Grybo debesis yra vienas baisiausių vaizdų, kurį tik gali įsivaizduoti milijardai žmonių visame pasaulyje. Ypač tie, kurie vis dar gyvena branduolinio karo šmėkloje. Tačiau daugeliui kitų tai buvo vienos iš svarbiausių žmonijos istorijoje tyrimų pastangų įgyvendinimas – tai Manheteno projektas.

Manheteno projektas buvo JAV kartu su Sąjungininkais vykdytas mokslinių tyrimų ir plėtros projektas Antrojo pasaulinio karo metu (vykdytas 1942-1946 m.), kurio tikslas buvo pagaminti pirmuosius branduolinius ginklus.

Manheteno projekto piko metu jame dirbo daugiau nei 130 000 žmonių, o pats projektas kainavo beveik 2 milijardus JAV dolerių (atitinka maždaug 23 milijardus dolerių 2019 metų kainomis).

Daugiau nei 90 procentų išlaidų buvo skirta gamyklų statybai ir skiliųjų medžiagų gamybai, o mažiau nei 10 procentų – ginklų kūrimui ir gamybai. Tyrimai ir gamyba vyko daugiau nei trisdešimtyje vietų Jungtinėse Valstijose, Jungtinėje Karalystėje ir Kanadoje.

Atominis ginklas paliko sudėtingą ir neabejotinai baisų palikimą. Tai ypač pasakytina apie Japonijos žmones – vienintelę tautą, kuri kada nors patyrė branduolinę ataką.

Nors daugelis žymių mokslininkų, dalyvusių Manheteno projekte, patyrė kančią, kaltę ir siaubą dėl savo darbo pasekmių, kiti matė atominę bombą ir ją lydinčią Abipusio užtikrinto sunaikinimo (MAD) doktriną kaip vienintelį būdą apsisaugoti ir užtikrinti ilgalaikę taiką pasaulyje.

Nesvarbu, kokia yra galutinė pozicija dėl atominių bombų, kurios užbaigė Antrąjį pasaulinį karą, neabejotina, kad nedaugelis mokslinių tyrimų projektų buvo tokie svarbūs žmonijos istorijai kaip Manheteno projektas.

Ankstyvoji atomo teorija

Idėja apie nedalomą materijos vienetą, iškelta dar kai kuriuose senovės graikų ir indų tekstuose, tačiau vieni iš pirmųjų, apibūdinusių atomo sąvoką, buvo senovės graikų filosofai Leukipas ir Demokritas, tą padarę V amžiuje prieš Kristų.

Pats pavadinimas „atomas“ kilęs iš senovės graikų žodžio atomos, kuris apytiksliai reiškia „nedalomas“, o maždaug tris tūkstantmečius atomo nedalumas buvo labiau filosofinė nei mokslinė pozicija.

Viduramžiais klausimai apie tikrąją materijos prigimtį peržengė ribą tarp praktinių mokslų ir alchemijos praktikos. Europos ir islamo mokslininkai ir filosofai tęsė ten, kur baigė graikų filosofai. Maždaug 1000 m. mūsų eros metais persų alchemikas Jabiras ibn Hayyanas atrado bismutą, o 1669 m. vokiečių alchemikas Hennigas Brandas atrado fosforą, bandydamas sukurti filosofinį akmenį – legendinę medžiagą, kuri, kaip manoma, paverčia bet kurį metalą auksu.

Netgi tokie mokslo šviesuoliai kaip seras Izaokas Niutonas užsiėmė alchemija – tik XVIII–XIX amžiuje buvo padėtas tvirtesnis mokslinis pagrindas atominei teorijai, kokią mes žinome šiandien.

Kai mokslininkai, tokie kaip XVIII amžiaus prancūzų chemikas Antoine'as-Laurent'as Lavoisier, pradėjo išskirti ir identifikuoti atskirus elementus, tokius kaip deguonis, Johnas Daltonas (1766-1844) sukūrė savo atominę teoriją.

