Tabet af de vigtigste kilder til gummi – plantagerne i Fjernøsten – under Anden Verdenskrig førte til hasteprogrammer for forskning i og produktion af syntetisk gummi for at dække industriens og krigsindsatsens behov.

Nylon viste sig at være et andet strategisk materiale, der blev brugt som “kunstig silke” til faldskærme. I Tyskland byggede I.G. Farben en stor fabrik i Buna, som udnyttede slavearbejde fra fangerne i Auschwitz.

Tyskland lagde stor vægt på forskning i og produktion af nye bombe- og jagerfly. Tyskerne var de første til at indsætte fly med jetmotorer, senere fulgt af det britiske RAF. Den tyske V-2 (Vergeltungswaffe Zwei) var en milepæl i raketteknikkens udvikling. V-2, der blev drevet af alkohol og flydende ilt, var det første ballistiske missil, dvs. en selvdrevet raket, der efter opsendelsen kun følger en bane bestemt af tyngdekraften. V-2 fløj hurtigere end lyden, men var ikke særlig præcis. Over en afstand på 320km ramte for eksempel kun en tredjedel af V-2-raketterne inden for 5km fra deres mål.

Billedet til venstre: Et V-2-missil på sin mobile affyringsrampe, Meillerwagen, i 1943. Efter krigen blev erobrede V-2-raketter grundigt undersøgt af sovjetiske og amerikanske forskere, og deres teknologi blev udgangspunktet for de to stormagters rumprogrammer.

I 1940 samlede den britiske hærs luftværnskommando en gruppe forskere under fysikeren P.A.M. Blackett for at undersøge den operative brug af radar, kanoner og mekaniske regnemaskiner til luftværnsskydning. I Admiralitetet fra 1942 til 1945 opnåede denne gruppe væsentlige forbedringer i brugen af flybåren radar til at finde de tyske ubåde, der sænkede handelsskibe i Atlanterhavet.

Ud af deres arbejde udviklede der sig et nyt matematisk felt – kaldet operationsanalyse – til behandling af komplekse optimeringsproblemer. Operationsanalysen flyttede i 1942 til USA, hvor den blev videreudviklet til militære formål ved Princeton University og Massachusetts Institute of Technology.

Anden Verdenskrig var også vidne til udviklingen og den første systematiske brug af digitale computere til at løse militære problemer. I Tyskland blev Konrad Zuses computer brugt i flyindustrien. I Storbritannien blev Colossus, den første elektroniske digitale computer, udviklet til at bryde tyske koder. I USA beregnede Harvards elektromekaniske Mark I og den amerikanske hærs elektroniske ENIAC skydetabeller til artilleriet og udførte andre militære beregninger. ENIAC blev også brugt i udviklingen af atombomben.

Billedet øverst til højre: Apparatet af træ i forgrunden er en tysk Enigma-maskine med fire rotorer, der blev brugt til kryptering. Den store maskine i baggrunden er en “Bombe”, der blev brugt til at bryde koden.

Brugen af radiobølger til at opdage og lokalisere genstande blev foreslået allerede i 1900 af Nikola Tesla. De militære fordele fik afgørende betydning under Anden Verdenskrig, i luftslaget om England og i operationerne i Stillehavet.
Et rør til frembringelse af mikrobølgeeffekt, som var afgørende for radarens succes, nemlig den såkaldte hulrumsmagnetronen, blev udviklet i Storbritannien omkring 1940. Der blev oprettet et særligt Radiation Laboratory ved Massachusetts Institute of Technology, hvor flere amerikanske fysikere var ansat.

Billedet til venstre: SCR268 i brug i Italien i 1944. Denne radartype var en detektor af projektørtypen til at dirigere luftværnsskyts. Billedet til højre: Den britiske fysiker E.G. Bowen viser en magnetron til Lee DuBridge og fysikeren I.I. Rabi i Radiation Laboratory i 1943.

