Η απώλεια των κύριων πηγών καουτσούκ – φυτειών στην Άπω Ανατολή – κατά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο οδήγησε σε επείγοντα προγράμματα έρευνας και παραγωγής συνθετικού καουτσούκ για να καλυφθούν οι ανάγκες της βιομηχανίας και της πολεμικής προσπάθειας.
Το νάιλον αποδείχθηκε άλλο ένα στρατηγικό υλικό, χρησιμεύοντας ως «τεχνητό μετάξι» για αλεξίπτωτα. Στη Γερμανία χτίστηκε ένα μεγάλο εργοστάσιο από την I.G. Farben στη Μπούνα, εκμεταλλευόμενο τη δουλεία των κρατουμένων του Άουσβιτς.
Η Γερμανία έδωσε μεγάλη έμφαση στην έρευνα και παραγωγή νέων βομβαρδιστικών και μαχητικών. Ήταν οι πρώτοι που ανέπτυξαν αεροπλάνα με κινητήρες αεριοστρόβιλου, ακολουθούμενοι αργότερα από τη βρετανική RAF. Ο γερμανικός V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) ήταν ορόσημο στην πρόοδο της πυραυλικής. Κινούμενο από αλκοόλη και υγρό οξυγόνο, το V-2 ήταν ο πρώτος βαλλιστικός πύραυλος, δηλαδή ένας αυτοκινούμενος πύραυλος που μετά την εκτόξευση ακολουθεί μόνο μια τροχιά που καθορίζεται από τη βαρύτητα. Το V-2 πήγαινε γρηγορότερα από την ταχύτητα του ήχου, αλλά δεν ήταν πολύ ακριβές. Για παράδειγμα, σε εμβέλεια 320 χλμ, μόνο το ένα τρίτο των V-2 θα χτυπούσαν εντός 5 χλμ από τον στόχο τους.
Εικόνα αριστερά: Ένας πύραυλος V-2 στο κινητό εκτοξευτήριό του Meillerwagen το 1943. Μετά τον πόλεμο, τα κατασχεθέντα V-2 μελετήθηκαν εκτενώς από σοβιετικούς και αμερικανούς ερευνητές και η τεχνολογία τους ήταν το σημείο εκκίνησης για τα διαστημικά προγράμματα των δύο δυνάμεων.Το 1940, η αντιαεροπορική διοίκηση του βρετανικού στρατού οργάνωσε μια ομάδα επιστημόνων υπό τον φυσικό Π.Α.Μ. Μπλάκετ για να μελετήσουν τη λειτουργική χρήση ραντάρ, πυροβόλων και μηχανικών υπολογιστών για αντιαεροπορικά πυρά. Στο Ναυαρχείο από το 1942 έως το 1945, αυτή η ομάδα επέφερε σημαντική βελτίωση στη χρήση αεροπορικού ραντάρ για τον εντοπισμό γερμανικών υποβρυχίων που βυθίζανε εμπορικά πλοία στον Ατλαντικό.
Από την εργασία τους αναδύθηκε ένας νέος τομέας των μαθηματικών – που ονομάζεται επιχειρησιακή έρευνα – για την αντιμετώπιση σύνθετων προβλημάτων βελτιστοποίησης. Η επιχειρησιακή έρευνα μεταφέρθηκε το 1942 στις ΗΠΑ, όπου αναπτύχθηκε για στρατιωτικούς σκοπούς στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και στο Μassachusetts Institute of Technology.
Ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος βλέπει επίσης την ανάπτυξη και την πρώτη συστηματική χρήση ψηφιακών υπολογιστών για την επίλυση στρατιωτικών προβλημάτων. Στη Γερμανία, ο υπολογιστής του Κόνραντ Τσούζε χρησιμοποιήθηκε για την αεροπορική βιομηχανία. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, το Colossus, ο πρώτος ηλεκτρονικός ψηφιακός υπολογιστής, αναπτύχθηκε για την αποκρυπτογράφηση γερμανικών κωδίκων. Στις ΗΠΑ, ο ηλεκτρομηχανικός Mark I του Χάρβαρντ και ο ηλεκτρονικός ENIAC του αμερικανικού στρατού παρήγαγαν πίνακες βολής για πυροβολικό και άλλους στρατιωτικούς υπολογισμούς. Το ENIAC χρησιμοποιήθηκε επίσης για την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας.