Daltonas teigė, kad skirtingų elementų atomai skiriasi savo dydžiu ir masėmis, o tai paneigė seniai paplitusias nuostatas, kad visų rūšių medžiagų atomai yra panašūs. Daltonas suformulavo įvairių elementų masių matavimo metodą pagal tai, kaip jie derinami su fiksuotomis vienas kito masėmis.

Branduolinė fizika gimė, kai 1917 m. Ernestas Rutherfordas įvykdė pirmąją branduolinę reakciją. 1938 m. gruodžio mėn. įvyko vienas reikšmingiausių fizikos atradimų, kai fizikai Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann ir Otto Frisch bombarduodami urano atomą neutronais suskaidė atomą į dvi smulkesnes dalis.

Šie elementai kartu turėjo tik keturias penktadalius pradinio urano atomo atominės masės, todėl naudojant Einšteino lygtį E = mc², Meitner ir Frischas sugebėjo parodyti, kad trūkstamas penktadalis buvo išleistas kaip energija (tiksliau, 200 MeV). Fizikai atrado branduolio dalijimąsi, prieš pat tą momentą, kai 1939 metais karo šešėlis nusileido virš Europos

Antrojo pasaulinio karo pradžia

Po branduolio dalijimosi atradimo buvo greitai suprasta, kad branduolio dalijimasis dideliame kiekyje urano gali sukelti kaskadinę grandininę reakciją, kuri išlaisvins neįtikėtiną energijos kiekį.

Karinis to pritaikymas buvo akivaizdus ir neilgai trukus Vokietija pradėjo kurti Uranverein arba „urano projektą“. Programa prasidėjo 1939 m. balandį, penkis mėnesius iki nacių įsiveržimo į Lenkiją ir Antrojo pasaulinio karo pradžios.

Karui prasidėjus, iš Europos pabėgę fizikai iškart išsigando, kas nutiks, jei naciai pirmieji sukurs atominę bombą. Tarp jų buvo Albertas Einšteinas, kuris pasirašė laišką, išsiųstą prezidentui Franklinui D. Rooseveltui 1939 m. rugpjūtį, siekdamas įspėti JAV vyriausybę apie įtariamą nacistinės Vokietijos branduolinę programą ir prašyti JAV pradėti saugoti urano atsargas visame pasaulyje.

Laiške taip pat raginama vyriausybę investuoti į branduolio dalijimosi grandininių reakcijų tyrimus, kuriuos Jungtinėse Valstijose vykdė Enrico Fermi.

Rooseveltas įsakė vyriausybės pareigūnams pasekti laiške išdėstytomis nuostatomis ir nuspręsti, ar įmanoma sukurti ginklus, pagrįstus branduolio dalijimosi grandininėmis reakcijomis. Jie patvirtino, kad tai ne tik teoriškai įmanoma, bet ir kad tokie ginklai būtų patys galingiausi ginklai, kuriuos žmonija kada nors matė.

Manheteno projekto pradžia

Pradinės investicijos į vadinamąjį Manheteno projektą – JAV armijos biuras, dirbęs prie projekto, iš pradžių buvo Manhetene, Niujorke, buvo gana kuklios.

JAV karinis jūrų laivynas skyrė Kolumbijos universitetui 6000 USD (120 000 USD 2021 m. kainomis), kad finansuotų Fermio skilimo grandininių reakcijų tyrimus. Fermi kartu su Leo Szilardu, Eugene'u Boothu, Johnu Dunningu ir kitais panaudojo finansavimą grafitui įsigyti ir vėliau atliko pirmąją dalijimosi reakciją Jungtinėse Valstijose.

Netrukus JAV vyriausybė pradėjo didinti finansavimą urano ir plutonio dalijimosi reakcijoms, tačiau vis dar gana nedideliu mastu.