Det tyske angreb i 1941 ramte Sovjetunionens militære strukturer stort set uforberedte, hvilket muliggjorde en hurtig invasion af russisk territorium. Den sovjetiske industri måtte producere nye våbensystemer, og forskere og videnskabelige institutioner blev sat til at udvikle materialer til kampvogne, fly og våben, der var egnede til operationer under den russiske vinters ekstreme forhold.

T-34-kampvognen fik en dybtgående og varig indflydelse på senere kampvognstaktik og -konstruktion. Den blev første gang indsat i 1940 og regnes for Anden Verdenskrigs mest effektive og indflydelsesrige konstruktion.

Umiddelbart efter at Otto Frisch og Lise Meitner havde observeret den store energi, der frigøres ved fission af uran (december 1938), og Enrico Fermi havde peget på muligheden for en kædereaktion (januar 1939), stod de mulige militære anvendelser af fissionsprocesser klart for kernefysikerne. Leo Szilards forslag om at afholde sig fra at offentliggøre nye resultater blev seriøst overvejet, men ikke reelt accepteret. I foråret 1939 blev regeringerne eller de militære myndigheder i USA, Tyskland, Sovjetunionen, Frankrig og Storbritannien gjort opmærksomme på de mulige militære anvendelser af kernespaltning.

Problemer: Timing – hurtige neutroner

Konstruktionen af en atombombe rejser imidlertid helt andre problemer end konstruktionen af en atomreaktor. Det grundlæggende problem er, at et enormt antal kerner skal spaltes samtidig, på så kort tid, at det fissile materiale ikke når at blive spredt på grund af opvarmningen. En eksplosion svarende til 20kt kemisk sprængstof (TNT) kræver fission af 1kg ²³⁵U, hvilket indebærer en kædereaktion i 80 led. Da en fission sker på omkring 10^-8s, går der 80 neutrongenerationer på 0,8 mikrosekunder. Neutronerne skal bruge omkring 1 mikrosekund på at blive bremset, og derfor må en bombe arbejde med de hurtige neutroner, efterhånden som de dannes, uden moderator.

Det fissile materiales kritiske masse

En stor del af de neutroner, der frigøres i fissionsprocessen, har en energi på under 1MeV og kan derfor ikke fremkalde fission af en ²³⁸U-kerne. Kernevåben bruger derfor kun ²³⁵U eller ²³⁹Pu. Minimumsmassen afhænger af det fissile materiales renhed, men kan reduceres betydeligt ved at omgive kernen med et lag tungt materiale – en såkaldt tamper – som reflekterer neutronerne tilbage og forsinker det aktive materiales udvidelse. Et tykt lag U som tamper reducerer for eksempel den kritiske masse for en kugle af rent ²³⁵U fra 56kg til 15kg og for ²³⁹Pu fra 11kg til 5kg.

Billedet til højre: Kurver over de kritiske masser af ²³⁵U og ²³⁹Pu som funktion af deres renhed.

Bombens konstruktion

For at være brugbart skal et kernevåben være let at håndtere sikkert og skal fungere uden fejl. Det skal også være lille nok til at kunne bringes frem til sit mål. Alle disse modstridende krav skal opfyldes, hvilket kræver et samarbejde mellem eksperter inden for mange områder. Den nødvendige videnskabelige viden omfatter især en præcis bestemmelse af fissionssandsynlighederne og af de fissile materialers opførsel som funktion af tryk og temperatur.

Detonationsmekanismer

Før affyringen skal det aktive materiale være anbragt på en sådan måde, at der ikke kan udvikle sig en kædereaktion, under hensyntagen til alle mulige neutronkilder. Selve affyringen består i en omlejring af rumfanget, som sikrer den konfiguration, der er nødvendig for en kædereaktion. Der findes to grundlæggende fremgangsmåder.

