Hungary

A távol-keleti ültetvények, a gumi elsődleges forrásának elvesztése után a II. világháború alatt komoly kutatási és gyártási program indult a szintetikus gumi előállítása érdekében, hogy az ipar igényeit kiszolgáják és a háborús erőfeszítéseket segítsék.

A nájlon stratégiai anyagnak bizonyult, mivel "mesterséges selyemként" használhatták az ejtőernyősök. Németországban az I.G. Farben egy nagy gyárat épített Buna-ban, ahol az auschwitz-i rabokat dolgoztatták gyakorlatilag rabszolgaként.

Németország nagy hangsúlyt fektetett új bombázó- és vadászrepülőgépek fejlesztésére és gyártására is. A németek készítették az első sugárhajtású gépet, amit később a brit légierő követett. A német V-2-es (Vergeltungswaffen Zwei) a rakétatechnika mérföldköve volt. Az alkohollal és folyékony oxigénnel hajtott V-2 volt az első ballisztikus lövedék, azaz olyan önhajtó rakéta, amely a fellövés után csak a gravitáció által meghatározott pályán halad. A V-2 gyorsabb volt, mint a hangsebesség, de pontossága nem volt túl jó. Például egy 320 km-re lévő cél 5 km-es körzetébe csak egyharmaduk talált be.

Baloldali kép: Egy V-2 rakéta mozgatható kilövőállványon Meillerwagen-ben 1943-ban. A háború után a zsákmányolt V-2-eseket a szovjet és amerikai kutatók tüzetes vizsgálatnak vetették alá. Ezek a kutatások a későbbi űrprogramok alapját képezték.

1940-ben a brit hadsereg légelhárító parancsnoksága tudóscsoportot szervezett a fizikus P.A.M. Blackett vezetésével, hogy tanulmányozzák a radar, egyes fegyverek és a mechanikai számítások alkalmazhatóságát a légelhárítási feladatok során. A haditengerészet számára a csoport 1942 és 1945 között számos fejlesztést hajtott végre, amelyek segítségével repülőre telepített radarokkal sikeresen találták meg az Atlanti-óceánon hajók sokaságát elsüllyesztő német tengeralattjárókat.

Munkájuk eredményeként a matematika egy új ága, az operációkutatás alakult ki, amely a bonyolult optimalizációs problémákkal foglalkozik. Az operációkutatást 1942-től az Egyesült Államokban folytatták, ahol a Princeton Egyetemen és a Massachusetts-i Technológiai Intézetben (MIT) katonai célokra fejlesztették tovább.

A II. világháború hozta el a digitális számítógépek fejlesztését és annak katonai problémákra történő első szisztematikus alkalmazását. Németországban a Konrad Zuse által fejlesztett számítógépet a repülőgépiparban használták fel. Az Egyesült Királyságban a Kolosszus, az első elektronikus, digitális számítógép, hajtotta végre a német kódok feltörését. Az Egyesült Államokban a Harvardon fejlesztett elektromechanikus Mark I és a hadsereg által kidolgozott elektronikus ENIAC segítségével gyártottak lőtáblázatokat a tüzérség számára, és egyéb katonai számításokat is végeztek. Az ENIAC szerephez jutott az atombomba fejlesztésekor is.

Jobb fenti kép: Az előtérben látható a négyorsós német Enigma, amelyet kódolásra használtak. A hátsó nagy berendezés pedig a "Bombe", amelyet a német kód feltörésére fejlesztettek ki.

Tárgyak detektálására és helyzetének meghatározására Nikola Tesla javasolta először 1900-ban a rádióhullámokat. A katonai fölény a II. világháborúban alapvető fontossággal bírt az angliai csatában és a csendes-óceáni küzdelmekben.
A radar sikerének kovácsa, a mikrohullámú sugárzást előállító cső, másnéven a magnetron (üregrezonátor), amelyet 1940 körül fejlesztettek ki az Egyesült Királyságban. A Massachusetts-i Technológiai Intézetben célzottan egy sugárzásokkal foglalkozó labort (Sugárzási Laboratórium) is alapítottak, ahol számos amerikai tudóst alkalmaztak.

Baloldali kép: Az SCR268 munka közben 1944-ben. Ez egy reflektor típusú radar volt, amelynek segítségével irányítani lehetett a légelhárító tüzelést. Jobboldali kép: A brit E.G. Bowen Lee DuBridge-nek és I.I. Rabi fizikusnak mutatja be a magnetront a Sugárzási Laboratórium 1943-ban.