Tuo tarpu Jungtinėje Karalystėje dirbę Frisch ir Rudolf Peierls nustatė urano kiekį, reikalingą skilimo grandininei reakcijai sukelti, arba „kritinę masę“ – apie 9,07 kg. Dėl to reikalingos medžiagos kiekis buvo pakankamai mažas, kad tilptų įprastame bombonešyje, todėl kai jie pateikė šiuos duomenis JK vyriausybei, šalis pradėjo savo atominių ginklų programą.

Iki 1941 m. pabaigos JK buvo labiau pažengusi savo atominių ginklų tyrimuose nei JAV, todėl abi šalys pradėjo keistis atominių ginklų tyrimais, kad padėtų paspartinti jų vystymąsi dar prieš JAV oficialiai įstojus į karą.

Po to kai 1941 m. gruodį po Perl Harboro bombardavimo JAV įstojo į karą, į Manheteno projektą buvo pradėta rimtai investuoti.

JAV pareigūnai paskyrė Kalifornijos universiteto teorinės fizikos mokslininką J. Robertą Oppenheimerį vadovauti „Projektui Y“, Manheteno projekto daliai, kurios tikrasis tikslas buvo suprojektuoti ir pagaminti pačią atominę bombą. Oppenheimeris neturėjo patirties vadovauti tokiai laboratorijai, tačiau daugelis kitų svarstomų kandidatų dirbo su kitais projektais.

Jis taip pat turėjo tam tikrų asmeninių ryšių su žinomais komunistais, įskaitant savo žmoną ir įtariamą meilužę, o tai kėlė susirūpinimą dėl saugumo. Tačiau po interviu su Oppenheimeriu JAV armija buvo įtikinta jo patikimumu ir jam buvo pavesta vadovauti kuriant JAV atominę bombą.

Projekto mastas buvo išties didžiulis, apimantis daugiau nei tuziną vietovių visoje JAV, o tiriamoji medžiaga, ypač uranas, buvo tiekiamas iš Kanados ir Belgijos Kongo (dabartinė Kongo Demokratinė Respublika).

Oppenheimeris pasiūlė „projekto Y“ laboratoriją įrengti netoli Los Alamos rančos, šalia Sangre de Cristo kalnų Naujojoje Meksikoje. Pasirinkta vieta pavadinta Los Alamos nacionaline laboratorija, nors ji oficialiuose dokumentuose buvo vadinama kaip „Site Y" arba „The Hill“, atsižvelgiant į itin slaptą projekto pobūdį.

Los Alamos laboratorijos vietovės

Dėl slaptumo ir praktiškumo Manheteno projektas buvo išplatintas keliose skirtingose ​​vietose Jungtinėse Valstijose ir Kanadoje.

Viena iš svarbiausių iš šių vietų buvo „Clinton Engineer Works“ Oak Ridge mieste, Tenesyje. Čia urano izotopas, reikalingas pirmajai atominei bombai pagaminti, buvo išskirtas ir išgautas į grynesnę medžiagos masę.

Iššūkis yra tas, kad Kanadoje ir Belgijos Konge išgautą uraną sudarė apie 99,3% urano-238 ir 0,7% urano-235. Kaip skilioji medžiaga buvo naudojamas tik uranas-235, todėl jį reikėjo atskirti arba „sodrinti“, kad susidarytų kritinė bombos masė.

Praturtintas uranas-235 buvo gaminamas dviejose atskirose Oak Ridge gamyklose, kurių kiekvienoje buvo naudojamas atskiras U-235 gavimo metodas, ir iki 1945 m. liepos mėn. pristatytas į Los Alamos laboratoriją. Beveik visas U-235 kiekis pagamintas Oak Ridge, 64 kg, buvo panaudotas „Little Boy“ atominei bombai sukurti.

