Utrata podczas II Wojny Światowej pierwotnych źródeł kauczuku - plantacji na Dalekim Wschodzie - spowodowała uruchomienie, w celu zaspokojenia potrzeb przemysłu i działań wojennych, awaryjnych programów badawczych i programu produkcji syntetycznego kauczuku.
Nylon okazał się kolejnym materiałem strategicznym, gdyż jako "sztuczny jedwab" służył do produkcji spadochronów. Niemcy produkowali go w wielkiej fabryce koncernu I.G. Farben w podobozie Auschwitz- Monowitz wykorzystując niewolniczą pracę więźniów.
Niemcy przykładali wielką wagę do badań i produkcji nowych bombowców i myśliwców. Pierwsi uruchomili produkcję samolotów z silnikami odrzutowymi. Tuż po nich zrobiło to brytyjskie RAF. Skonstruowanie niemieckiego pocisku rakietowego V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) było punktem zwrotnym w rozwoju rakiet. Napędzany alkoholem i ciekłym tlenem V-2 był pierwszym pociskiem balistycznym, czyli rakietą samobieżną, która po wystrzeleniu podąża trajektorią wyznaczoną przez grawitację. V-2 poruszały się szybciej niż dźwięk, ale nie były bardzo dokładne. Na przykład, z odległości 320 km tylko jedna trzecia V-2 mogła trafić w odległości do 5 km od celu.
Po lewej: Pocisk V-2 na wyrzutni mobilnej w Meillerwagen w 1943 roku. Po wojnie zdobyte V-2 były intensywnie badane przez sowieckich i amerykańskich naukowców, a ich technologia była punktem wyjścia dla programów kosmicznych obu mocarstw.W 1940 r. dowództwo przeciwlotnicze armii brytyjskiej zorganizowało grupę uczonych pod kierunkiem fizyka P.A.M. Blacketta, aby zbadać operacyjne możliwości wykorzystania radaru, dział i kalkulatorów mechanicznych na potrzeby obrony przeciwlotniczej. Osiągnięcia tej grupy pomogły Admiralicji w latach 1942–1945 wykorzystać radar pokładowy do wyszukiwania niemieckich okrętów podwodnych zatapiających statki handlowe na Atlantyku.
Z ich pracy wyłoniła się nowa dziedzina matematyki - zwana badaniami operacyjnymi - do rozwiązywania złożonych problemów optymalizacyjnych. Badania operacyjne przeniesiono w 1942 r. do USA, gdzie rozwijano je do celów wojskowych na Uniwersytecie Princeton i w Massachusetts Institute of Technology.
II Wojna Światowa to także rozwój i pierwsze systematyczne wykorzystanie komputerów cyfrowych do rozwiązywania problemów wojskowych. W Niemczech komputer Konrada Zuse był wykorzystywany w przemyśle lotniczym. W Wielkiej Brytanii opracowano Colossus - pierwszy elektroniczny komputer cyfrowy do łamania niemieckich kodów. W USA elektromechaniczny Harvard Mark I i elektroniczny ENIAC armii amerykańskiej produkowały tablice artyleryjskie i wykonywały inne obliczenia wojskowe. ENIACa wykorzystano również do opracowania bomby atomowej.
Ilustracja powyżej po prawej stronie: Drewniane urządzenie na pierwszym planie to czterowirnikowa niemiecka maszyna Enigma, używana do kodowania. Duża maszyna w tle to „bomba kryptologiczna” używana do łamania kodu.
Wykorzystanie fal radiowych do wykrywania i lokalizowania obiektów zasugerował już w 1900 r. Nikola
Tesla. Problem ten nabrał kluczowego militarnego znaczenia podczas II wojny światowej w lotniczej bitwie
o Anglię i podczas operacji na Oceanie Spokojnym.
Rura do generowania mikrofal dużej mocy, czyli wnęka magnetronowa, fundamentalna dla działania
radaru, została opracowana w Wielkiej Brytanii około 1940 r. W Massachusetts Institute of Technology
utworzono specjalne laboratorium radiacyjne, w którym zatrudniono kilku fizyków amerykańskich.