1941-ben a német támadás a szovjet hadsereget meglepetésként érte, aminek következményeként hatalmas orosz területeket ért invázió. A szovjet iparnak új fegyverrendszereket kellett kifejlesztenie, és tudósokat illetve tudományos intézeteket állítottak ennek a célnak a szolgálatába. Azt az utasítást kapták, hogy tankokhoz, repülőgépekhez és egyéb hadifelszerelésekhez olyan anyagokat alkossanak meg, amelyek a viszontagságos, zord orosz télben is működőképesek.

A T-34-es tank a későbbi tanktervezésre és taktikára mély és hosszan tartó hatást gyakorolt. Az 1940-ben útjára bocsátott jármű a II. világháború leghatékonyabb és legeredményesebb harci eszözévé vált.

Otto Frisch és Lise Meitner megfigyelése, miszerint urániumhasadáskor nagy energia szabadul fel (1938 decembere), és Enrico Fermi javaslata, miszerint a láncreakció mesterségesen létrehozható (1939 januárja), után azonnal világossá vált a magfizikus közösség számára, hogy a maghasadás esetleges katonai felhasználása nem sokat várat majd magára. Szilárd Leó azt tanácsolta, hogy az eredményeket ne publikálják, amit a kutatók komolyan mérlegre is tettek, de végül elvetették az ötletet. 1939 tavaszára az Egyesült Államok, Németország, a Szovjetunió és az Egyesült Királyság kormányai és katonai hatóságai is értesültek a maghasadás lehetséges katonai alkalmazhatóságáról.

Problémák: Időzítés – gyors neutronok

Azonban egy atombomba elkészítése teljesen más problémákat vet fel, mint egy atomreaktor megépítése. Az alapvető probléma az, hogy nagyszámú atommagot kell hasadásra késztetni olyan rövid idő alatt, hogy a keletkező hő hatására a hasadóanyag nem szóródjon szét. 20 ktonna kémiai robbanóanyaggal (TNT) egyenértékű robbanás előidézéséhez 1kg 235U-ra van szükség, ami 80 lépésből álló láncreakciót jelent. Mivel egy hasadás kb. 10-8 másodperc alatt megy végbe, 80 neutrongenerációhoz 0,8 mikromásodperce van szükség. A neutronoknak azonban 1 mikromásodperc kell a lelassuláshoz, ezért a bomba csak gyors neutronokkal működhet moderátor nélkül.

A hasadóanyag kritikus tömege

A hasadáskor kibocsátott neutronok jó részének energiája 1MeV alatti, ezért nem idézhetnek elő hasadást a 238U izotópon. Tehát az atomfegyverek csak 235U vagy 239Pu izotópokat használnak. A minimálisan szükséges tömeg az anyag tisztaságától függ, de csökkenthető a hasadóanyagot körbevevő nehéz magokból álló anyaggal, a köpennyel, amely visszaszórja a neutronokat és meggátolja az aktív anyag kitágulását. Például egy vastag uránköpeny a mag kritikus 235U tömegét 56kg-ról 15kg-ra, míg a 239Pu-nél 11kg-ról5 kg-ra csökkenti.

Jobboldali kép: A görbék a tisztaságtól függő kritikus tömegeket mutatják 235U és 239Pu esetén.

Bombatervezés

Ahhoz, hogy használható legyen, egy nukleáris fegyvernek könnyen kezelhetőnek és biztonságosan működtethetőnek kell lennie. Továbbá elég kis mérettel kell rendelkezni, hogy a célterületre lehessen juttatni. Ezeket a sokszor egymással ellentétes irányokat igénylő feltételeket teljesíteni kell, amihez több területen dolgozó szakértők együttes munkájára van szükség. A tudományos ismeretek különösen fontosak a hasadási valószínűségek pontos megadása és a hasadóanyag nyomás és hőmérséklet függvényében történő viselkedésének leírása során.

Robbantási mechanizmus

Az aktív anyagot úgy kell elhelyezni a bombában, hogy a tervezett robbanás előtt a láncreakció ne indulhasson be figyelembe véve minden lehetséges neutronforrást. Az elsütéskor a térfogatokat újra kell rendezni úgy, hogy a láncreakció létrejöhessen. Erre két megközelítést használnak.