Dalis Manheteno projekto strategijos nebuvo investuoti visko į urano dalijimąsi. Plutonis-239, kuris buvo atrastas tik 1940 m. pabaigoje – 1941 m. pradžioje Kalifornijos universitete Berklyje, taip pat buvo sukurtas kaip skilioji medžiaga atominei bombai.

Jo kritinė masė yra daug mažesnė nei urano-235, tačiau gamtoje jo nėra lengva rasti. Vietoj to, paprasčiausias būdas gaminti plutonį-239 buvo bombarduoti uraną-238 deuterio neutronais, vandenilio izotopu.

Uranas bombarduojant sugertų neutronus ir gamintų neptūnį-239, kuris suirtų į plutonį-239.

Tęsinys kitame puslapyje:

Lengviausias būdas tai padaryti yra branduoliniuose reaktoriuose, kuriuose kaip kuro strypai naudojami uranas-235. Manheteno projekto metu buvo pastatyti keli tokie reaktoriai, skirti gaminti plutonį, reikalingą atominei bombai pastatyti, žymiausi iš jų „X-10“ grafito reaktorius „Clinton Engineer Works“ Oak Ridge mieste ir Hanfordo inžinierinėje gamykloje Vašingtono valstijoje.

Kadangi plutonis-239 pasiekia kritinę masę ties maždaug 10,8 kg (kuri apytiksliai sudaro 10,6 cm skersmens sferą), jam nereikia tiek daug medžiagų, kad būtų sukurta grandininio dalijimosi reakcija, reikalinga bombai. Bėda buvo pagaminti ir izoliuoti pakankamai izotopo iš reaktorių, kad būtų pasiekta reikiama masė.

Uraną galima išgauti iš rūdos, randamos gamtoje, tačiau norint gauti plutonį reikėjo efektyviai naudoti uraną, todėl reikėjo išlaikyti kruopščią pusiausvyrą, kad būtų užtikrinta, jog abiejų skiliųjų medžiagų pakaktų Manheteno projekto tikslams.

Iš viso iki 1945 m. liepos į Los Alamos buvo pristatyta pakankamai plutonio, kad būtų galima pagaminti dvi atomines bombas. Iš viso Manheteno projektas iki 1945 m. pagamino pakankamai skiliųjų medžiagų tik trims bomboms, ir niekas net nebuvo tikras, ar kuri nors iš jų veiks.

Galingiausio pasaulyje ginklo kūrimas

Atominei bombai gaminti buvo naudojami du skirtingi dizainai.

Pirmoji buvo vadinama ginklo tipo bomba (gun-type). Šis metodas apima subkritinės skiliosios medžiagos kulkos „iššovimą“ į tikslinę subkritinę tos pačios skiliosios medžiagos masę, naudojant įprastą cheminį užtaisą kaip raketinį kurą.

Kai „kulka“ atsitrenkia į tikslinę masę, ji paleidžia į ją neutronų pliūpsnį, kad inicijuotų superkritinę dalijimosi reakciją, kuri eksponentiškai išauga ir per kulkos, ir per taikinio mases.

Pagrindinis šio tipo prietaisų iššūkis yra pasiekti superkritiškumą, kol bomba pati nesusinaikina. Tai reiškia, kad kulkos greitis ir masė turi būti pakankami, kad grandininė reakcija būtų pradėta greitai, bet ne tokia didelė ar greita, kad sunaikintų dvi mases, kol jos neturi pakankamai laiko įvykdyti superkritinėms dalijimosi reakcijoms.

Tačiau tokio tipo bombas lengviau pagaminti, todėl tai buvo pirmoji bomba, suprojektuota Los Alamose 1943 metais.

„Thin Man“ („Liesas žmogus“), kaip buvo vadinama bomba, kaip reagentą naudojo plutonį. Tačiau po to, kai 1944 m. Los Alamos laboratorija gavo pirmąją plutonio-239 partiją iš Oak Ridge, buvo nustatyta, kad masėje yra per daug plutonio-240, kad jį būtų galima panaudoti ginklo tipo bomboje.