Εικόνα πάνω δεξιά: Η ξύλινη συσκευή στο προσκήνιο είναι μια τετράτροχη γερμανική μηχανή Enigma, που χρησιμοποιούνταν για κρυπτογράφηση. Η μεγάλη μηχανή στο παρασκήνιο είναι μια «Bombe» που χρησιμοποιούνταν για την αποκρυπτογράφηση του κώδικα.Η χρήση ραδιοκυμάτων για την ανίχνευση και τον εντοπισμό αντικειμένων προτάθηκε ήδη από το 1900 από τον Νίκολα Τέσλα. Τα στρατιωτικά πλεονεκτήματα έγιναν κρίσιμης σημασίας κατά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο στην εναέρια μάχη της Αγγλίας και στις επιχειρήσεις του Ειρηνικού Ωκεανού.
Μια λυχνία για τη δημιουργία μικροκυματικής ισχύος, θεμελιώδης για την επιτυχία του ραντάρ, ο μαγνητρόνιο κοιλότητας, αναπτύχθηκε στο ΗΒ γύρω στο 1940. Ένα αφιερωμένο Εργαστήριο Ακτινοβολίας δημιουργήθηκε στο Massachusetts Institute of Technology, όπου εργάζονταν αρκετοί Αμερικανοί φυσικοί.

Η γερμανική επίθεση του 1941 βρήκε τις στρατιωτικές δομές της Σοβιετικής Ένωσης σε μεγάλο βαθμό απροετοίμαστες, επιτρέποντας μια ταχεία εισβολή σε ρωσικά εδάφη. Η σοβιετική βιομηχανία έπρεπε να παράγει νέα οπλικά συστήματα, και επιστήμονες και επιστημονικά ιδρύματα κλήθηκαν να αναπτύξουν υλικά για άρματα μάχης, αεροσκάφη και οπλισμό κατάλληλο για επιχειρήσεις στις ακραίες συνθήκες του ρωσικού χειμώνα.
Το άρμα Τ-34 είχε βαθιά και διαρκή επιρροή στις μεταγενέστερες τακτικές και σχεδιασμό αρμάτων. Αναπτυσσόμενο για πρώτη φορά το 1940, θεωρείται ο πιο αποτελεσματικός, αποδοτικός και επιδραστικός σχεδιασμός του Δεύτερου Παγκοσμίου Πολέμου.Αμέσως μετά την παρατήρηση από τον Όττο Φριτς και τη Λίζε Μάιτνερ της μεγάλης ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη σχάση ουρανίου (Δεκέμβριος 1938) και της πρότασης του Ενρίκο Φέρμι για τη δυνατότητα αλυσιδωτής αντίδρασης (Ιανουάριος 1939), οι πιθανές στρατιωτικές χρήσεις των διαδικασιών σχάσης έγιναν εμφανείς στην κοινότητα των πυρηνικών φυσικών. Η πρόταση του Λέο Σίλαρντ να απέχουν από τη δημοσίευση νέων αποτελεσμάτων εξετάστηκε σοβαρά, αλλά δεν έγινε πραγματικά αποδεκτή. Την άνοιξη του 1939, οι κυβερνήσεις ή στρατιωτικές αρχές των ΗΠΑ, Γερμανίας, Σοβιετικής Ένωσης, Γαλλίας και ΗΒ ενημερώθηκαν για τις πιθανές στρατιωτικές εφαρμογές της πυρηνικής σχάσης.
