Förlusten av de viktigaste källorna till gummi – plantagerna i Fjärran Östern – under andra världskriget ledde till snabbprogram för forskning om och produktion av syntetiskt gummi för att täcka industrins och krigsinsatsens behov.

Nylon visade sig vara ett annat strategiskt material och användes som ”konstsilke” till fallskärmar. I Tyskland byggde I.G. Farben en stor fabrik i Buna som utnyttjade slavarbete av fångarna i Auschwitz.

Tyskland lade stor vikt vid forskning om och produktion av nya bombplan och jaktplan. Tyskarna var först med att sätta in flygplan med jetmotorer, senare följda av brittiska RAF. Den tyska V-2 (Vergeltungswaffe Zwei) var en milstolpe i raketteknikens utveckling. V-2, som drevs av alkohol och flytande syre, var den första ballistiska roboten, dvs. en självgående raket som efter uppskjutningen bara följer en bana som bestäms av tyngdkraften. V-2 flög fortare än ljudet men var inte särskilt träffsäker. Över ett avstånd på 320km träffade till exempel bara en tredjedel av V-2-raketerna inom 5km från målet.

Bilden till vänster: En V-2-robot på sin mobila avfyrningsramp, Meillerwagen, 1943. Efter kriget studerades erövrade V-2-raketer ingående av sovjetiska och amerikanska forskare, och deras teknik blev utgångspunkten för de två stormakternas rymdprogram.

År 1940 samlade den brittiska arméns luftvärnskommando en grupp forskare under fysikern P.A.M. Blackett för att studera den operativa användningen av radar, kanoner och mekaniska räknemaskiner vid luftvärnseld. Vid amiralitetet 1942–1945 åstadkom denna grupp betydande förbättringar i användningen av flygburen radar för att hitta de tyska ubåtar som sänkte handelsfartyg i Atlanten.

Ur deras arbete utvecklades ett nytt matematiskt område – kallat operationsanalys – för att hantera komplexa optimeringsproblem. Operationsanalysen flyttade 1942 till USA, där den vidareutvecklades för militära ändamål vid Princeton University och Massachusetts Institute of Technology.

Under andra världskriget utvecklades också de första digitala datorerna och användes för första gången systematiskt för att lösa militära problem. I Tyskland användes Konrad Zuses dator inom flygindustrin. I Storbritannien utvecklades Colossus, den första elektroniska digitala datorn, för att knäcka tyska koder. I USA beräknade Harvards elektromekaniska Mark I och den amerikanska arméns elektroniska ENIAC skjuttabeller för artilleriet och gjorde andra militära beräkningar. ENIAC användes också vid utvecklingen av atombomben.

Bilden uppe till höger: Apparaten av trä i förgrunden är en tysk Enigma-maskin med fyra rotorer, som användes för kryptering. Den stora maskinen i bakgrunden är en ”Bombe” som användes för att knäcka koden.

Användningen av radiovågor för att upptäcka och lokalisera föremål föreslogs redan år 1900 av Nikola Tesla. De militära fördelarna blev av avgörande betydelse under andra världskriget, i luftstriderna om England och i operationerna i Stilla havet.
Ett rör för att generera mikrovågseffekt, som var avgörande för radarns framgång, nämligen den så kallade kavitetsmagnetronen, utvecklades i Storbritannien omkring 1940. Ett särskilt Radiation Laboratory inrättades vid Massachusetts Institute of Technology, där flera amerikanska fysiker anställdes.

Bilden till vänster: SCR268 i bruk i Italien 1944. Denna radartyp var en detektor av strålkastartyp för att styra luftvärnseld. Bilden till höger: Den brittiske fysikern E.G. Bowen visar en magnetron för Lee DuBridge och fysikern I.I. Rabi vid Radiation Laboratory 1943.

Det tyska anfallet 1941 fann Sovjetunionens militära strukturer i stort sett oförberedda, vilket möjliggjorde en snabb invasion av ryskt territorium. Den sovjetiska industrin måste producera nya vapensystem, och forskare och vetenskapliga institutioner fick i uppdrag att utveckla material för stridsvagnar, flygplan och vapen som lämpade sig för operationer under den ryska vinterns extrema förhållanden.

Stridsvagnen T-34 fick ett djupgående och bestående inflytande på senare stridsvagnstaktik och stridsvagnskonstruktion. Den sattes in första gången 1940 och betraktas som andra världskrigets mest effektiva och inflytelserika konstruktion.

Omedelbart efter att Otto Frisch och Lise Meitner hade observerat den stora energi som frigörs vid fission av uran (december 1938) och Enrico Fermi hade pekat på möjligheten av en kedjereaktion (januari 1939) stod fissionsprocessernas möjliga militära användning klar för kärnfysikerna. Leo Szilards förslag att avstå från att publicera nya resultat övervägdes på allvar men godtogs inte i praktiken. Våren 1939 gjordes regeringarna eller de militära myndigheterna i USA, Tyskland, Sovjetunionen, Frankrike och Storbritannien uppmärksamma på fissionens möjliga militära tillämpningar.

