie moest nieuwe wapensystemen produceren, en wetenschappers en wetenschappelijke instellingen werden geroepen om materialen te ontwikkelen voor tanks, vliegtuigen en wapentuig geschikt voor operaties in de extreme omstandigheden van de Russische winter.

De T-34 tank had een diepgaande en blijvende invloed op latere tankttactieken en ontwerpen. Voor het eerst ingezet in 1940, wordt het beschouwd als het meest effectieve, efficiënte en invloedrijke ontwerp van de Tweede Wereldoorlog.

Onmiddellijk na de waarneming door Otto Frisch en Lise Meitner van de grote energie die vrijkomt bij de splijting van uranium (december 1938) en de suggestie van Enrico Fermi over de mogelijkheid van een kettingreactie (januari 1939), werden de mogelijke militaire toepassingen van splijtingsprocessen duidelijk voor de gemeenschap van kernfysici. Leo Szilárd's voorstel om af te zien van het publiceren van nieuwe resultaten werd serieus overwogen, maar niet daadwerkelijk aanvaard. In het voorjaar van 1939 werden de regeringen of militaire autoriteiten van de VS, Duitsland, de Sovjet-Unie, Frankrijk en het VK op de hoogte gesteld van de mogelijke militaire toepassingen van kernsplijting.

Problemen: Timing – snelle neutronen

De bouw van een kernbom stelt echter volkomen andere problemen dan die betrokken bij de bouw van een kernreactor. Het fundamentele probleem is de noodzaak van gelijktijdige splitsingen van een enorm aantal kernen in een tijd die kort genoeg is om de verspreiding van het splijtbare materiaal door verhitting te voorkomen. Een explosie equivalent aan 20 kt chemisch explosief (TNT) vereist splijting van 1 kg ²³⁵U, wat een 80-voudige kettingreactie impliceert. Aangezien splijting plaatsvindt in ongeveer 10^-8 s, verloopt 80 neutronengeneraties in 0,8 microseconden. Neutronen hebben ongeveer 1 microseconde nodig om vertraagd te worden, en dus moet een bom werken met de snelle neutronen zoals ze worden geproduceerd, zonder moderator.

Kritieke massa van het splijtbare materiaal

Een groot deel van de neutronen die vrijkomen in het splijtingsproces hebben minder dan 1 MeV aan energie en kunnen dus de splijting van een ²³⁸U-kern niet inducteren. Kernwapens gebruiken daarom alleen ²³⁵U of ²³⁹Pu. De minimummassa hangt af van de zuiverheid van het splijtbare materiaal, maar kan aanzienlijk worden verminderd door de kern te omhullen met een laag zwaar materiaal – de tamper – die neutronen terugkaatst en de expansie van het actieve materiaal vertraagt. Een dikke U-tamper verlaagt bijvoorbeeld de kritieke massa van een bol zuiver ²³⁵U van 56 kg naar 15 kg en van ²³⁹Pu van 11 kg naar 5 kg.

Afbeelding rechts: Curven van kritieke massa's van ²³⁵U en ²³⁹Pu als functie van hun zuiverheid.

Bomontwerp

Om nuttig te zijn, moet een kernwapen veilig te hanteren zijn en zonder mankement werken. Het moet ook klein genoeg zijn om naar zijn doel te worden gebracht. Al deze conflicterende omstandigheden moeten worden bereikt, waarvoor de coöperatieve samenwerking van experts op vele gebieden vereist is. In het bijzonder omvat de benodigde wetenschappelijke kennis nauwkeurige bepaling van splijtingswaarschijnlijkheden en het gedrag van splijtbare materialen in functie van druk en temperatuur.

Detonatiemechanismen

Vóór het afvuren moet het actieve materiaal op zo'n manier worden voorbereid dat er geen kettingreactie kan ontstaan, rekening houdend met alle mogelijke neutronenbronnen. De handeling van het afvuren bestaat uit een volumetrische omschikking die de configuratie oplevert die nodig is voor een kettingreactie. Er zijn twee basisbenaderingen.

Bij de kanonmethode wordt een onderkritieke massa door een conventioneel geweer met hoge snelheid in een andere onderkritieke massa gestuurd.