Προβλήματα: Χρονισμός – γρήγορα νετρόνια
Ωστόσο, η κατασκευή μιας πυρηνικής βόμβας παρουσιάζει εντελώς διαφορετικά προβλήματα από εκείνα που εμπλέκονται στην κατασκευή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα. Το θεμελιώδες πρόβλημα είναι η αναγκαιότητα ταυτόχρονων σχάσεων τεράστιου αριθμού πυρήνων σε χρόνο αρκετά σύντομο ώστε να αποτραπεί η διασπορά του σχαστικού υλικού λόγω θέρμανσης. Μια έκρηξη ισοδύναμη με 20 kt χημικού εκρηκτικού (TNT) απαιτεί σχάση 1 kg 235U, που συνεπάγεται 80-πλάσια αλυσιδωτή αντίδραση. Καθώς η σχάση συμβαίνει σε περίπου 10-8 s, 80 γενιές νετρονίων περνούν σε 0,8 μικροδευτερόλεπτα. Τα νετρόνια χρειάζονται περίπου 1 μικροδευτερόλεπτο για να επιβραδυνθούν και επομένως μια βόμβα πρέπει να λειτουργεί με τα γρήγορα νετρόνια όπως παράγονται, χωρίς συντονιστή.
Κρίσιμη μάζα σχαστικού υλικού
Ένα μεγάλο κλάσμα των νετρονίων που απελευθερώνονται στη διαδικασία σχάσης έχουν ενέργεια κάτω από 1 MeV και άρα δεν μπορούν να επάγουν τη σχάση ενός πυρήνα 238U. Επομένως, τα πυρηνικά όπλα χρησιμοποιούν μόνο 235U ή 239Pu. Η ελάχιστη μάζα εξαρτάται από την καθαρότητα του σχαστικού υλικού, αλλά μπορεί να μειωθεί σημαντικά περιβάλλοντας τον πυρήνα με ένα στρώμα βαρέος υλικού – το tamper – που ανακλά νετρόνια πίσω και καθυστερεί την εκτόνωση του ενεργού υλικού. Για παράδειγμα, ένα παχύ U tamper μειώνει την κρίσιμη μάζα μιας σφαίρας καθαρού 235U από 56 kg σε 15 kg και του 239Pu από 11 kg σε 5 kg.
Εικόνα δεξιά: Καμπύλες κρίσιμων μαζών 235U και 239Pu ως συνάρτηση της καθαρότητάς τους.Σχεδιασμός βόμβας
Για να είναι χρήσιμο, ένα πυρηνικό όπλο πρέπει να είναι εύκολο να χειρίζεται με ασφάλεια και να λειτουργεί αξιόπιστα. Πρέπει επίσης να είναι αρκετά μικρό ώστε να μεταφερθεί στον στόχο του. Όλες αυτές οι αντικρουόμενες συνθήκες πρέπει να επιτευχθούν, απαιτώντας τη συνεργατική συνεργασία εμπειρογνωμόνων σε πολλούς τομείς. Ειδικότερα, οι απαραίτητες επιστημονικές γνώσεις περιλαμβάνουν την ακριβή προσδιορισμό των πιθανοτήτων σχάσης και της συμπεριφοράς των σχαστικών υλικών σε συνάρτηση με την πίεση και τη θερμοκρασία.
Μηχανισμοί ανατίναξης
Πριν την ανατίναξη, το ενεργό υλικό πρέπει να προετοιμαστεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μην μπορεί να αναπτυχθεί αλυσιδωτή αντίδραση, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις πιθανές πηγές νετρονίων. Η πράξη της ανατίναξης συνίσταται σε μια ογκομετρική αναδιάταξη που εξασφαλίζει τη διαμόρφωση που είναι απαραίτητη για μια αλυσιδωτή αντίδραση. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις.
Στην τεχνική κανονιού, μια υποκρίσιμη μάζα εκτοξεύεται από ένα συμβατικό πυροβόλο υψηλής ταχύτητας σε μια άλλη υποκρίσιμη μάζα.
Η τεχνική έκρηξης από ένθετα εκρηκτικά ανατινάζει ομοιόμορφα μια περιφερειακή φόρτωση χημικού εκρηκτικού με τρόπο σχεδιασμένο να συμπιέσει μια υποκρίσιμη μάζα σε υπερκρίσιμη διαμόρφωση. Για όπλα 235U και οι δύο τεχνικές είναι δυνατές, αλλά για όπλα πλουτωνίου, λόγω της παρουσίας του αυτόματα σχαστικού 240Pu, μόνο η τεχνική έκρηξης από ένθετα εκρηκτικά είναι εφικτή.
