Tapet av de viktigste kildene til gummi – plantasjene i Østen – under andre verdenskrig førte til forserte programmer for forskning på og produksjon av syntetisk gummi for å dekke behovene til industrien og krigsinnsatsen.

Nylon viste seg å være et annet strategisk materiale og ble brukt som «kunstsilke» til fallskjermer. I Tyskland bygde I.G. Farben en stor fabrikk i Buna som utnyttet slavearbeid fra fangene i Auschwitz.

Tyskland la stor vekt på forskning på og produksjon av nye bombe- og jagerfly. Tyskerne var de første som satte inn fly med jetmotorer, senere fulgt av det britiske RAF. Den tyske V-2 (Vergeltungswaffe Zwei) var en milepæl i rakettutviklingen. V-2, som ble drevet av alkohol og flytende oksygen, var det første ballistiske missilet, dvs. en selvdrevet rakett som etter oppskytingen bare følger en bane bestemt av tyngdekraften. V-2-rakettene fløy fortere enn lydens hastighet, men de var ikke særlig treffsikre. På en avstand av 320 km traff for eksempel bare en tredjedel av V-2-rakettene innenfor 5 km fra målet.

Bildet til venstre: En V-2-rakett på den mobile utskytingsrampen Meillerwagen i 1943. Etter krigen ble erobrede V-2-raketter grundig studert av sovjetiske og amerikanske forskere, og teknologien deres ble utgangspunktet for de to stormaktenes romprogrammer.

I 1940 samlet den britiske hærens luftvernkommando en gruppe vitenskapsfolk under fysikeren P.A.M. Blackett for å studere den operative bruken av radar, kanoner og mekaniske regnemaskiner i luftvernet. Ved admiralitetet førte denne gruppen fra 1942 til 1945 til en betydelig forbedring i bruken av flybåren radar til å finne tyske ubåter som senket handelsskip i Atlanterhavet.

Ut fra arbeidet deres vokste det fram et nytt matematisk fagfelt – operasjonsanalyse – for behandling av komplekse optimeringsproblemer. Operasjonsanalysen flyttet i 1942 til USA, der den ble videreutviklet for militære formål ved Princeton University og Massachusetts Institute of Technology.

Andre verdenskrig ser også utviklingen og den første systematiske bruken av digitale datamaskiner til å løse militære problemer. I Tyskland ble Konrad Zuses datamaskin brukt i flyindustrien. I Storbritannia ble Colossus, den første elektroniske digitale datamaskinen, utviklet for å knekke tyske koder. I USA produserte Harvards elektromekaniske Mark I og den amerikanske hærens elektroniske ENIAC skytetabeller for artilleriet og utførte andre militære beregninger. ENIAC ble også brukt i utviklingen av atombomben.

Bildet over til høyre: Treapparatet i forgrunnen er en tysk Enigma-maskin med fire rotorer, som ble brukt til koding. Den store maskinen i bakgrunnen er en «Bombe» som ble brukt til å knekke koden.

Bruk av radiobølger til å oppdage og lokalisere objekter ble foreslått allerede i 1900 av Nikola Tesla. De militære fordelene fikk avgjørende betydning under andre verdenskrig i luftslaget om England og i operasjonene i Stillehavet.
Et rør for produksjon av mikrobølgeeffekt som var helt avgjørende for radarens suksess, den såkalte hulromsmagnetronen, ble utviklet i Storbritannia rundt 1940. Et eget strålingslaboratorium (Radiation Laboratory) ble opprettet ved Massachusetts Institute of Technology, der flere amerikanske fysikere arbeidet.

Bildet til venstre: SCR-268 i bruk i Italia i 1944. Denne radartypen var en søkelyslignende detektor for å dirigere luftvernild. Bildet til høyre: Den britiske fysikeren E.G. Bowen viser en magnetron til Lee DuBridge og fysikeren I.I. Rabi ved Radiation Laboratory i 1943.