22 czerwca 1941 roku Związek Sowiecki został zaskoczony niemieckim atakiem. Jego struktury wojskowe były na to całkowicie nieprzygotowane, co umożliwiło Niemcom szybkie wdarcie się w głąb Rosji. Przemysł sowiecki musiał przestawić się na produkcję nowych systemów uzbrojenia, a naukowcy i instytucje naukowe zostały wezwane do opracowania materiałów do produkcji czołgów, samolotów i uzbrojenia, odpowiednich do operacji w ekstremalnych warunkach rosyjskiej zimy.
Czołg T-34 wywarł wielki i długotrwały wpływ na późniejsze konstrukcje oraz taktykę walki. Po raz pierwszy użyty w roku 1940, jest uważany za najbardziej efektywną i wydajną konstrukcję II wojny światowej.Natychmiast po zaobserwowaniu przez Otto Frischa i Lisę Meitner wydzielania olbrzymiej energii w wyniku rozszczepienia jądra ranu (grudzień 1938) i zasugerowaniu przez Enrico Fermiego możliwości reakcji łańcuchowej (styczeń 1939), możliwość militarnego użycia procesu rozszczepienia stała się oczywista dla wielu fizyków jądrowych. Propozycja Leo Szilarda, by powstrzymać się od publikowania nowych wyników została potraktowana poważnie, ale w końcu odrzucona. Wiosną 1939 r. rządy i władze wojskowe USA, Niemiec, Związku Radzieckiego, Francji i Wielkiej Brytanii zostały poinformowane o możliwym wojskowym zastosowaniu rozszczepienia jądrowego.
Problemy: terminy – neutrony prędkie
Problemy jakie powstawały przy budowie bomby atomowej były odmienne od tych z jakimi mierzono się przy budowie reaktora jądrowego. Podstawowym problemem była konieczność równoczesnego rozszczepienia ogromnej liczby jąder w wystarczająco krótkim czasie, aby zapobiec rozproszeniu materiału rozszczepialnego w wyniku ogrzewania.
Wybuch odpowiadający 20kt chemicznego materiału wybuchowego (TNT) wymaga rozszczepienia 1 kg 235U, co oznacza 80-krotną reakcję łańcuchową. Ponieważ rozszczepienie następuje w około 10-8s, 80.-krotna generacja neutronów trwa 0,8 mikrosekundy. Neutrony w czasie około 1 mikrosekundy zostają spowolnione, a zatem bomba potrzebuje produkcji szybkich neutronów, bez moderatora.
Masa krytyczna materiału rozszczepialnego
Duża część neutronów uwalnianych w procesie rozszczepienia ma energie mniejsze od 1 MeV, a zatem nie jest w stanie indukować rozszczepienia jądra 238U. Dlatego do produkcji broni jądrowej używa się tylko 235U lub 239Pu. Minimalna masa zależy od czystości materiału rozszczepialnego, ale można ją znacznie zmniejszyć, otaczając rdzeń warstwą ciężkiego materiału - reflektorem - który odbija neutrony z powrotem i opóźnia rozpraszanie materiału aktywnego. Na przykład gruby płaszcz U zmniejsza masę krytyczną kuli czystego 235U z 56 kg do 15 kg oraz 239Pu z 11 kg do 5 kg.
Rysunek po prawej: Krzywe mas krytycznych 235U i 239Pu w funkcji czystości materiału.Projektowanie bomby
Broń jądrowa, aby być użyteczną, musi być łatwa w obsłudze i bezawaryjna. Musi być wystarczająco niewielkich rozmiarów, aby było możliwe jej przetransportowanie do celu. Spełnienie tych wszystkich sprzecznych warunków wymaga współpracy specjalistów z wielu dziedzin. Szczególnie niezbędna jest wiedza potrzebna do precyzyjnego określenia prawdopodobieństwa wybuchu oraz zachowania materiałów rozszczepialnych w funkcji ciśnienia i temperatury.
Mechanizmy detonacji
Przed detonacją materiał aktywny musi być tak przygotowany, aby wykluczyć reakcję łańcuchową spowodowaną przez wszystkie możliwe źródła neutronów. Odpalenie bomby polega na zmianie rozłożenia materiału i rozlokowanie go w sposób zapewniający reakcję łańcuchową. Możliwe są dwa rozwiązania.
W metodzie działa jedna masa podkrytyczna jest z wielką prędkością wstrzeliwana przez konwencjonalne działo w drugą masę podkrytyczną.
