Pierderea principalelor surse de cauciuc – plantații din Estul îndepărtat – în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, a dus la programe de cercetare și producție de cauciuc sintetic pentru a satisface nevoile industriei și efortul necesar în război.

Nailonul s-a dovedit a fi un alt material strategic, ce a servit drept “mătase artificială” pentru parașute. I.G. Farben a construit o fabrică mare în Germania, la Buna, ce exploata munca în regim de sclavie a prizonierilor de la Auschwitz.

Germania a pus accent pe cercetare și producția de noi bombardiere și aparate de luptă. Ei au fost primii care au dezvoltat avioane cu motoare cu reacții operaționale, urmați mai târziu de britanicii de la Royal Air Force. V-2-ul german, (Vergeltungswaffen Zwei) a fost o referință în domeniul rachetelor. Propulsată cu alcool și oxigen lichid, V-2 a fost primul misil balistic, adică rachetă autopropulsată care după lansare urmează o traiectorie dictată strict de gravitație. V-2 se deplasau cu o viteza supersonică, însă punctul lor slab era acuratețea. De exemplu, la o distanță față de țintă de 320 km, numai o treime din rachetele V-2 loveau la mai puțin de 5 km de obiectiv.

Imagine stânga: Un misil V-2 pe lansatorul său mobil în Meillerwagen, 1943. După război, V-2 capturate au fost studiate amănunțit de către cercetătorii sovietici și americani, iar tehnologia lor a fost punctul de start pentru programele spațiale ale celor două puteri.

În 1940, comandamentul antiaerian al armatei britanice a organizat un grup de oameni de știință sub conducerea fizicianului P.A.M. Blackett pentru a studia folosirea operațională a radarului, a tunurilor și a calculatoarelor mecanice pentru focul antiaerian. La amiralitate, intre 1942 și 1945, acest grup a adus îmbunătățiri majore la folosirea radarului aeropurtat pentru localizarea submarinelor germane ce scufundau nave comerciale în Atlantic.

Din activitatea lor a evoluat un nou domeniu al matematicii – numit cercetare operațională – menit să trateze probleme complexe de optimizare. Cercetarea Operațională s-a mutat în 1942 în SUA, unde a fost dezvoltată în scopuri militare la Universitatea Princeton și la Massachusetts Institute of Technology.

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, de asemenea, se dezvoltă și se sistematizează folosirea calculatoarelor digitale pentru rezolvarea problemelor militare. În Germania, computerul lui Konrad Zuse era folosit pentru industria aeronautică. În Regatul Unit, Colossus, primul computer digital electronic, a fost dezvoltat pentru a sparge codurile germanilor. În SUA, Mark I (electromecanic) de la Harvard și ENIAC-ul electronic al Armatei SUA au produs tabele pentru tir și alte calcule militare. ENIAC a mai fost folosit și pentru dezvoltarea bombei atomice.

Imagine dreapta sus: dispozitivul în caseta de lemn din planul apropiat este o mașină Enigma germană cu patru rotoare, utilizată pentru codare. Mașina cea mare din spate se numește “Bombe” (trad. “bomba”), folosită pentru spargerea codului.

Utilizarea undelor radio pentru a detecta și a localiza obiecte a fost sugerată încă din 1900 de către Nikola Tesla. Avantajele militare au devenit de o importanță majoră în al Doilea Război Mondial în timpul Bătăliei Aeriene a Angliei și în operațiunile din Oceanul Pacific.
Un tub generator de microunde, crucial pentru succesul radarului, magnetronul cu cavitate, a fost dezvoltat în Regatul Unit în jurul lui 1940. Un laborator al radiației dedicat a fost creat la Massachusetts Institute of Technology, unde mai mulți fizicieni americani au fost angajați.

Imagine stânga: SCR utilizat în Italia în 1944. Acest tip de radar era un detector de tip “reflector”, menit să direcționeze tragerile antiaeriene. Imagine dreapta: Fizicianul britanic E.G. Brown prezintă un magnetron lui Lee DuBridge și fizicianului I.I. Rabi la Radiation Laboratory în 1943.