Det tyske angrepet i 1941 traff Sovjetunionens militære strukturer stort sett uforberedt og gjorde det mulig med en rask invasjon av russisk territorium. Den sovjetiske industrien måtte produsere nye våpensystemer, og vitenskapsfolk og vitenskapelige institusjoner ble kalt inn for å utvikle materialer til stridsvogner, fly og våpen som var egnet for operasjoner under de ekstreme forholdene i den russiske vinteren.

Stridsvognen T-34 hadde en dyp og varig innflytelse på senere stridsvogntaktikk og -konstruksjon. Den ble satt inn første gang i 1940 og regnes som den mest effektive, rasjonelle og innflytelsesrike konstruksjonen under andre verdenskrig.

Like etter at Otto Frisch og Lise Meitner hadde observert den store energien som frigjøres ved fisjon av uran (desember 1938), og Enrico Fermi hadde pekt på muligheten for en kjedereaksjon (januar 1939), ble de mulige militære anvendelsene av fisjonsprosesser tydelige for kjernefysikerne. Leo Szilards forslag om å la være å publisere nye resultater ble vurdert seriøst, men ikke vedtatt. Våren 1939 ble regjeringene eller de militære myndighetene i USA, Tyskland, Sovjetunionen, Frankrike og Storbritannia gjort oppmerksomme på de mulige militære anvendelsene av kjernefisjon.

Problemer: tidsfaktoren – raske nøytroner

Konstruksjonen av en kjernefysisk bombe byr imidlertid på helt andre problemer enn konstruksjonen av en kjernereaktor. Det grunnleggende problemet er at et enormt antall kjerner må fisjonere samtidig, på så kort tid at det fissile materialet ikke rekker å bli spredt av oppvarmingen. En eksplosjon som tilsvarer 20 kt kjemisk sprengstoff (TNT), krever fisjon av 1 kg ²³⁵U, noe som innebærer en kjedereaksjon i 80 ledd. Siden en fisjon skjer på omkring 10^-8s, går det 80 nøytrongenerasjoner på 0,8 mikrosekunder. Nøytronene trenger omkring 1 mikrosekund for å bremses ned, og derfor må en bombe virke med raske nøytroner slik de produseres, uten moderator.

Kritisk masse av fissilt materiale

En stor del av nøytronene som frigjøres i fisjonsprosessen, har en energi på under 1 MeV og kan derfor ikke få en ²³⁸U-kjerne til å fisjonere. Kjernevåpen bruker derfor bare ²³⁵U eller ²³⁹Pu. Minstemassen avhenger av hvor rent det fissile materialet er, men kan reduseres kraftig ved å omgi kjernen med et lag av tungt materiale – en reflektor (tamper) – som reflekterer nøytronene tilbake og forsinker utvidelsen av det aktive materialet. En tykk U-reflektor reduserer for eksempel den kritiske massen til en kule av rent ²³⁵U fra 56 kg til 15 kg og for ²³⁹Pu fra 11 kg til 5 kg.

Bildet til høyre: Kurver over de kritiske massene til ²³⁵U og ²³⁹Pu som funksjon av renheten.

Bombens konstruksjon

For å være brukbart må et kjernevåpen være lett å håndtere på en sikker måte og virke uten feil. Det må også være lite nok til å kunne fraktes til målet. Alle disse motstridende kravene må oppfylles, og det krever samarbeid mellom eksperter på mange områder. Den nødvendige vitenskapelige kunnskapen omfatter særlig nøyaktig bestemmelse av fisjonssannsynligheter og av hvordan fissile materialer oppfører seg som funksjon av trykk og temperatur.

Detonasjonsmekanismer

Før avfyringen må det aktive materialet være ordnet slik at det ikke kan utvikle seg noen kjedereaksjon, med hensyn til alle mulige nøytronkilder. Selve avfyringen består i en omplassering av volumene som sikrer den konfigurasjonen som trengs for en kjedereaksjon. Det finnes to grunnleggende metoder.

Ved kanonmetoden skytes én underkritisk masse med høy hastighet inn i en annen underkritisk masse av en konvensjonell kanon.