De implosietechniek laat een perifere lading chemisch explosief gelijkmatig tot ontploffing komen op een manier die is ontworpen om een onderkritieke massa samen te persen tot een suprakritieke configuratie. Voor ²³⁵U-wapens zijn beide technieken mogelijk, maar voor plutoniumwapens, vanwege de aanwezigheid van spontaan splitsende ²⁴⁰Pu, is alleen de implosietechniek haalbaar.

Afbeelding links: Schematische tekeningen van de twee detonatiemechanismen – uit Los Alamos, begin 1943.

In 1939 wordt aan de Columbia University in New York onderzoek naar basiseigenschappen van splijting uitgevoerd door de groepen van Fermi en John Dunning met beperkte financiële steun van de Amerikaanse Marine. Terwijl Fermi ernaar streefde een kettingreactie te verkrijgen met natuurlijk uranium en grafietmoderatoren, begon Dunning met onderzoek naar uraanenrichment van het isotoop ²³⁵U. In Princeton ontwikkelen Niels Bohr en John Wheeler de basistheorie van splijting, waarbij ze het belang van ²³⁵U benadrukken.

Afbeelding links: Fermi, Bohr en Léon Rosenfeld bij de Carnegie Institution in 1939. Splijting werd gedemonstreerd bij het Department of Terrestrial Magnetism (DTM) op 28 januari 1939.

Frankrijk

In Parijs realiseerden Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin en Frédéric Joliot-Curie dat langzame neutronen effectiever zijn voor het produceren van splitsingen en begonnen ze eerst waterstof en dan zwaar water te gebruiken om de splijtingsneutronen te vertragen. In oktober 1939 verkregen ze een benaderende formule voor de wet van de kettingreactie, die ze geheim zouden houden tot het einde van de Tweede Wereldoorlog. Na de Duitse invasie van Frankrijk brachten von Halban en Kowarski hun zwaar water naar Engeland en sloten zich aan bij het Britse onderzoeksteam. Joliot zette zijn onderzoek voort in Frankrijk, waar hij deelnam aan het verzet tegen de nazi's.

Afbeelding rechts: Hans von Halban, Lew Kowarski en Frédéric Joliot-Curie, begin 1939.

Duitsland

Al vanaf maart 1939 begon de Duitse regering interesse te tonen voor kernsplijting. In september wordt formeel een Uraniumproject opgericht onder de verantwoordelijkheid van Kurt Diebner. Het Kaiser Wilhelm Institut für Physik in Berlijn-Dahlem wordt het wetenschappelijk centrum en er wordt gewerkt in verschillende instituten in heel Duitsland. Het gebruik van zwaar water en de isotoopscheiding zijn de belangrijkste onderzoeksthema's. Heisenberg ontwikkelt de theorie van splijting. In de zomer van 1941 in Leipzig is al een onderkritieke stapel met zwaarwatermoderator in werking. Fritz Houtermans definieert verschillende aspecten van de splijting en stelt het gebruik voor van element 94 (plutonium) dat door ²³⁸U wordt geproduceerd. In Berlijn wordt een grote onderkritieke stapel gebouwd met 500 l zwaar water.

In 1942 was Heisenberg overtuigd van de onmogelijkheid een kernwapen te bouwen, vanwege de moeilijkheden bij het scheiden van ²³⁵U. Op 4-6 juni 1942 presenteerde het Uraniumcomité zijn resultaten aan minister Albert Speer en maarschalk Erhard Milch: besloten werd prioriteit te geven aan de productie van kernenergie. De mogelijkheid van een kernmotor voor de Marine werd overwogen en in de winter van 1944 wordt in Dahlem een grote voorraad aangelegd met 1,5 t uranium en 1,5 t zwaar water. Na het bombardement van het instituut wordt het onderzoek overgebracht naar een grot in Hechingen in Beieren. De instrumenten en wetenschappers worden op 22 april 1945 gevangengenomen door Amerikaanse strijdkrachten.

Afbeelding links: Het uraniumlaboratorium in Dahlem.

De Sovjet-Unie

Experimenteel en theoretisch onderzoek naar splijting begon onmiddellijk in de Russische stad Leningrad (nu bekend als Sint-Petersburg) en in een reeks baanbrekende artikelen van Jakov Borissovitsj Zel'dovitsj en Joeli Chariton in 1939-40 werden de basisprincipes van de splijtingskettenreactie geschetst.

