I juli 1939 overbeviste Szilard økonomen Alexander Sachs om nødvendigheden af et stærkt amerikansk initiativ inden for fissionens militære anvendelser for at modvirke den tyske udvikling. Szilard bad Einstein om at skrive et brev til præsident Roosevelt, hvor han redegjorde for fissionens farer og muligheder.

Med bidrag fra Edward Teller og Eugene Wigner blev brevet udarbejdet den 2. august 1939. Sachs overrakte brevet og et teknisk dokument fra Szilard til Roosevelt den 11. oktober 1939, og præsidenten nedsatte straks et rådgivende udvalg om uran (Advisory Committee on Uranium, ACU) under ledelse af regeringsforskeren Lyman J. Briggs.

Billedet til højre: A. Einstein og L. Szilard i august 1939. Nedenfor: det originale Einstein-Szilard-brev.

Der blev givet prioritet til Fermis bestræbelser i New York på at skabe en kædereaktion med naturligt uran og en grafitmoderator, sideløbende med undersøgelser på flere forskningslaboratorier af, hvordan man kunne udskille isotopen ²³⁵U. I Berkeley blev grundstof 94 (plutonium) opdaget af Glenn Seaborg i februar 1941, og dets fissionsegenskaber blev undersøgt af ham selv og Emilio Segrè. Brugen af det som alternativ til ²³⁵U blev en vigtig mulighed.

I juni 1941 overbeviste Vannevar Bush Roosevelt om, at det var nødvendigt, at videnskabsfolk deltog i forsvarsaktiviteterne og i udviklingen af nye våben. Office of Scientific Research and Development (OSRD) oprettes med direkte reference til præsidenten. ACU underlægges OSRD under det nye navn 'Section S-1'. Det anbefales, at industrien inddrages i produktionen af pilotanlæg, og der indføres en strammere politisk kontrol med forskningen.

Billedet ovenfor: De videnskabelige ledere af S-1-projektet: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29. marts 1940).

Den 9. oktober 1941 forelægger V. Bush MAUD-rapporten, som briterne havde stillet til rådighed, for Roosevelt og vicepræsident Henry A. Wallace. Roosevelt giver Bush fuld bemyndigelse til at undersøge, om en bombe kunne bygges, og til hvilken pris, med den nødvendige finansiering fra en særlig præsidentiel kilde. Projektet skulle holdes strengt hemmeligt, og detaljerne i samarbejdet med Storbritannien skulle fastlægges præcist. Denne begivenhed fik afgørende betydning for selve fremstillingen af bomben.

Samarbejdet havde sine vanskeligheder, der opstod alt efter, hvilken part der på et givet tidspunkt syntes at være længst fremme i kerneforskningen. I 1941 begrænsede briterne de oplysninger, de gav amerikanerne, og i 1942 afviste amerikanerne at optage et britisk hold i deres program. Problemerne blev forværret af de franske videnskabsfolks tilstedeværelse i det britiske projekt og af patentpolitikken. I januar 1943 blev kommunikationen helt afbrudt. Samarbejdet blev genoptaget med Québec-aftalen af 17. august 1943 mellem Canada, Storbritannien og USA. Storbritannien standsede sit eget bombeprojekt, og dets videnskabsfolk sluttede sig til det amerikanske hold; der blev sikret fri udveksling af oplysninger, og hver part fik vetoret over brugen af bomben.

Efter at USA var gået ind i krigen i december 1941, fik det amerikanske atomprogram tildelt ressourcer på højeste niveau uden nogen budgetbegrænsninger.

Arthur Compton i Chicago fik ansvaret for at opnå en kædereaktion med henblik på produktion af plutonium, Ernest Lawrence i Berkeley for elektromagnetisk isotopseparation af ²³⁵U ved hjælp af specialkonstruerede cyklotroner og Harold Urey for isotopseparation med centrifuger og gasdiffusion.

General Leslie Groves udnævnes i september 1942 til militær leder af projektet, der nu kaldes 'Manhattan Engineering District' (MED). Han giver straks højeste prioritet til at sikre de nødvendige materialer og udvælger et område på omkring 230 kvadratkilometer i Tennessee (Oak Ridge) til opførelse af laboratorierne til produktion af de fissile materialer.

Billedet til højre: Kort over Oak Ridge-komplekset, der blev bygget til produktion af fissile materialer. I løbet af få måneder blev der i dette landområde ud over enorme laboratorier bygget en by med 13000 indbyggere og et vejnet med fast belægning på 500km. I løbet af det følgende år nåede byen op på 42000 indbyggere.

Enrico Fermis eksperimenter med reaktorstabler af naturligt uran og grafit af højere kvalitet gjorde ham sikker på, at han kunne opnå en selvopretholdende kædereaktion. Den 16. november 1942 begyndte han at bygge en demonstrationsstabel (CP1) i Chicago, med Wigner som hjælp til de teoretiske beregninger.