Ved kanonmetoden skydes en underkritisk masse med høj hastighed af en konventionel kanon ind i en anden underkritisk masse.

Ved implosionsmetoden detoneres en ydre ladning af kemisk sprængstof jævnt rundt om, så den presser en underkritisk masse sammen til en overkritisk konfiguration. Til ²³⁵U-våben kan begge metoder bruges, men til plutoniumvåben kan kun implosionsmetoden bruges, fordi der findes spontant spalteligt ²⁴⁰Pu.

Billedet til venstre: Skematiske tegninger af de to detonationsmekanismer – fra Los Alamos, begyndelsen af 1943.

I løbet af 1939 udføres der på Columbia University i New York forskning i fissionens grundlæggende egenskaber af Fermis og John Dunnings grupper med begrænset økonomisk støtte fra den amerikanske flåde. Mens Fermi sigtede mod at opnå en kædereaktion med naturligt uran og grafitmoderatorer, begyndte Dunning forskning i berigelse af uran med isotopen ²³⁵U. I Princeton udvikler Niels Bohr og John Wheeler den grundlæggende teori for fission og understreger betydningen af ²³⁵U.

Billedet til venstre: Fermi, Bohr og Léon Rosenfeld på Carnegie Institution i 1939. Fissionen blev demonstreret ved Department of Terrestrial Magnetism (DTM) den 28. januar 1939.

Frankrig

I Paris indser Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin og Frédéric Joliot-Curie, at langsomme neutroner er mere effektive til at fremkalde fissioner, og begynder at bruge først brint og siden tungt vand til at bremse fissionsneutronerne. I oktober 1939 når de frem til en tilnærmet formel for kædereaktionens lov, som de holder hemmelig indtil slutningen af Anden Verdenskrig. Efter den tyske invasion af Frankrig tager von Halban og Kowarski deres tunge vand med til England og slutter sig til det britiske forskerhold. Joliot fortsætter sin forskning i Frankrig, hvor han deltager i modstandsbevægelsen mod nazisterne.

Billedet til højre: Hans von Halban, Lew Kowarski og Frédéric Joliot-Curie, begyndelsen af 1939.

Tyskland

Allerede i marts 1939 begynder den tyske regering at interessere sig for kernespaltning. I september oprettes formelt et uranprojekt under Kurt Diebners ansvar. Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik i Berlin-Dahlem bliver det videnskabelige centrum, og der arbejdes på flere institutter rundt om i Tyskland. Brugen af tungt vand og isotopseparation er de vigtigste forskningsemner. Heisenberg udvikler teorien for fission. I sommeren 1941 kører der allerede en underkritisk stabel med tungtvandsmoderator i Leipzig. Fritz Houtermans beskriver forskellige aspekter af fissionen og foreslår at bruge grundstof 94 (plutonium) dannet ud fra ²³⁸U. I Berlin bygges en stor underkritisk stabel med 500l tungt vand.

I 1942 var Heisenberg overbevist om, at det var umuligt at bygge et kernevåben på grund af vanskelighederne ved at udskille ²³⁵U. Den 4.-6. juni 1942 fremlagde uranudvalget sine resultater for minister Albert Speer og feltmarskal Erhard Milch: Man besluttede at give produktion af kernekraft førsteprioritet. Muligheden for en atommotor til flåden blev overvejet, og i vinteren 1944 blev der i Dahlem bygget en stor stabel med 1,5t uran og 1,5t tungt vand. Efter bombningen af instituttet flyttes forskningen til en hule ved Hechingen i Baden-Württemberg. Instrumenterne og forskerne bliver taget til fange af amerikanske styrker den 22. april 1945.

Billedet til venstre: Uranlaboratoriet i Dahlem.

Sovjetunionen

Eksperimentel og teoretisk forskning i fission begyndte straks i den russiske by Leningrad (i dag Sankt Petersborg), og i en række banebrydende artikler af Jakov Borisovitj Zeldovitj og Julij Khariton i 1939-40 blev de grundlæggende principper for fissionskædereaktionen skitseret.