Problem: tidsförlopp – snabba neutroner

Att konstruera en atombomb innebär dock helt andra problem än att konstruera en kärnreaktor. Det grundläggande problemet är att ett enormt antal kärnor måste klyvas samtidigt, på så kort tid att det fissila materialet inte hinner spridas på grund av upphettningen. En explosion motsvarande 20kt kemiskt sprängämne (TNT) kräver fission av 1kg ²³⁵U, vilket innebär en kedjereaktion i 80 led. Eftersom en fission sker på omkring 10^-8s, går 80 neutrongenerationer på 0,8 mikrosekunder. Neutronerna behöver omkring 1 mikrosekund för att bromsas in, och därför måste en bomb arbeta med de snabba neutronerna allteftersom de bildas, utan moderator.

Det fissila materialets kritiska massa

En stor del av de neutroner som frigörs vid fissionen har en energi på mindre än 1MeV och kan därför inte framkalla fission av en ²³⁸U-kärna. Kärnvapen använder därför bara ²³⁵U eller ²³⁹Pu. Minimimassan beror på det fissila materialets renhet men kan minskas betydligt genom att omge kärnan med ett skikt av tungt material – en så kallad tamper – som reflekterar tillbaka neutronerna och fördröjer det aktiva materialets expansion. En tjock tamper av U minskar till exempel den kritiska massan för en sfär av rent ²³⁵U från 56kg till 15kg och för ²³⁹Pu från 11kg till 5kg.

Bilden till höger: Kurvor över de kritiska massorna för ²³⁵U och ²³⁹Pu som funktion av deras renhet.

Bombens konstruktion

För att vara användbart måste ett kärnvapen vara lätt att hantera säkert och fungera utan fel. Det måste också vara tillräckligt litet för att kunna föras fram till sitt mål. Alla dessa motstridiga krav måste uppfyllas, vilket kräver samarbete mellan experter inom många områden. Den nödvändiga vetenskapliga kunskapen omfattar särskilt en noggrann bestämning av fissionssannolikheterna och av de fissila materialens beteende som funktion av tryck och temperatur.

Detonationsmekanismer

Före avfyrningen måste det aktiva materialet vara arrangerat så att en kedjereaktion inte kan utvecklas, med hänsyn till alla möjliga neutronkällor. Själva avfyrningen består i en omflyttning av volymen som skapar den konfiguration som behövs för en kedjereaktion. Det finns två grundläggande metoder.

Vid kanonmetoden skjuts en underkritisk massa med hög hastighet av en konventionell kanon in i en annan underkritisk massa.

Vid implosionsmetoden detoneras en yttre laddning av kemiskt sprängämne jämnt runt om, så att den pressar samman en underkritisk massa till en överkritisk konfiguration. För ²³⁵U-vapen kan båda metoderna användas, men för plutoniumvapen är bara implosionsmetoden möjlig, eftersom det finns spontant klyvbart ²⁴⁰Pu.

Bilden till vänster: Schematiska ritningar av de två detonationsmekanismerna – från Los Alamos, början av 1943.

Under 1939 bedrivs vid Columbia University i New York forskning om fissionens grundläggande egenskaper av Fermis och John Dunnings grupper med begränsat ekonomiskt stöd från den amerikanska flottan. Medan Fermi siktade på att åstadkomma en kedjereaktion med naturligt uran och grafitmoderatorer började Dunning forska om anrikning av uran på isotopen ²³⁵U. I Princeton utvecklar Niels Bohr och John Wheeler den grundläggande teorin för fission och betonar betydelsen av ²³⁵U.

Bilden till vänster: Fermi, Bohr och Léon Rosenfeld vid Carnegie Institution 1939. Fission demonstrerades vid Department of Terrestrial Magnetism (DTM) den 28 januari 1939.

Frankrike

I Paris inser Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin och Frédéric Joliot-Curie att långsamma neutroner är effektivare för att framkalla fission och börjar använda först väte och sedan tungt vatten för att bromsa fissionsneutronerna. I oktober 1939 tar de fram en approximativ formel för kedjereaktionens lag, som de håller hemlig till slutet av andra världskriget. Efter den tyska invasionen av Frankrike tar von Halban och Kowarski med sig sitt tunga vatten till England och ansluter sig till det brittiska forskarteamet. Joliot fortsätter sin forskning i Frankrike, där han deltar i motståndsrörelsen mot nazisterna.

Bilden till höger: Hans von Halban, Lew Kowarski och Frédéric Joliot-Curie, början av 1939.

Tyskland

Redan i mars 1939 börjar den tyska regeringen intressera sig för fission. I september inrättas formellt ett uranprojekt under Kurt Diebners ansvar. Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik i Berlin-Dahlem blir det vetenskapliga centrumet, och arbete utförs vid flera institut runt om i Tyskland. Användningen av tungt vatten och isotopseparation är de viktigaste forskningsområdena. Heisenberg utvecklar fissionsteorin. Sommaren 1941 är en underkritisk stapel med tungvattenmoderator redan i drift i Leipzig. Fritz Houtermans beskriver olika aspekter av fissionen och föreslår att man använder grundämne 94 (plutonium) som bildas ur ²³⁸U. I Berlin byggs en stor underkritisk stapel med 500l tungt vatten.