W metodzie implozyjnej równomiernie rozłożone sferycznie ładunki konwencjonalne wybuchając zgniatają w zaplanowany sposób masy podkrytyczne w położoną centralnie masę nadkrytyczną. Dla 235U można stosować obie techniki, ale w przypadku broni plutonowej z powodu obecności spontanicznie rozszczepialnego 240Pu tylko metoda implozyjna jest możliwa.
Rysunek po lewej: Schematyczny szkic dwóch mechanizmów detonacji - Los Alamos, początek 1943.W 1939 r. na Columbia University w Nowym Jorku grupy Enrico Fermiego i Johna Dunninga przeprowadziły badania nad podstawowymi właściwościami rozszczepienia. Niewielkiego wsparcia finansowego udzieliła marynarka wojenna USA. Fermi usiłował uzyskać reakcję łańcuchową korzystając z naturalnego uranu i moderatorów grafitowych, zaś Dunning rozpoczął badania nad wzbogacaniem uranu w izotop 235U. W Princeton Niels Bohr i John Wheeler rozwinęli podstawową teorię rozszczepienia, podkreślając znaczenie 235U.
Rysunek po lewej: Fermi, Bohr i Léon Rosenfeld w Carnegie Institution w 1939 r. Rozszczepienie zostało zademonstrowane w Departamencie Magnetyzmu Ziemskiego (Department of Terrestrial Magnetism - DTM) 28 stycznia 1939.Francja
W Paryżu Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin i Frédéric Joliot-Curie uświadamiają sobie, że powolne neutrony skuteczniej wywołują rozszczepienie i zaczynają stosować najpierw wodór, a potem ciężką wodę do ich spowolnienia. W październiku 1939 r. otrzymują przybliżoną formułę prawa reakcji łańcuchowej, którą będą utrzymywać w tajemnicy do końca II wojny światowej. Po niemieckiej inwazji na Francję von Halban i Kowarski wywożą ciężką wodę do Anglii i dołączają do brytyjskiego zespołu badawczego. Joliot kontynuuje badania we Francji, gdzie bierze udział w antynazistowskim ruchu oporu.
Niemcy
Już w marcu 1939 r. niemiecki rząd zaczyna interesować się rozszczepieniem jądrowym. We wrześniu zostaje formalnie utworzony Projekt Uranium pod nadzorem Kurta Diebnera. Kaiser Wilhelm Institut für Physik w Berlinie-Dahlem staje się naukowym centrum badań wykonywanych w kilku instytutach w całych Niemczech. Głównie zajmowano się użyciem ciężkiej wody i separacją izotopów. Heisenberg rozwijał teorię rozszczepienia. Latem 1941 r. w Lipsku działał już podkrytyczny stos moderowany ciężką wodą. Fritz Houtermans wyznaczał różne aspekty rozszczepienia i sugerował zastosowanie pierwiastka 94 (pluton) produkowanego przez 238U. W Berlinie budowano duży stos krytyczny z użyciem 500 litrów ciężkiej wody.
W 1942 r. Heisenberg był przekonany o niemożności zbudowania broni nuklearnej z powodu trudności z wydzieleniem 235U. W dniach 4-6 czerwca 1942 r. Komitet Uranowy przedstawił rezultaty swych działań ministrowi Albertowi Speerowi i marszałkowi Erhardowi Milchowi: postanowiono przyznać pierwszeństwo produkcji energii jądrowej. Rozważono możliwość użycia silnika jądrowego dla marynarki wojennej i zimą 1944 r. zbudowano w Dahlem wielki stos z 1,5 t uranu i 1,5 t ciężkiej wody. Po zbombardowaniu instytutu badania przeniesiono do jaskini w Hechingen w Bawarii. 22 kwietnia 1945 urządzenia zostały przejęte i naukowcy aresztowani przez armię Stanów Zjednoczonych.
Zdjęcie po lewej: Laboratorium uranowe w Dahlem.Związek Sowiecki
Eksperymentalne i teoretyczne badania nad rozszczepieniem rozpoczęły się w Leningradzie (obecnie St.Petersburg). W serii ważnych prac Jakowa Borisowicza Zeldowicza i Julija Charitona w latach 1939–40 nakreślono podstawowe zasady łańcuchowej reakcji rozszczepienia.
W 1940 r. program wykorzystania rozszczepienia został zaprezentowany Prezydium Akademii Nauk. W czerwcu 1941 r. grupa Kurczatowa zaczęła korzystać z nowo zbudowanego cyklotronu, jednakże podczas niemieckiej inwazji na Rosję w czerwcu 1941 Stalin zatrzymał badania nad rozszczepieniem.