Εικόνα αριστερά: Σχηματικά σχέδια των δύο μηχανισμών ανατίναξης – από τα Λος Άλαμος, αρχές 1943.
Το 1939, στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, η έρευνα για βασικές ιδιότητες σχάσης διεξάγεται από τις ομάδες των Φέρμι και Τζον Ντάνινγκ με περιορισμένη οικονομική στήριξη από το αμερικανικό ναυτικό. Ενώ ο Φέρμι στόχευε στην επίτευξη αλυσιδωτής αντίδρασης με φυσικό ουράνιο και συντονιστές γραφίτη, ο Ντάνινγκ άρχισε έρευνα για τον εμπλουτισμό του ουρανίου του ισοτόπου 235U. Στο Πρίνστον, ο Νιλς Μπορ και ο Τζον Γουίλερ αναπτύσσουν τη βασική θεωρία σχάσης, τονίζοντας τη σημασία του 235U.
Εικόνα αριστερά: Φέρμι, Μπορ και Λεόν Ρόζενφελντ στο Carnegie Institution το 1939. Η σχάση αποδείχθηκε στο Department of Terrestrial Magnetism (DTM) στις 28 Ιανουαρίου 1939.Γαλλία
Στο Παρίσι, ο Χανς φον Χαλμπάν, ο Λεβ Κοβάρσκι, ο Φράνσις Περέν και ο Φρεντερίκ Ζολιό-Κιουρί συνειδητοποίησαν ότι τα αργά νετρόνια είναι πιο αποτελεσματικά για την παραγωγή σχάσεων και άρχισαν να χρησιμοποιούν πρώτα υδρογόνο και στη συνέχεια βαρύ νερό για να επιβραδύνουν τα νετρόνια σχάσης. Τον Οκτώβριο του 1939 λαμβάνουν μια κατά προσέγγιση φόρμουλα για τον νόμο της αλυσιδωτής αντίδρασης, την οποία θα κρατήσουν μυστική έως το τέλος του Δεύτερου Παγκοσμίου Πολέμου. Μετά τη γερμανική εισβολή στη Γαλλία, ο φον Χαλμπάν και ο Κοβάρσκι έφεραν το βαρύ νερό τους στην Αγγλία και εντάχθηκαν στη βρετανική ερευνητική ομάδα. Ο Ζολιό συνέχισε τις έρευνές του στη Γαλλία, όπου συμμετείχε στην αντίσταση κατά των Ναζί.
Γερμανία
Ήδη από τον Μάρτιο του 1939, η γερμανική κυβέρνηση άρχισε να ενδιαφέρεται για την πυρηνική σχάση. Τον Σεπτέμβριο συγκροτείται επίσημα ένα Πρόγραμμα Ουρανίου υπό την ευθύνη του Κουρτ Ντίμπνερ. Το Kaiser Wilhelm Institut für Physik στο Βερολίνο-Ντάλεμ γίνεται το επιστημονικό κέντρο και εργασία εκτελείται σε πολλά ιδρύματα σε όλη τη Γερμανία. Η χρήση βαρέος νερού και ο ισοτοπικός διαχωρισμός είναι τα κύρια ερευνητικά θέματα. Ο Χάιζενμπεργκ αναπτύσσει τη θεωρία σχάσης. Το καλοκαίρι του 1941 στη Λειψία λειτουργεί ήδη υποκρίσιμος σωρός με συντονιστή βαρέος νερού. Ο Φριτς Χούτερμανς ορίζει διάφορες πτυχές της σχάσης και προτείνει τη χρήση του στοιχείου 94 (πλουτωνίου) που παράγεται από 238U. Στο Βερολίνο κατασκευάζεται μεγάλος υποκρίσιμος σωρός με 500 l βαρέος νερού.