Den første selvopretholdende kædereaktion blev opnået den 2. december 1942. Det bekræftede, at man kunne bruge kernespaltning til at producere energi, og skabte en kilde til plutonium til bomben.

CP1 blev straks skilt ad, og materialerne blev genbrugt til en større stabel, CP2, i det nye laboratorium i Argonne-skoven nær Chicago.

Billedet til venstre: Vesttribunen på Chicago-universitetets Stagg Stadium, under hvilken CP1 blev bygget.

Man arbejdede med to metoder til separation af uran.

Metoden med elektromagnetisk separation bygger på princippet om, at ladede genstande afbøjes, når de bevæger sig i et magnetfelt. Tungere ioner afbøjes mindre end lettere ioner. Opsamlere, der er placeret rigtigt, kan udnytte denne adskillelse.

Metoden med diffusion bygger på, at de lettere molekyler i en gas har en højere gennemsnitshastighed end de tungere molekyler. En sammenpresset gas af en uranforbindelse får lov at diffundere gennem en porøs membran: De lidt lettere ²³⁵U-molekyler har større chance for at slippe gennem hullerne (en brøkdel af en mikrometer i diameter). Den gas, der kommer ud, og som er en smule beriget med den ønskede isotop (3 promille), presses derefter sammen igen, og processen gentages. På anlægget i Oak Ridge nåede separationsmembranens samlede areal i 1945 op på tusinder af kvadratmeter, og der blev produceret uran beriget op til 10 %.

Billedet øverst til højre: Skematisk diagram over gasstrømmen i en diffusionskaskade.

Til selve konstruktionen af bomben besluttede J. Robert Oppenheimer, MED's videnskabelige leder, at samle alle de nødvendige videnskabsfolk og tekniske eksperter i et nyt hemmeligt laboratorium, som blev bygget i Los Alamos, et afsides plateau i New Mexico, i løbet af vinteren 1942-1943. I marts 1943 begyndte laboratoriet, under University of Californias ansvar, grundforskning med henblik på at fremstille “et praktisk anvendeligt militært våben”. Flere forskningsapparater blev flyttet dertil fra hele USA: Harvard-cyklotronen, to Van de Graaff-acceleratorer fra Wisconsin, en Cockcroft-Walton-accelerator fra Illinois osv. Befolkningen i Los Alamos blev fordoblet hver 9. måned og nåede over 5000 i 1945.

Trods de militære begrænsninger lykkedes det Oppenheimer at bevare stilen fra en videnskabelig institution og at gøre forskningsarbejdet tilfredsstillende. Livet der var hårdt, men spændende, og kontakten med erfarne forskere gav unge fysikere mulighed for at tilegne sig afgørende færdigheder.

Vejen til plutonium begynder med, at man lader ²³⁸U absorbere en neutron i en atomreaktor, der arbejder med langsomme neutroner. Efter prototypestablerne CP1 og CP2 byggede industrivirksomheder tre store reaktorer i et nyt hemmeligt center i Hanford (Washington) og én i Oak Ridge.

I Los Alamos gik forskningen i det nye materiales kemiske, fysiske og metallurgiske egenskaber i gang, så snart der blev leveret plutonium, først i grammængder og fra foråret 1945 i betydelige mængder, nok til fremstilling af tre bomber.

Den 3. juli 1945 blev ²³⁵U-bomben, kaldet “Little Boy”, færdiggjort i Los Alamos. Det fissile materiale var beriget op til 86 % til 3 kritiske masser på hver omkring 60kg. Detonationen byggede på kanonmetoden og brugte et kanonrør, der var 180cm langt og vejede 453kg.

Little Boy var omkring 3m lang med en diameter på 70cm, lille nok til at passe ind i bomberummet på et B-29-bombefly, og vejede i alt omkring 4000kg. Videnskabsfolkene havde fuld tillid til, at den ville virke, og man fandt det ikke nødvendigt med forudgående prøver.

Plutoniumbomben “Fat Man” havde en plutoniumkerne, der vejede omkring 6,1kg, og krævede en detonation baseret på implosionsmetoden for at undgå fordetonation, med brug af omkring 2300kg højeksplosivt sprængstof. Kernen, uranhylsteret og sprængstoffet blev holdt på plads af en metalkugle bestående af tolv femkantede sektioner. Våbnet havde stabiliseringsfinner og en beskyttende, ægformet yderskal med en diameter på 150cm. “Fat Man” var omkring 365cm lang og vejede omkring 4900kg.

Billedet: Fat Man-bomben gøres klar på Tinian i Marianerne til at blive kastet over Nagasaki.

Implosionsmetoden var helt ny, og de foreløbige delprøver gav ikke fuld sikkerhed.