W lipcu 1945 r. Stalin zdecydował się rozpocząć pod kierownictwem Igora Kurczatowa awaryjny program konstrukcji broni jądrowej. Około 400 km na wschód od Moskwy w miejscowości Sarow przemianowanej na Arzamas, korzystając z pracy jeńców wojennych zbudowano tajne laboratorium Arzamas-16. Udział kilku niemieckich uczonych oraz wykorzystanie materiałów przywiezionych z Niemiec pomogło przyspieszyć prace.
Ilustracja po prawej: Mapa pierwszych sowieckich laboratoriów jądrowych
Wielka Brytania: Memorandum Frischa-Peierlsa
Rozpoczęcie brytyjskiego programu konstrukcji broni jądrowej było wynikiem badań prowadzonych w Birmingham przez dwóch uchodźców: Niemca Rudolpha Ernsta Peierlsa i Austriaka Otto Frischa. 19 marca 1940 r. przedstawili oni Henry'emu Tizardowi, Prezydentowi Imperial College, dwa poufne memoranda: „Na temat właściwości radioaktywnej „superbomby”" i „O budowie „Superbomby” z wykorzystaniem uranowej jądrowej reakcji łańcuchowej”.
W memorandum udowadniali możliwość uzyskania szybkiego wybuchowego łańcucha neutronów dla 235U przy masie krytycznej wynoszącej zaledwie 1 kg. Opisali mechanizm detonacji broni i efekty jej działania nalegając na rozpoczęcie programu badawczego, mającego stanowić przeciwwagę dla rozwoju niemieckiej atomistyki.
Memorandum Frischa-Peierlsa, pokazało, że skonstruowanie broni uranowej jest możliwe i przekonało RAF do rozpoczęcia poważnego programu badawczego (Komitet MAUD) pod kierunkiem George'a Thompsona z grupami w Liverpoolu (James Chadwick), Birmingham (Oliphant i Peierls), Oxfordzie (separacja izotopów) i w Imperial Chemical Industries.
Ilustracja po lewej: Mark Oliphant w Birmingham Physics Department w 1941.Po upadku Francji paryscy naukowcy wsparli swoją wiedzą Brytyjczyków. Przewieźli również do Anglii swoje zapasy ciężkiej wody. W dniu 7 lipca 1941 r. Komitet MAUD przedstawił rządowi szczegółowe dokumenty przedstawiające militarne i cywilne zastosowania rozszczepienia.
Churchill nadał wysoki priorytet obu obszarom badań; powstał kierowany przez Lorda Prezydenta Johna Andersona „Directorate Tube Alloys”, co było nazwą kodową komitetu badań nad rozwojem broni jądrowych. Do końca 1941 r. program brytyjski był najbardziej zaawansowany na świecie.
Włochy
Założona przez Fermiego, a po jego wyjeździe do USA w 1939 r. kierowana przez Edoardo Amaldina rzymska grupa fizyków jądrowych specjalizowała się w badaniu reakcji wywołanych przez neutrony. Prowadzenie badań nad rozszczepieniem było istotne dla zrozumienia dlaczego wcześniej w 1936 r. nie udało się zrealizować tej reakcji przy próbie produkcji pierwiastków transuranowych.
W 1941 r. grupa rzymska postanowiła przerwać wszelkie badania nad rozszczepieniem ze względu na ich militarne konsekwencje.
Ilustracja po prawej: 200kV protonowy akcelerator Cockrofta-Waltona używany od roku 1939 przez rzymską grupę fizyków jądrowych.Yoshio Nishina rozpoczął badania nad bronią jądrową latem 1940 r. w laboratorium Riken w Tokio, z ograniczonym wsparciem japońskiej armii. W Kioto Cesarska Marynarka Wojenna poparła badania Bunsaku Arakatsu. Konkurencja między marynarką wojenną a siłami powietrznymi spowolniała postępy badań do wiosny 1943 r., kiedy zbudowano pierwsze zakłady separacji uranu. Projekt ten nigdy jednak nie osiągnął znacznych rozmiarów. Po zbombardowaniu Hiroszimy Nishina przeleciał nad miastem i poznał przerażającą niszczycielską naturę ataku jądrowego.