Atacul Germaniei din 1941 a găsit structurile militare ale Uniunii Sovietice în mare parte nepregătite, ceea ce a permis o invazie rapidă a teritoriilor rusești. Industria sovietică trebuia să producă noi sisteme de armament, iar oamenii de știință și instituțiile științifice erau chemate să dezvolte materiale pentru tancuri, aparate de zbor și armament, potrivite operațiunilor în condițiile extreme ale iernii Rusești.

Tancul T-34 a avut o influență profundă și perenă asupra ulterioarelor proiectări și tactici din domeniu. Folosit pentru prima dată în 1940, este considerat că fiind cel mai de efect, mai eficient și de influență model din al Doilea Război Mondial.

Imediat după observarea de către Otto Frisch și Lise Meitner a cantității mari de energie eliberată la fisiunea uraniului (decembrie 1938) și sugestia lui Enrico Fermi despre posibilitatea unei reacții în lanț (ianuarie 1939), posibilele utilizări militare ale procesului de fisiune au devenit evidente pentru comunitatea fizicienilor nucleariști. Propunerea lui Leo Szilard de a constrânge publicarea noilor rezultate a fost luată în considerare la modul cel mai serios, dar nu și acceptată. În primăvara anului 1939, guvernele și/sau autoritățile militare ale SUA, Germaniei, Uniunii Sovietice, Franței și ale Regatului Unit, deveneau conștiente de posibilele aplicații militare ale fisiunii nucleare.

Probleme: sincronizarea neutronilor rapizi

Totuși, construirea unei bombe nucleare implica probleme extrem de diferite față de cele implicate în construirea unui reactor nuclear. Problema fundamentală consta în necesitatea fisionării simultane a unui număr uriaș de nuclee într-un timp suficient de scurt pentru a preveni dispersia materialului fisil ce se datorează încălzirii. O explozie echivalentă uneia chimice (TNT) de 20kt necesita fisiunea a 1 kg de ²³⁵U, ceea ce implica o reacție în lanț de 80 de etape. Având în vedere că fisiunea se produce în aproximativ 10^-8 secunde, generarea a 80 de serii de neutroni se produce în 0.8 microsecunde. Neutronii au nevoie de aproximativ o microsecundă pentru a fi încetiniți, că atare o bomba trebuie să funcționeze cu neutronii rapizi, pe măsura ce ei sunt produși, fără moderator.

Masa critică de material fisil

O mare parte din neutronii produși în procesul de fisiune au mai puțin de 1MeV energie și că atare nu pot induce fisiunea unui nucleu de ²³⁸U. Așadar, armele nucleare folosesc doar ²³⁵U, sau ²³⁹Pu. Masa minimă depinde de puritatea materialului fisil, dar poate fi redusă considerabil prin învăluirea miezului cu un material - “tamper” – care reflectă neutronii înapoi și întârzie expansiunea materialului activ. De exemplu, un strat gros în formă de U reduce masa critică a unei sfere de ²³⁵U de la 56kg la 15kg și a ²³⁹Pu de la 11kg la 5kg.

Imagine dreapta: Curbele masei critice pentru ²³⁵U și ²³⁹Pu funcție de puritatea lor.

Proiectarea unei bombe

Pentru a fi folositoare, o armă nucleară trebuie să fie ușor de manevrat în siguranța și să fie utilizabilă fără eșec. De asemenea, trebuie să fie suficient de mică pentru a putea fi transportată către țintă. Toate aceste condiții trebuie îndeplinite, ceea ce duce la necesitatea cooperării și colaborării experților din multe domenii. În particular, necesarul de cunoștințe științifice include determinarea precisă a probabilităților de fisiune și comportamentul materialului fisil în funcție de temperatură și presiune.

Mecanisme de detonare

Înainte de lansare, materialul activ trebuie să fie pregătit într-un mod care nu ii permite dezvoltarea unei reacții în lanț, luând în considerare toate sursele de neutroni. Lansarea presupune o rearanjare din punct de vedere al volumului astfel încât configurația necesară pentru reacția în lanț să fie asigurată. Există două abordări de bază.