Το 1942 ο Χάιζενμπεργκ ήταν πεπεισμένος για την αδυναμία κατασκευής πυρηνικού όπλου, λόγω των δυσκολιών διαχωρισμού του 235U. Από 4 έως 6 Ιουνίου 1942, η Επιτροπή Ουρανίου παρουσίασε τα αποτελέσματά της στον υπουργό Άλμπερτ Σπέερ και τον Στρατάρχη Έρχαρντ Μίλχ: αποφασίστηκε να δοθεί προτεραιότητα στην παραγωγή πυρηνικής ενέργειας. Εξετάστηκε η δυνατότητα πυρηνικού κινητήρα για το Ναυτικό και τον χειμώνα του 1944 στο Ντάλεμ δημιουργείται μεγάλο απόθεμα με 1,5 τ ουρανίου και 1,5 τ βαρέος νερού. Μετά τον βομβαρδισμό του ιδρύματος, η έρευνα μεταφέρεται σε μια σπηλιά στο Χέχινγκεν της Βαυαρίας. Τα όργανα και οι επιστήμονες θα αιχμαλωτιστούν από αμερικανικές δυνάμεις στις 22 Απριλίου 1945.
Εικόνα αριστερά: Το εργαστήριο ουρανίου στο Ντάλεμ.Η Σοβιετική Ένωση
Πειραματική και θεωρητική έρευνα για τη σχάση ξεκίνησε αμέσως στη ρωσική πόλη του Λένινγκραντ (τώρα γνωστή ως Αγία Πετρούπολη) και σε μια σειρά από θεμελιώδη άρθρα των Γιάκοβ Μπορίσοβιτς Ζελ'ντόβιτς και Γιούλι Χαρίτον το 1939-40 ορίστηκαν οι βασικές αρχές της αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης.
Το 1940, ένα πρόγραμμα για την εκμετάλλευση της σχάσης παρουσιάστηκε στο Προεδρείο της Ακαδημίας Επιστημών. Στο Λένινγκραντ, τον Ιούνιο του 1941, η ομάδα του Κουρτσάτοφ αρχίζει λειτουργία με ένα νεοκατασκευασμένο κυκλοτρόνιο. Ωστόσο, κατά τη γερμανική εισβολή στη Ρωσία (Ιούνιος 1941) ο Στάλιν σταματά την έρευνα σχάσης.
Τον Ιούλιο του 1945, ο Στάλιν αποφάσισε να ξεκινήσει ένα επείγον πρόγραμμα για την ανάπτυξη πυρηνικής ενέργειας υπό την ηγεσία του Ίγκορ Κουρτσάτοφ. Ένα μυστικό εργαστήριο (Αρζαμάς-16) κατασκευάστηκε από αιχμαλώτους πολέμου κοντά στο Αρζαμάς, περίπου 400 χλμ ανατολικά της Μόσχας. Αρκετοί γερμανοί επιστήμονες και υλικά από γερμανικά εργαστήρια βοήθησαν στην επιτάχυνση του ρωσικού έργου.
Εικόνα δεξιά: Χάρτης των πρώτων σοβιετικών πυρηνικών εργαστηρίων.
Βρετανία: Το μνημόνιο Φριτς-Πάιερλς
Η αρχή του βρετανικού προγράμματος πυρηνικών όπλων ήταν αποτέλεσμα της έρευνας που πραγματοποιήθηκε στο Μπέρμιγχαμ από δύο πρόσφυγες: τον Γερμανό Ρούντολφ Ερνστ Πάιερλς και τον Αυστριακό Όττο Φριτς. Στις 19 Μαρτίου 1940, παρουσίασαν στον Χένρι Τίζαρντ, Πρόεδρο του Imperial College, δύο εμπιστευτικά μνημόνια: «Για τις ιδιότητες μιας ραδιοενεργούς 'Υπερβόμβας'» και «Για την κατασκευή μιας 'Υπερβόμβας' βασισμένης σε πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση σε ουράνιο».