Da der var plutonium nok til rådighed, blev der derfor i midten af juli 1945 udført en endelig prøve med den komplette bombe ved Alamogordo i New Mexicos ørken, på et sted kaldet Trinity.

Våbnets virkningsgrad var 17 % med en sprængkraft på 22kt. Prøven gjorde det også muligt at kontrollere flere tekniske detaljer, men hovedformålet var at opleve virkningerne af en kerneeksplosion på første hånd.

Ingen af vidnerne til den første kerneeksplosion var forberedt på den virkelige begivenhed: fra det første lysglimt og den første lydløse ildkugle, fra lyspulsens tavse varme, som samtidige hårde slag på begge kinder, til trykbølgen, der jog hen over ørkenbunden, og til skyen af affald, der dannede den truende svampeform.

Billedet til højre: Den første ildkugle fra den allerførste kerneeksplosion på Jorden, 16. juli 1945.

Forløbet af en kerneeksplosion og dens virkninger afhænger ud over sprængkraften af eksplosionens type, dvs. i luften, i stor højde, på jordoverfladen, under vand eller under jorden, og af de konkrete vejrforhold og terrænets beskaffenhed.

De vigtigste fænomener er dog de samme. Den store energi, der dannes i løbet af eksplosionens korte varighed, opvarmer materialerne til temperaturer på flere titusinder af millioner grader, og der opstår tryk på flere millioner gange atmosfærens tryk. Store mængder energi udstråles hovedsageligt som røntgenstråling, der absorberes af luften, så der dannes en ekstremt varm og glødende luftmasse. Denne ildkugle vokser og stiger op, mens temperaturen falder. Efter et minut ophører lysudsendelsen, og skyen er steget til omkring 7km højde.

Billedserien til venstre viser de første 4 sekunder af ildkuglens udvikling under Trinity-prøven.

I begyndelsen af 1945 stod det klart, at de allierede var ved at vinde krigen både i Europa og i Stillehavet. Flere videnskabsfolk begyndte at diskutere kernekraftens sociale og politiske konsekvenser og følgerne af faktisk at bruge bomben. I juni 1945 foreslog James Francks rapport, at man skulle advare Japan og demonstrere bombens kraft i et ubeboet område i betragtning af dens ødelæggende virkninger. Et videnskabeligt panel bestående af Compton, Fermi, Lawrence og Oppenheimer blev nedsat til at rådgive Interim Committee og fremlagde videnskabsfolkenes synspunkter.

Efter at alle de allierede var blevet hørt, blev en direkte militær brug af våbnet dog anset for nødvendig, selvom man for fremtiden forestillede sig et åbent internationalt samarbejde om udviklingen af civil kernekraft.

Om morgenen den 6. august 1945 kl. 8.15 blev Little Boy kastet over Hiroshima og eksploderede 580m over byen med en sprængkraft på mellem 12kt og 15kt. Den 9. august 1945 kl. 11.02 eksploderede Fat Man 503m over Nagasaki; dens sprængkraft var større end 22kt. De to byer blev ødelagt, mere end hundrede tusinde blev dræbt og hundrede tusinde såret. Japan overgav sig, og Anden Verdenskrig var slut. Den endelige beslutning om at kaste bomben var både militært begrundet, for at undgå store tab af menneskeliv ved en invasion af Japan, og politisk, for at afslutte krigen, før Sovjetunionen kunne ekspandere i Stillehavsområdet.

Billedet: Oberst Paul W. Tibbets, Jr., ved sit B-29-bombefly “Enola Gay” før afgangen mod Hiroshima.

Efter krigen begyndte man at undersøge perspektiverne for civil og militær kernekraft. Den nye amerikanske præsident, Harry S. Truman, nedsætter en “Interim Committee”, der skal tage stilling til brugen af våbnene og til, hvordan et fremtidigt atomprogram skal udformes. Blandt de beslutninger, der skulle træffes, var, om man skulle gå videre med internationalt samarbejde eller føre en politik med amerikansk monopol.

Men Anden Verdenskrig var et vendepunkt i forholdet mellem videnskabsfolk og regeringer. Videnskabsfolkene opfandt og byggede ikke blot nye våben; de gik aktivt ind for dem og deltog i beslutningerne om, hvornår og hvordan de skulle bruges, og blev dermed fuldgyldige partnere i den politiske beslutningsproces.

Atombombens militære og politiske succes og kerneenergiens økonomiske muligheder gav overalt det videnskabelige samfund synlighed og magt. Storbritannien, Rusland og Frankrig havde brug for videnskabsfolk til at opbygge deres egne atomarsenaler. I USA fik fysikerne stor økonomisk støtte og formåede, mod det militære establishments ønske, at vinde ansvaret for at kontrollere udviklingen af kerneenergien. I USA blev kernekraftpolitikken lagt i hænderne på Atomic Energy Commission, et organ under civil kontrol.