Ginklo tipo bomboje plutonis-240 sureaguotų per greitai ir susprogdintų bombą, kol likusi medžiaga nepasiekė pakankamai kritinės reakcijos, kad sukeltų norimą sprogimą.

Norint panaudoti plutonio medžiagą, reikėjo sukurti kitą bombos dizainą.

Los Alamos fizikas Sethas Neddermeyeris jau 1944 m. rengė sprogimo tipo (implosion-type) bombos planus. Tokioje bomboje naudojami sferiniai sprogmenys, kad subkritinė skiliosios medžiagos masė būtų suspausta į tankesnę.

Kai subkritinės masės atomai susispaudžia, neutronų gaudymas vyksta daug greičiau ir greitai inicijuojama superkritinė dalijimosi grandininė reakcija.

Problema, susijusi su sprogimo tipo bomba, yra ta, kad teoriniu ir praktiniu požiūriu jos dizainas yra daug sudėtingesnis, todėl ją daug sunkiau įgyvendinti.

Tačiau šis dizainas turėjo pranašumą, nes iš esmės paneigė priešlaikinio plutonio-240 detonacijos problemą, nes sprogstamą jėgą, kurią sukuria izotopas, atsveria sprogstamoji jėga, kuri pirmiausia sukėlė jo reakciją.

1943 m. pabaigoje Johnas von Neumannas, matematikas ir kompiuterių mokslininkas iš Los Alamos laboratorijos, patobulino Neddermeyerio sprogimo projektą, perskaičiuodamas skaičiavimus, reikalingus norint sukurti tinkamą sprogstamąjį sprogdinimą, ir taip pat pristatė plutonio šerdies sferinę konstrukciją, o ne cilindrą, kaip buvo Neddermeyerio dizaine.

Sferinė konstrukcija labai sumažino priešlaikinių detonacijų tikimybę, taip pat padidino skiliosios grandininės reakcijos efektyvumą, nes ji ilgą laiką buvo sandariai supakuota. Tai padidino plutonio dalijimosi reakcijų skaičių, kol išsiskirianti energija susprogdina bombą.

Patvirtinęs, kad sprogimo tipo bomba buvo geresnio dizaino, Oppenheimeris nukreipė Los Alamos išteklius kuriant naują bombą, pavadintą „Fat Man“ („Storulis“), kuri naudotų jau esamą pagamintą plutonį, skirtą pirmajai atominei bombai gaminti.

Von Neumanno konstrukcijoje buvo naudojami sprogstamieji „lęšiai“, valdantys per juos praeinančios smūgio bangos geometriją.

Patobulinti sprogimo mechanizmo dizainą prireikė kelių mėnesių. Galutinėje konstrukcijoje buvo naudojami tiek greiti, tiek lėti sprogmenys, suvynioti į nupjautą ikosaedrą su 20 šešiakampių ir 12 penkiakampių lęšių. Kiekvienas lęšis svėrė apie 36 kg.

Plutonio dalijimosi reakcija taip pat turėjo būti suplanuota labai tiksliai ir tam tikslui turėjo būti išrastas visiškai naujas detonatorius.

Plutonio reagento korpuso projektavimas taip pat buvo ilgas ir daug darbo reikalaujantis procesas. Aliuminio stūmiklis ir natūralaus urano tamperis buvo sukurti taip, kad suspaustų ir kuo ilgiau išlaikytų paleistą plutonio šerdį kartu, o neutronus atspindėtų atgal į plutonį, kad suaktyvėtų daugiau dalijimosi reakcijų.

Taip pat teko sugalvoti, kaip tinkamai suformuoti plutonį į sandarią, lygią sferą. Plutonis yra trapus kambario temperatūroje, tačiau po tam tikrų bandymų ir klaidų buvo nustatyta, kad jis buvo kalus 300–450 laipsnių Celsijaus temperatūroje.