În tehnica tunului, o masă sub-critică este propulsată de către un tun clasic cu viteză mare într-o alta masă sub-critică.

Tehnica imploziei constă în detonarea uniformă a unei sarcini periferice de explozibil chimic într-un mod menit să compreseze o masa sub-critică pentru a duce la o configurație supracritică. Pentru bombe cu ²³⁵U ambele tehnici sunt posibile, însă pentru cele cu Plutoniu, având în vedere prezența ²⁴⁰Pu care fisionează spontan, numai tehnica imploziei este fezabilă.

Imagine stânga: desen schematic al celor două mecanisme de detonare, de la Los Alamos, începutul lui 1943.

În decursul anului 1939, la Universitatea Columbia din New York, grupurile conduse de Fermi și de John Dunning cercetează proprietățile de bază ale fisiunii cu un suport financiar limitat de la Marina SUA. În timp ce Fermi intenționează să obțină o reacții în lanț cu uraniu natural și un moderator de grafit, Dunning a început cercetările despre îmbogățirea uraniului cu izotopul ²³⁵U. La Princeton, Niels Bohr și John Wheeler dezvoltă teoria elementară a fisiunii, evidențiind importanța ²³⁵U.

Imagine stânga: Fermi, Bohr și Leon Rosenfeld la Institutul Carnegie în 1939. Fisiunea era prezentată la Departamentul de Magnetism Terestru (DTM) pe 28 ianuarie 1939.

Franța

În Paris, Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin și Frédéric Joliot-Curie își dau seama că neutronii lenți sunt mai eficienți pentru a produce fisiunea și încep folosirea hidrogenului apoi a apei grele pentru a încetini neutronii pentru fisiune. În octombrie 1939 ei obțin o formulă aproximativă pentru legea reacției în lanț, pe care aveau să o țină secretă până la sfârșitul celui de-al doilea război mondial. După invazia Franței de către Germania, von Halban și Kowarski mută apa grea în Anglia și se alătură echipei de cercetare britanice. Joliot continua cercetările în Franța, de unde ia parte la mișcarea de rezistență împotriva Naziștilor.

Imagine dreapta: Hans von Halban, Lew Kowarski și Frederic Joliot-Curie, începutul lui 1939.

Germania

Încă din martie 1939, guvernul Germaniei devine interesat de fisiunea nucleară. În septembrie un proiect pentru uraniu este constituit formal sub responsabilitatea lui Kurt Diebner. Institutul pentru fizică Kaiser Wilhelm din Berlin-Dahlem devine centrul științific, dar cercetări sunt intreprinse în mai multe Institute din Germania. Folosirea apei grele și a separării izotopice sunt principalele teme de cercetare. Heisenberg dezvoltă teoria fisiunii. În vara lui 1941, la Leipzig, o pilă prototip sub-critică moderată cu apă grea este deja funcțională. Fritz Houtermans definește numeroase aspecte ale fisiunii și sugerează folosirea elementului 94 (plutoniu) produs cu ²³⁸U. La Berlin se construiește o pilă sub-critică mare ce folosește 500l de apă grea.

În 1942 Heisenberg era convins de imposibilitatea construirii unei arme nucleare, datorate dificultăților în procesul de separare a ²³⁵U. Pe 4-6 iunie 1942 Comitetul pentru uraniu prezintă resultatele ministrului Albert Speer și mareșalului Erhald Milch: se decide proiritizarea producerii de energie nucleară. Posibilitatea realizării unui motor nuclear pentru Marină este luată în considerare și o mare pilă de stocare este construită în iarna lui 1944 la Dahlem cu 1.5t de uraniu și 1.5t de apă grea. După bombardarea Institutului cercetările sunt transferate într-o pivniță la Hechingen, în Bavaria. Instrumentele și oamenii de știință aveau să fie capturați de trupele americane pe 22 aprilie 1945.

Imagine stânga: Laboratorul de uraniu de la Dahlem.

Uniunea Sovietică

Experimental and theoretical research on fission started immediately in the Russian city of Leningrad (now known as St. Petersburg) and in a series of seminal papers by Yakov Borisovich Zel’dovich and Yuli Khariton in 1939-40 the basic principles of fission chain reaction were outlined.