Ved implosjonsmetoden detoneres en ytre ladning av kjemisk sprengstoff jevnt, på en slik måte at en underkritisk masse presses sammen til en overkritisk konfigurasjon. For ²³⁵U-våpen er begge metodene mulige, men for plutoniumvåpen er bare implosjonsmetoden gjennomførbar, på grunn av innholdet av spontant fisjonerende ²⁴⁰Pu.

Bildet til venstre: Skjematiske tegninger av de to detonasjonsmekanismene – fra Los Alamos, tidlig i 1943.

I løpet av 1939 forsker gruppene til Fermi og John Dunning ved Columbia University i New York på fisjonens grunnleggende egenskaper, med begrenset økonomisk støtte fra den amerikanske marinen. Mens Fermi tok sikte på å oppnå en kjedereaksjon med naturlig uran og grafittmoderatorer, begynte Dunning å forske på anrikning av uran med isotopen ²³⁵U. I Princeton utvikler Niels Bohr og John Wheeler den grunnleggende teorien for fisjon og understreker betydningen av ²³⁵U.

Bildet til venstre: Fermi, Bohr og Léon Rosenfeld ved Carnegie Institution i 1939. Fisjon ble demonstrert ved Department of Terrestrial Magnetism (DTM) den 28. januar 1939.

Frankrike

I Paris innser Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin og Frédéric Joliot-Curie at langsomme nøytroner er mer effektive til å framkalle fisjoner, og de begynte å bruke først hydrogen og deretter tungtvann til å bremse fisjonsnøytronene. I oktober 1939 kommer de fram til en tilnærmet formel for kjedereaksjonens lov, som de holder hemmelig til slutten av andre verdenskrig. Etter den tyske invasjonen av Frankrike tar von Halban og Kowarski med seg tungtvannet sitt til England og slutter seg til den britiske forskergruppen. Joliot fortsetter forskningen sin i Frankrike, der han deltar i motstandsbevegelsen mot nazistene.

Bildet til høyre: Hans von Halban, Lew Kowarski og Frédéric Joliot-Curie, tidlig i 1939.

Tyskland

Allerede i mars 1939 begynner den tyske regjeringen å interessere seg for kjernefisjon. I september blir et uranprosjekt formelt opprettet under ledelse av Kurt Diebner. Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik i Berlin-Dahlem blir det vitenskapelige sentrumet, og arbeidet utføres ved flere institutter rundt om i Tyskland. Bruken av tungtvann og isotopseparasjon er de viktigste forskningstemaene. Heisenberg utvikler fisjonsteorien. Sommeren 1941 er en underkritisk reaktorstabel med tungtvannsmoderator allerede i drift i Leipzig. Fritz Houtermans beskriver ulike sider ved fisjonen og foreslår å bruke grunnstoff 94 (plutonium), som dannes fra ²³⁸U. I Berlin bygges en stor underkritisk reaktorstabel med 500 l tungtvann.

I 1942 var Heisenberg overbevist om at det var umulig å bygge et kjernevåpen, på grunn av vanskelighetene med å separere ²³⁵U. Den 4.–6. juni 1942 la urankomiteen fram resultatene sine for minister Albert Speer og feltmarskalk Erhard Milch: man besluttet å prioritere produksjon av kjernekraft. Muligheten for en kjernefysisk motor for marinen ble vurdert, og vinteren 1944 ble det bygd en stor reaktorstabel i Dahlem med 1,5 tonn uran og 1,5 tonn tungtvann. Etter bombingen av instituttet flyttes forskningen til en grotte ved Hechingen i Baden-Württemberg. Instrumentene og vitenskapsfolkene blir tatt til fange av amerikanske styrker den 22. april 1945.

Bildet til venstre: Uranlaboratoriet i Dahlem.

Sovjetunionen

Eksperimentell og teoretisk forskning på fisjon begynte straks i den russiske byen Leningrad (i dag St. Petersburg), og i en rekke banebrytende artikler av Jakov Borisovitsj Zeldovitsj og Julij Khariton i 1939–40 ble de grunnleggende prinsippene for kjedereaksjoner med fisjon skissert.