A lövedék technika során egy szubkritikus tömeget nagy sebességgel egy hagyományos puska segítségével egy másik szubkritikus tömegbe lőnek bele.

A berobbantásos technika során egyszerre robbantanak fel periférikusan elhelyezett kémiai robbanószert, ami a szubkritikus tömegeket egy szuperkritkus konfigurációba nyomja össze. A 235U-nál mindkét módszer használható, míg a plutónium esetén a spontán hasadó 240Pu jelenléte miatt csak a berobbantásos technika működik.

Baloldali kép: A két robbantási mechanizmus sematikus rajza - Los Alamos, 1943 eleje.

1939-ben a new york-i Columbia Egyetemen Fermi és John Dunning csoportja a haditengerészet minimális anyagi támogatásával a hasadás alapvető tulajdonságait tanulmányozta. Fermi a természetes urán és grafitmoderátor felhasználásával történő láncreakción dolgozott, Dunning pedig a 235U izotóp dúsításával foglalkozott. A Princeton Egyetemen Niels Bohr és John Wheeler a maghasadás egyszerű elméleti hátterét írta le és a 235U fontosságára hívta fel a figyelmet.

Baloldali kép: Fermi, Bohr and Léon Rosenfeld a Carnegie Intézetben 1939-ben. A maghasadás demonstrációjára 1939. január 28-án került sor a Föld mágneses terével foglalkozó osztályon.

Franciaország

Párizsban Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin és Frédéric Joliot-Curie rájöttek, hogy a hasadás hatékonyabb lassú neutronok esetén, ezért először hidrogénnel, majd nehézvízzel lassították a hasadási neutronokat. 1939 októberében egy közelítő formulát dolgoztak ki a láncreakció törvényére, amelyet a II. világháború végéig titokban tartottak. Franciaország német inváziója után von Halban és Kowarski a nehézvízzel együtt Angliába távoztak és csatlakoztak a brit kutatókhoz. Joliot Franciaországban folytatta kutatásait, és részt vállalt a náci megszállás elleni harcban.

Jobboldali kép: Hans von Halban, Lew Kowarski és Frederic Joliot-Curie, 1939 eleje.

Németország

A német kormány már 1939 márciusában érdeklődést mutatott a maghasadás iránt. Szeptemberben Kurt Diebner felügyeletével hivatalosan is megalakult az Uránium Projekt. A berlin-dahlemi Kaiser Wilhelm Fizikai Intézet vált a tudományos központtá, de számos másik német intézetben is folyt a hasadással kapcsolatos munka. A nehézvíz használatának lehetséges módjainak és az izotópelválasztásnak szentelték legtöbb idejüket. Heisenberg kidolgozta a hasadás elméletét. 1941 szeptemberére Lipcsében egy szubkritikus, nehézvízzel moderált rendszert sikerült kiépíteni. Fritz Houtermans a hasadás különböző szempontjait taglalta, majd a 238U-ból keletkező 94-es elem (plutónium) használatát javasolta. Berlinben egy nagy, 500 liter nehézvízet tartalmazó szubkritikus rendszert építettek ki.

1942-ben Heisenberg arra jutott, hogy a 235U elkülönítésével kapcsolatos problémák miatt lehetetlen nukleáris fegyvert készíteni. 1942. június 4-6. között az Uránium Bizottság bemutatta az eredményeket Albert Speer miniszternek és Erhard Milch marsallnak. Az a döntés született, hogy a nukleáris fegyver kidolgozása mindennel szemben elsőbbséget élvez. A haditengerészet számára használható nukleáris motor kifejlesztését tekintették legfőbb céljuknak, és 1944 telén egy 1,5 tonna urániumból és 1,5 tonna nehézvízből álló hatalmas rendszert építettek Dahlem-ben. Az intézet bombázása után a kutatások a Bajorországban található hechingeni bányákban folytatódtak. A berendezéseket és a tudósokat 1945. április 22-én amerikai katonák vonták ellenőrzésük alá.

Baloldali kép: a dahlem-i Uránium Laboratórium.

A Szovjetunió

A láncreakció alapelvének 1939-40-es lefektetése után a hasadással kapcsolatos kísérleti és elméleti kutatások azonnal megkezdődtek az orosz Leningrádban (ma Szentpétervár), amelyek hamarosan termékeny publikációkban jelentkeztek Jákov Boriszovics Zeldovics és Julij Hariton jóvoltából.