În 1940, un program pentru exploatarea fisiunii a fost prezentat Prezidiului Academiei de Știință. În iunie 1941, la Leningrad, grupul lui Kurchatov începe operațiunile cu un ciclotron proaspăt construit. Totuși, în timpul invazie Germaniei în Rusia (iunie 1941), Stalin oprește cercetările din domeniul fisiunii.

În iulie 1945 Stalin decide începerea unui program pentru dezvoltarea energiei nucleare sub conducerea lui Igor Kurchatov. Un laborator secret (Arzamas-16) a fost construit de către prizonierii de război lângă Arzamas, la aproximativ 400km est de Moscova. Mai mulți oameni de știință germani și materiale din laboratoarele Germaniei au ajutat accelerarea programului rusesc.

Imagine dreapta: Harta primelor laboratoare nucleare sovietice.

Marea Britanie: memorandumul Frisch-Peierls

Începutul programului britanic dedicat armelor nucleare a fost rezultatul cercetărilor intreprinse în Birmingham de către doi refugiați: germanul Rudolph Ernst Peierls și austriacul Otto Frisch. Pe 19 martie 1940 ei au prezentat lui Henry Tizard, președintele Imperial College două memorandumuri confidențiale: “Despre proprietățile unei superbombe radioactive”, și “Despre construirea unei ‘superbombe’ bazate pe reacții nucleare în lanț cu uraniu”.

În memorandumul lor, ei susțin fezabilitatea unei reacții în lanț explozive a ²³⁵U cu neutroni rapizi având o masă critică de doar 1kg. Ei descriu mecanismul de detonare tip tun și explorează efectele armei insistând pe începerea unui program de cercetare care să contrabalanseze dezvoltările nucleare ale Germaniei.

Memorandumul Frisch-Peierls, care a făcut perspectiva unei arme cu uraniu accesibilă, a convins Royal Air Force să înceapă un program puternic de cercetare (Comitetul MAUD) sub conducerea lui George Thompson cu grupuri la Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant și Peierls), Oxford (pentru separarea izotopică) și la Imperial Chemical Industries.

Imagine stânga: Mark Oliphant la departamentul de fizică din Birmingham în 1941.

După căderea Franței, oamenii de știință parizieni și-au adus expertiza în Regatul Unit împreună cu apa lor grea. Pe 7 iulie 1941 comitetul MAUD prezenta guvernului documente detaliate ce evidențiau utilizările militare și civile ale fisiunii. Churchill acorda prioritate sporită ambelor direcții de cercetare; directoratul “Tube Alloys” este creat sub controlul lui John Anderson, “Lord President” al consiliului. La sfârșitul lui 1941 programul nuclear britanic era cel mai avansat din lume.

Italia

Grupul de fizică nucleară din Roma, fondat de către Fermi și condus de către Edoardo Amaldin după plecarea lui Fermi în SUA în 1939 s-a specializat în reacții induse cu neutroni. Era important să se întreprindă cercetări în domeniul fisiunii pentru a înțelege de ce mai devreme grupul confundase aceasta reacții cu producerea de elemente transuraniene în 1936.

Totuși, în 1941 grupul de la Roma a decis să înceteze orice cercetare despre fisiune, din cauza implicațiilor militare ale acesteia.

Imagine dreapta: Acceleratorul de protoni Cockroft-Walton de 200kV folosit începând cu 1939 de către grupul de fizică nucleară de la Roma.

Yoshio Nishina a început cercetările despre armele nucleare în 1940 la laboratorul Rikken din Tokyo, cu un ajutor limitat din partea armatei japoneze. La Kyoto, Marina Imperiala susține cercetările lui Bunsaku Arakatsu. Competiția dintre marina și forțele aeriene au dus la progrese limitate până în primăvara lui 1943, când primele stații de separare au fost produse. Totuși, proiectul nu a atins niciodată o dimensiune suficientă. După bombardarea de la Hiroshima, Nishina a zburat deasupra orașului și a recunoscut natura înspăimântătoare a unui atac nuclear.