I 1940 ble et program for utnyttelse av fisjon lagt fram for presidiet i Vitenskapsakademiet. I Leningrad begynner Kurtsjatovs gruppe i juni 1941 å arbeide med en nybygd syklotron. Men under den tyske invasjonen av Russland (juni 1941) stanser Stalin forskningen på fisjon.

I juli 1945 besluttet Stalin å sette i gang et forsert program for å utvikle kjernekraft under ledelse av Igor Kurtsjatov. Et hemmelig laboratorium (Arzamas-16) ble bygd av krigsfanger nær Arzamas, omkring 400 km øst for Moskva. Flere tyske vitenskapsfolk og materialer fra tyske laboratorier bidro til å sette fart på det russiske prosjektet.

Bildet til høyre: Kart over de første sovjetiske kjernefysiske laboratoriene.

Storbritannia: Frisch–Peierls-memorandumet

Det britiske kjernevåpenprogrammet startet som et resultat av forskningen som to flyktninger utførte i Birmingham: tyskeren Rudolf Ernst Peierls og østerrikeren Otto Frisch. Den 19. mars 1940 legger de fram to fortrolige memoranda for Henry Tizard, rektor ved Imperial College: «On the Properties of a Radioactive ‘Superbomb’» og «On the Construction of a ‘Superbomb’ Based on a Nuclear Chain Reaction in Uranium».

I memorandumet argumenterer de for at en eksplosiv kjedereaksjon med raske nøytroner i ²³⁵U er gjennomførbar, med en kritisk masse på bare 1 kg. De beskriver kanondetonasjonsmekanismen, undersøker virkningene av våpenet og insisterer på å starte et forskningsprogram for å veie opp for den tyske kjernefysiske utviklingen.

Frisch–Peierls-memorandumet, som gjorde utsiktene til et uranvåpen realistiske, overbeviste RAF om å starte et omfattende forskningsprogram (MAUD-komiteen) under George Thomson med grupper i Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant og Peierls), Oxford (for isotopseparasjon) og ved Imperial Chemical Industries.

Bildet til venstre: Mark Oliphant ved fysikkinstituttet i Birmingham i 1941.

Etter Frankrikes fall tok de parisiske vitenskapsfolkene med seg ekspertisen sin og tungtvannet sitt til Storbritannia. Den 7. juli 1941 legger MAUD-komiteen fram detaljerte dokumenter for regjeringen som beskriver de militære og sivile anvendelsene av fisjon. Churchill gir begge forskningsområdene høy prioritet; «Directorate of Tube Alloys» opprettes under ledelse av John Anderson, Lord President of the Council. Ved utgangen av 1941 var det britiske programmet det mest avanserte i verden.

Italia

Den kjernefysiske forskergruppen i Roma, som ble grunnlagt av Fermi og ledet av Edoardo Amaldi etter at Fermi reiste til USA i 1939, var spesialisert på nøytroninduserte reaksjoner. Det var viktig å forske på fisjon for å forstå hvorfor gruppen tidligere, i 1936, hadde forvekslet denne reaksjonen med produksjon av transuraner.

I 1941 bestemte likevel gruppen i Roma seg for å stanse all forskning på fisjon på grunn av de militære konsekvensene.

Bildet til høyre: Cockcroft–Walton-protonakseleratoren på 200 kV som ble brukt fra 1939 av den kjernefysiske forskergruppen i Roma.

Yoshio Nishina begynte å forske på kjernevåpen sommeren 1940 ved Riken-laboratoriet i Tokyo, med begrenset støtte fra den japanske hæren. I Kyoto støttet den keiserlige marinen forskningen til Bunsaku Arakatsu. Konkurransen mellom marinen og flyvåpenet førte til begrenset framgang fram til våren 1943, da de første separasjonsanleggene ble bygd. Prosjektet nådde likevel aldri et effektivt omfang. Etter bombingen av Hiroshima fløy Nishina over byen og innså hvor skremmende et kjernefysisk angrep var.