Siekiant stabilizuoti plutonį, jis buvo sumaišytas su galiu, kaitinamas ir presuojamas į sferinę formą. Tada jis buvo padengtas nikeliu, kad būtų išvengta korozijos.

Pirmoji plutonio sfera buvo pagaminta ir pristatyta į laboratoriją 1945 m. liepos 2 d., o kita - maždaug po trijų savaičių.

„Trinity“ bandymas

1945 m. liepos viduryje atėjo laikas pagaliau patikrinti ilgus metus trukusių intensyvių tyrimų ir pastangų rezultatus.

Liepos 16 d., Alamogordo armijos aerodromo bombardavimo poligone, Naujojoje Meksikoje, ant 30 m aukščio plieninio bokšto viršaus buvo padėtas prietaisas, pravarde „gadget“ („įtaisas“). Jis buvo pastatytas ant bokšto, kad imituotų jo numetimą iš bombonešio.

Bandymą, kodiniu pavadinimu „Trinity“, patvirtino armija su sąlyga, kad bomba bus patalpinta į konteinerį, pavadintą „Jumbo“, kad gedimo atveju būtų galima atgauti bet kokią aktyvią medžiagą.

1945 m. liepos 16 d., 5:29:45 vietos laiku, „įtaisas“ sprogo 20 kilotonų trotilo jėga, sukurdamas daugiau nei 11 km aukščio grybo debesį, o smūgio banga buvo juntama daugiau nei už 160 km. Sprogimas paliko 76 m pločio radioaktyvaus stiklo kraterį, dabar vadinamą trinitu, o detonacijos garsas buvo girdimas net Teksase.

Oppenheimeris, kuris stebėjo testą, vėliau pasakojo:

„Žinojome, kad pasaulis nebebus toks pat. Keli žmonės juokėsi, keli verkė. Dauguma žmonių tylėjo. Prisiminiau eilutę iš indų šventraščio „Bhagavad Gita“; Višnu bando įtikinti Princą, kad jis atliktų savo pareigą ir, norėdamas padaryti jam įspūdį, įgauna daugiarankį pavidalą ir sako: „Dabar aš tapau Mirtimi, pasaulių naikintoju“.

Manheteno projekto palikimas

Mažiau nei po mėnesio, 1945 m. rugpjūčio 6 d., „Little Boy“ tapo pirmuoju branduoliniu ginklu, kada nors naudotu mūšyje. Ginklo tipo bomba, kurioje buvo uranas-235, buvo numesta ant Japonijos miesto Hirošimos.

Nuo pradinio sprogimo iki nudegimų ir radiacijos sužalojimų, kuriuos patyrė ne iš karto per sprogimą žuvę asmenys, žuvo nuo 90 000 iki 146 000 žmonių, iš kurių daugelis buvo civiliai.

Po trijų dienų virš Nagasakio sprogo „Fat Man“ – sprogimo tipo plutonio bomba. Žuvo nuo 39 000 iki 80 000 žmonių; vėlgi, daugiausia civiliai.

Mažiau nei po savaitės Japonija pasidavė, o Antrasis pasaulinis karas baigėsi.

Kai kurie iš tų, kurie dirbo Manheteno projekte, tapo žymiais kovos su branduoliniu ginklu aktyvistais, pavyzdžiui, Josephas Rotblatas. Kiti, tokie kaip von Neumannas, toliau skatino branduolinių ginklų kūrimą kaip atramą prieš dar didesnius kito pasaulinio karo siaubus.

Nepriklausomai nuo skirtingų nuomonių, negalima paneigti Manheteno projekto reikšmės žmonijos istorijoje, tačiau jo palikimas vis dar nežinomas.

Pasidalinkite su draugais

Šaltiniai:

Interesting Engineering

Aut. teisės: MTPC

Komentarai ()