I 1940 blev et program for udnyttelse af fission forelagt præsidiet for Videnskabsakademiet. I Leningrad går Kurtjatovs gruppe i juni 1941 i gang med en nybygget cyklotron. Under den tyske invasion af Rusland (juni 1941) standser Stalin dog forskningen i fission.

I juli 1945 besluttede Stalin at iværksætte et hasteprogram for udvikling af kernekraft under ledelse af Igor Kurtjatov. Et hemmeligt laboratorium (Arzamas-16) blev bygget af krigsfanger nær Arzamas, omkring 400km øst for Moskva. Flere tyske forskere og materialer fra tyske laboratorier var med til at sætte fart i det russiske projekt.

Billedet til højre: Kort over de første sovjetiske atomlaboratorier.

Storbritannien: Frisch-Peierls-memorandummet

Starten på det britiske kernevåbenprogram var et resultat af den forskning, som to flygtninge udførte i Birmingham: tyskeren Rudolf Ernst Peierls og østrigeren Otto Frisch. Den 19. marts 1940 forelægger de Henry Tizard, rektor for Imperial College, to fortrolige memoranda: “On the Properties of a Radioactive ‘Superbomb’” og “On the Construction of a ‘Superbomb’ Based on a Nuclear Chain Reaction in Uranium”.

I deres memorandum argumenterer de for, at det er muligt at skabe en eksplosiv kædereaktion med hurtige neutroner i ²³⁵U med en kritisk masse på kun 1kg. De beskriver kanonmetoden til detonation, undersøger våbnets virkninger og insisterer på at starte et forskningsprogram for at modvirke den tyske atomudvikling.

Frisch-Peierls-memorandummet, som gjorde udsigten til et uranvåben realistisk, overbeviste RAF om at starte et stort forskningsprogram (MAUD-komitéen) under George Thomson med grupper i Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant og Peierls), Oxford (til isotopseparation) og hos Imperial Chemical Industries.

Billedet til venstre: Mark Oliphant på fysikinstituttet i Birmingham i 1941.

Efter Frankrigs fald bragte de parisiske forskere deres ekspertise og deres tunge vand med til Storbritannien. Den 7. juli 1941 forelægger MAUD-komitéen regeringen detaljerede dokumenter, der beskriver de militære og civile anvendelser af fission. Churchill giver begge forskningsområder høj prioritet; “Directorate of Tube Alloys” oprettes under ledelse af John Anderson, Lord President of the Council. Ved udgangen af 1941 var det britiske program det mest avancerede i verden.

Italien

Den kernefysiske gruppe i Rom, som var grundlagt af Fermi og blev ledet af Edoardo Amaldi efter Fermis afrejse til USA i 1939, var specialiseret i neutroninducerede reaktioner. Det var vigtigt at forske i fission for at forstå, hvorfor gruppen tidligere, i 1936, havde forvekslet denne reaktion med dannelsen af transuraner.

I 1941 besluttede gruppen i Rom dog at indstille al forskning i fission på grund af dens militære konsekvenser.

Billedet til højre: Cockcroft-Walton-protonacceleratoren på 200kV, som den kernefysiske gruppe i Rom brugte fra 1939.

Yoshio Nishina begyndte forskning i kernevåben i sommeren 1940 på Riken-laboratoriet i Tokyo med begrænset støtte fra den japanske hær. I Kyoto støttede den kejserlige flåde Bunsaku Arakatsus forskning. Konkurrencen mellem flåden og luftvåbnet betød, at der kun skete begrænsede fremskridt indtil foråret 1943, hvor de første separationsanlæg blev bygget. Projektet nåede dog aldrig et effektivt omfang. Efter bombningen af Hiroshima fløj Nishina over byen og erkendte, hvor frygtindgydende et atomangreb er.