Στο μνημόνιό τους, υποστηρίζουν τη σκοπιμότητα μιας εκρηκτικής αλυσιδωτής αντίδρασης γρήγορων νετρονίων 235U με κρίσιμη μάζα μόλις 1 kg. Περιγράφουν τον μηχανισμό ανατίναξης κανονιού και διερευνούν τα αποτελέσματα του όπλου και επιμένουν στην έναρξη ενός ερευνητικού προγράμματος για να αντισταθμιστούν οι γερμανικές πυρηνικές εξελίξεις.
Το μνημόνιο Φριτς-Πάιερλς, που κατέστησε την προοπτική ενός όπλου ουρανίου προσβάσιμη, έπεισε την RAF να ξεκινήσει ένα ισχυρό ερευνητικό πρόγραμμα (η Επιτροπή MAUD) υπό τον Τζορτζ Τόμψον με ομάδες στο Λίβερπουλ (Τζέιμς Τσάντγουικ), το Μπέρμιγχαμ (Ολίφαντ και Πάιερλς), την Οξφόρδη (για ισοτοπικό διαχωρισμό) και στην Imperial Chemical Industries.
Εικόνα αριστερά: Ο Μαρκ Ολίφαντ στο Τμήμα Φυσικής του Μπέρμιγχαμ το 1941.Μετά την πτώση της Γαλλίας, οι Παριζιάνοι επιστήμονες έφεραν την τεχνογνωσία τους στο ΗΒ μαζί με το βαρύ νερό τους. Στις 7 Ιουλίου 1941, η Επιτροπή MAUD παρουσίασε στην κυβέρνηση λεπτομερή έγγραφα που περιγράφουν τις στρατιωτικές και αμαχητικές χρήσεις της σχάσης. Ο Τσόρτσιλ έδωσε υψηλή προτεραιότητα και στους δύο τομείς έρευνας· η «Directorate Tube Alloys» δημιουργήθηκε υπό τον έλεγχο του Τζον Άντερσον, Lord President of the Council. Στα τέλη του 1941, το βρετανικό πρόγραμμα ήταν το πιο προηγμένο στον κόσμο.
Ιταλία
Η ομάδα πυρηνικής φυσικής στη Ρώμη, ιδρυμένη από τον Φέρμι και οδηγούμενη από τον Εντουάρντο Αμάλντι μετά την αναχώρηση του Φέρμι στις ΗΠΑ το 1939, εξειδικεύθηκε στις αντιδράσεις που επάγονται από νετρόνια. Ήταν σημαντικό να διεξαχθεί έρευνα για τη σχάση προκειμένου να γίνει κατανοητό γιατί η ομάδα είχε προηγουμένως συγχέει αυτή την αντίδραση με την παραγωγή υπερουράνιων στοιχείων το 1936.
Ωστόσο, το 1941, η ρωμαϊκή ομάδα αποφάσισε να σταματήσει κάθε έρευνα για τη σχάση λόγω των στρατιωτικών της συνεπειών.
Εικόνα δεξιά: Ο επιταχυντής πρωτονίων Cockroft-Walton 200 kV που χρησιμοποιούνταν από το 1939 από την ομάδα πυρηνικής φυσικής στη Ρώμη.Ο Γιόσιο Νισίνα άρχισε έρευνα για πυρηνικά όπλα το καλοκαίρι του 1940 στο εργαστήριο Riken στο Τόκιο, με περιορισμένη υποστήριξη από τον ιαπωνικό στρατό. Στο Κιότο, το Αυτοκρατορικό Ναυτικό υποστήριξε την έρευνα του Μπουνσάκου Αρακάτσου. Ο ανταγωνισμός μεταξύ Ναυτικού και Αεροπορίας είχε ως αποτέλεσμα περιορισμένη πρόοδο έως την άνοιξη του 1943, όταν παράχθηκαν οι πρώτες εγκαταστάσεις διαχωρισμού. Ωστόσο, το έργο δεν έφτασε ποτέ σε αποτελεσματικό μέγεθος. Μετά τον βομβαρδισμό της Χιροσίμα, ο Νισίνα πέταξε πάνω από την πόλη και αναγνώρισε τη φρικτή φύση μιας πυρηνικής επίθεσης.