In 1940 werd een programma voor de exploitatie van splijting gepresenteerd aan het Presidium van de Academie van Wetenschappen. In Leningrad begint in juni 1941 de groep van Koertsjatov te werken met een nieuw gebouwd cyclotron. Tijdens de Duitse invasie van Rusland (juni 1941) stopte Stalin echter het splijtingsonderzoek.

In juli 1945 besloot Stalin onder de leiding van Igor Koertsjatov een noodprogramma te starten voor de ontwikkeling van kernenergie. Een geheim laboratorium (Arzamas-16) werd gebouwd door krijgsgevangenen nabij Arzamas, ongeveer 400 km ten oosten van Moskou. Verschillende Duitse wetenschappers en materialen uit Duitse laboratoria hielpen het Russische project te versnellen.

Afbeelding rechts: Kaart van de eerste Sovjet nucleaire laboratoria.

Groot-Brittannië: Het Frisch-Peierls memorandum

Het begin van het Britse programma op het gebied van kernwapens was het resultaat van het onderzoek dat in Birmingham werd uitgevoerd door twee vluchtelingen: de Duitser Rudolf Ernst Peierls en de Oostenrijker Otto Frisch. Op 19 maart 1940 presenteren ze aan Henry Tizard, president van het Imperial College, twee vertrouwelijke memoranda: «Over de eigenschappen van een radioactieve 'Superbom'» en «Over de constructie van een 'Superbom' gebaseerd op een nucleaire kettingreactie in uranium».

In hun memorandum beargumenteren ze de haalbaarheid van een explosieve snelle-neutronenkettingreactie van ²³⁵U met een kritieke massa van slechts 1 kg. Ze beschrijven het kanondetonatiemechanisme en onderzoeken de effecten van het wapen, en dringen aan op het starten van een onderzoeksprogramma om de Duitse nucleaire ontwikkelingen te counteren.

Het Frisch-Peierls memorandum, dat de mogelijkheid van een uraniumwapen bereikbaar maakte, overtuigde de RAF om een sterk onderzoeksprogramma te starten (het MAUD-comité) onder George Thompson met groepen in Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant en Peierls), Oxford (voor isotoopscheiding) en bij Imperial Chemical Industries.

Afbeelding links: Mark Oliphant bij het Birminghamse Natuurkundeafdeling in 1941.

Na de val van Frankrijk brachten de Parijse wetenschappers hun expertise naar het VK samen met hun zwaar water. Op 7 juli 1941 presenteerde het MAUD-comité gedetailleerde documenten aan de regering over de militaire en civiele toepassingen van splijting. Churchill gaf hoge prioriteit aan beide onderzoeksgebieden; de «Directorate Tube Alloys» werd opgericht onder de controle van John Anderson, Lord President of the Council. Eind 1941 was het Britse programma het meest geavanceerde ter wereld.

Italië

De kernfysicagroep in Rome, opgericht door Fermi en na Fermi's vertrek naar de VS in 1939 geleid door Edoardo Amaldi, had zich gespecialiseerd in door neutronen geïnduceerde reacties. Het was belangrijk om onderzoek naar splijting uit te voeren om te begrijpen waarom de groep deze reactie eerder had verward met de productie van transurane elementen in 1936.

In 1941 besloot de Romeinse groep echter alle splijtingsonderzoek te staken vanwege de militaire implicaties ervan.

Afbeelding rechts: De 200 kV Cockroft-Walton protonenversneller die vanaf 1939 door de kernfysicagroep in Rome werd gebruikt.

Yoshio Nishina begon in de zomer van 1940 met onderzoek naar kernwapens in het Riken-laboratorium in Tokio, met beperkte steun van het Japanse leger. In Kyoto ondersteunde de Keizerlijke Marine het onderzoek van Bunsaku Arakatsu. Concurrentie tussen de Marine en de Luchtmacht leidde tot beperkte vooruitgang tot het voorjaar van 1943, toen de eerste scheidingsinstallaties werden geproduceerd. Het project bereikte echter nooit een effectieve omvang. Na het bombardement van Hiroshima vloog Nishina over de stad en erkende de angstaanjagende aard van een nucleaire aanval.