År 1942 var Heisenberg övertygad om att det var omöjligt att bygga ett kärnvapen, på grund av svårigheterna att separera ²³⁵U. Den 4-6 juni 1942 presenterade urankommittén sina resultat för minister Albert Speer och fältmarskalk Erhard Milch: man beslutade att ge produktion av kärnkraft prioritet. Möjligheten av en kärnkraftsmotor för flottan övervägdes, och vintern 1944 byggdes i Dahlem en stor stapel med 1,5t uran och 1,5t tungt vatten. Efter bombningen av institutet flyttas forskningen till en grotta vid Hechingen i Baden-Württemberg. Instrumenten och forskarna tas till fånga av amerikanska styrkor den 22 april 1945.

Bilden till vänster: Uranlaboratoriet i Dahlem.

Sovjetunionen

Experimentell och teoretisk forskning om fission började omedelbart i den ryska staden Leningrad (i dag Sankt Petersburg), och i en serie banbrytande artiklar av Jakov Borisovitj Zeldovitj och Julij Chariton 1939-40 beskrevs de grundläggande principerna för fissionskedjereaktionen.

År 1940 lades ett program för utnyttjande av fission fram för presidiet i Vetenskapsakademien. I Leningrad börjar Kurtjatovs grupp i juni 1941 arbeta med en nybyggd cyklotron. Under den tyska invasionen av Ryssland (juni 1941) stoppar Stalin dock forskningen om fission.

I juli 1945 beslutade Stalin att inleda ett snabbprogram för att utveckla kärnkraft under ledning av Igor Kurtjatov. Ett hemligt laboratorium (Arzamas-16) byggdes av krigsfångar nära Arzamas, omkring 400km öster om Moskva. Flera tyska forskare och material från tyska laboratorier bidrog till att påskynda det ryska projektet.

Bilden till höger: Karta över de första sovjetiska kärnforskningslaboratorierna.

Storbritannien: Frisch-Peierls-memorandumet

Starten på det brittiska kärnvapenprogrammet var ett resultat av den forskning som två flyktingar bedrev i Birmingham: tysken Rudolf Ernst Peierls och österrikaren Otto Frisch. Den 19 mars 1940 överlämnar de till Henry Tizard, rektor för Imperial College, två konfidentiella promemorior: ”On the Properties of a Radioactive ’Superbomb’” och ”On the Construction of a ’Superbomb’ Based on a Nuclear Chain Reaction in Uranium”.

I sitt memorandum hävdar de att det är möjligt att åstadkomma en explosiv kedjereaktion med snabba neutroner i ²³⁵U med en kritisk massa på bara 1kg. De beskriver kanonmetoden för detonation, undersöker vapnets verkningar och insisterar på att ett forskningsprogram ska startas för att motverka den tyska kärnvapenutvecklingen.

Frisch-Peierls-memorandumet, som gjorde ett uranvapen till en realistisk möjlighet, övertygade RAF om att starta ett kraftfullt forskningsprogram (MAUD-kommittén) under George Thomson med grupper i Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant och Peierls), Oxford (för isotopseparation) och vid Imperial Chemical Industries.

Bilden till vänster: Mark Oliphant vid fysikinstitutionen i Birmingham 1941.

Efter Frankrikes fall förde de parisiska forskarna med sig sin expertis och sitt tunga vatten till Storbritannien. Den 7 juli 1941 lägger MAUD-kommittén fram detaljerade dokument för regeringen som beskriver fissionens militära och civila användningsområden. Churchill ger båda forskningsområdena hög prioritet; ”Directorate of Tube Alloys” inrättas under ledning av John Anderson, Lord President of the Council. I slutet av 1941 var det brittiska programmet det mest avancerade i världen.

Italien

Den kärnfysikaliska gruppen i Rom, som grundats av Fermi och leddes av Edoardo Amaldi efter Fermis avresa till USA 1939, var specialiserad på neutroninducerade reaktioner. Det var viktigt att forska om fission för att förstå varför gruppen tidigare, 1936, hade förväxlat denna reaktion med bildandet av transuraner.

År 1941 beslutade gruppen i Rom dock att upphöra med all forskning om fission på grund av dess militära konsekvenser.

Bilden till höger: Cockcroft-Walton-protonacceleratorn på 200kV, som användes från 1939 av den kärnfysikaliska gruppen i Rom.

Yoshio Nishina inledde forskning om kärnvapen sommaren 1940 vid Riken-laboratoriet i Tokyo, med begränsat stöd från den japanska armén. I Kyoto stödde den kejserliga flottan Bunsaku Arakatsus forskning. Konkurrensen mellan flottan och flygvapnet gjorde att framstegen var begränsade fram till våren 1943, då de första separationsanläggningarna byggdes. Projektet nådde dock aldrig någon verklig omfattning. Efter bombningen av Hiroshima flög Nishina över staden och insåg hur fruktansvärd en kärnvapenattack är.