1940-ben a Tudományos Akadémia elnöksége előtt egy hasadást kihasználó program lehetőségét ismertették. 1941-ben Leningrádban Kurcsatov csoportja egy újonnan épült gyorsítót üzemelt be. Azonban Oroszország német inváziója (1941 júniusa) miatt Sztálin leállította a hasadással kapcsolatos kutatásokat.

1945 júliusában aztán Sztálin Igor Kurcsatovot bízta meg, hogy egy új nukleáris program segítségével atomhatalommá tegye Oroszországot. Hadifoglyok egy titkos laboratóriumot (Arzamasz-16) építettek Arzamaszhoz közel, Moszkvától 400km-re keletre. Több német tudós és német laboratóriumokból származó anyag segítette az orosz kutatások felgyorsítását.

Jobboldali kép: Az első szovjet nukleáris laboratóriumok elhelyezkedése.

Britannia: A Frisch-Peierls memorandum

A nukleáris fegyverek kidolgozását megcélzó brit program kezdetét két Birmingham-ben dolgozó menekült kutató, a német Rudolph Ernst Peierls és az osztrák Otto Frisch munkája jelentette. 1940. március 19-én az Imperial College elnökének Henry Tizardnak bemutattak két titkos feljegyzést, amelyek címe "Egy radioaktív szuperbomba tulajdonságai" és "A szuperbomba megépítése az urániumban történő nukleáris láncrekció felhasználásával" volt.

Feljegyzésükben amellett érveltek, hogy lehetséges létrehozni láncreakciót gyors neutronokkal csupán 1kg-nyi kritkus tömegű 235U alkalmazásával. Leírták a robbantási mechanizmust is, feltárták a fegyver hatását és kérték egy kutatási program elindítását, hogy a német nukleáris fejlesztésekkel felvehessék a versenyt.

A Frisch-Peierls feljegyzés, amely egy kivitelezhető urániumfegyver kilátásával kecsegtetett, meggyőzte a királyi légierőt, és George Thompson vezetésével egy kutatási programot (a MAUD bizottság) indukált liverpool-i (James Chadwick), birmingham-i (Oliphant és Peierls), oxfordi (izotópelkülönítés) és a Királyi Kémai Iparvállalat részvételével.

Baloldali kép: Mark Oliphant a birmingham-i Fizika Intézetben 1941-ben.

Franciaország eleste után a párizsi kutatók tudása is a Egyesült Királyság szolgálatába állt csakúgy, mint a nehézvizük. 1941. július 7-én a MAUD bizottság részletes jelentésben számolt be a kormányzatnak a hasadás katonai és civil alkalmazhatóságáról. Churchill mindkét iránynak elsőbbséget adott: az "Igazgatósági Alumíniumcső" fedőnév alatt, John Anderson tanácselnök felügyelete alatt megindult a kutatási program. 1941 végére a brit fejlesztések jutottak a világon legmesszebbre.

Olaszország

A római magfizika csoport, amelyet Fermi alapított, majd az Egyesült Államokba történő 1939-es távozása után Edoardo Amaldi vezetett, a neutron-indukált reakciókra fókuszált. Azt szerették volna megérteni, hogy a csoport hogyan jutott 1936-ban a transzurán elemeket tekintve ellentmondó eredményekre.

Azonban kutatásaikat 1941-ben felfüggesztették, a katonai alkalmazhatóságuk miatt.

Jobboldali kép: A római magfizika csoport 200kV-os Cockroft-Walton protongyorsítója 1939-ben.

Yoshio Nishina 1940 nyarán kezdte meg a RIKEN kutatóintézetben Tokióban a nukleáris fegyverekkel kapcsolatos kutatásait a japán hadsereg korlátozott anyagi támogatásával. A császári haditengerészet Kiotóban Bunsaku Arakatsu-t segítette. A haditengerészet és a légierő közötti vetélkedés miatt 1943 tavaszáig csak minimális előrehaladás történt, amikor is az első izotópelkülönítőt létrehozták. Azonban a program nagysága sosem érte el a kritikus méretet. Hiroshima bombázása után Nishina a város fölötti repülőútja során szembesült a nukleáris támadás rémisztő következményeivel.