Historia bomby atomowej. Jak powstała bomba atomowa?

Historia bomby atomowej zaczyna się na długo przed jej pierwszym wykorzystaniem. Jednak badania zmierzające do jej bezpośredniego skonstruowania i wykorzystania nabrały tempa podczas II wojny światowej i były efektem pracy najwybitniejszych światowych naukowców pracujących w ramach projektu Manhattan.

Przełom w badaniach nad promieniotwórczością i radioaktywnością

Fotografia zbiorowa uczestników Kongresu Solvaya w 1911. Siedzą od lewej do prawej: W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay, H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Skłodowska-Curie, H. Poincaré. Stoją od lewej do prawej: R. Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens, A. Sommerfeld, F. Lindemann, M. de Broglie, M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J.H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein, P. Langevin.

Koniec XIX w. i początek XX w. to okres gigantycznego postępu w dziedzinie fizykii. W tym okresie mocno rozwinęły się badania nad promieniotwórczością i radioaktywnością. Nagrody Nobla w tym czasie otrzymali : Wilhelm Rentgen (odkrycie promieni Rentgena), Hendrik Lorentz i Pieter Zeeman (badania nad wpływem magnetyzmu na zjawisko promieniowania), Henri Becquerel, Pierre Curie i Maria Skłodowska-Curie (odkrycie i badania nad radioaktywnością naturalną), Niels Bohr (badania nad strukturą atomu), James Chadwick (odkrycie neutronu) czy Enrico Fermi (za pokazanie istnienia nowych pierwiastków promieniotwórczych).

Podobny postęp miał miejsce w dziedzinie chemii, gdzie również wielu laureatów Nagrody Nobla badało promieniotwórczość. Wśród nich byli m.in. Ernest Rutherford (za badania rozpadu promieniotwórczego pierwiastków i właściwości chemicznych substancji promieniotwórczych), Theodore William Richards (za dokładne określenie mas atomowych dużej liczby pierwiastków chemicznych), Francis William Aston (za odkrycie izotopów wielu pierwiastków niepromieniotwórczych), Frédéric Joliot i Irene Joliot-Curie (za syntezę nowych pierwiastków promieniotwórczych) oraz Otto Hahn (za odkrycie zjawiska rozszczepienia jądra atomowego).

Pierwsza reakcja rozszczepienia atomu

Otto Hahn

Badania ostatniego z wymienionych naukowców były bezpośrednim impulsem, który przyczynił się do rozpoczęcia amerykańskiego programu budowy bomby atomowej. Hahn wraz ze swoim asystentem Fritzem Strassmannem w 1938 przeprowadzili pierwszą reakcję rozszczepienia jądra atomu. Rok później przewidzieli wyzwolenie dodatkowych neutronów w czasie rozpadu atomowego. W trakcie II wojny światowej Hahn kontynuował prace nad reakcjami rozszczepienia jądra uranu. Obawiano się zatem, że Niemcy byliby zdolni do stworzenia bomby atomowej.

Listy Einsteina do Roosevelta

Einstein i Szilard podczas redagowania listu do Roosevelta / fot. atomicheritage.org

Osobą, która dała impuls dla amerykańskiego działania był węgierski fizyk Leo Szilard, który swoje badania prowadził w Wielkiej Brytanii, a następnie kontynuował w Stanach Zjednoczonych. Nigdy nie otrzymał Nagrody Nobla, ale w swoich pracach jeszcze przed eksperymentem Hahna i Strassmanna opisał reakcję łańcuchową. Ta jest efektem rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków (uranu i plutonu). Reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii. Warunkiem jej zajścia jest przekroczenie masy krytycznej (najmniejsza ilość materiału rozszczepialnego, konieczna do tego, by mogła zajść i utrzymać się jądrowa reakcja łańcuchowa). Zatem doskonale zdawał sobie sprawę jakie zagrożenia może spowodować ujarzmienie atomu przez Niemców. Przy tym wskazywał, że jednym z nich jest teoretyczna możliwość skonstruowania bomby atomowej. Gdy dowiedział się od węgierskiego fizyka Eugene Wignera o udanym eksperymencie Hahna i Strassmana, a także niemieckim zakazie eksportu uranu z Czechosłowacji, postanowił działać.

Szilard uznał, że aby w tej sprawie cokolwiek ugrać trzeba poinformować o tym prezydenta USA Franklina Delano Roosevelta. Wraz z Wignerem uznali, że ich listy mogą zostać zignorowane. Dlatego postanowili skorzystać z pomocy kolegi. Tym kolegą był Alber Einstein. 12 lipca Einstein przyjął obu fizyków, którzy wyłożyli mu podstawy reakcji łańcuchowej. Einstein zgodził się pomóc. Naukowcy wspólnie zredagowali list, który został przekazany do prezydenta.

Komitet Doradczy ds. Uranu

Od lewej: Vannevar Bush, James B. Conant, generał Leslie Groves i pułkownik Franklin Matthias w lipcu 1945 r.

W następstwie listu Einsteina do prezydenta Roosevelta ostrzegającego go przed możliwymi postępami niemieckich fizyków w zakresie wykorzystania energii jądrowej, prezydent poprosił Lymana Jamesa Briggsa o potajemne ustanowienie Komitetu Doradczego ds. Uranu. W jego ramach przekazał jednak niewielkie kwoty na badania dla Fermiego i Szilarda. Ani Komitet, ani tym bardziej przeznaczone kwoty nie były w stanie zagwarantować realnego postępu w pracach. Niemniej Komitetowi udało się potwierdzić badania Hahna i Strassmanna. Stąd pojawiły się kolejne listy Szilarda do Roosevelta za pośrednictwem Einsteina. Komitet doniósł Rooseveltowi, że uran „stanowiłby możliwe źródło bomb o destrukcyjności znacznie większej niż wszystko, co jest obecnie znane”.

W czerwcu 1940 r. Roosevelt powołał także Państwowy Komitet ds. Badań Obronnych (NDRC) pod przewodnictwem Vannevara Busha. Organizacja miała koordynować i nadzorować prowadzenie badań naukowych nad produkcją i wykorzystaniem urządzeń wojskowych. NDRC, którego działania były utajnione, doprowadził m.in. do opracowania bomby atomowej. Rok później Roosevelt powołał do życia Biuro ds. Rozwoju Badań Naukowych (OSRD), które skoncentrowało na sobie koordynację nad wszelkimi badaniami naukowymi. Podporządkowany został mu także Komitet Doradczy ds. Uranu, który przemianowano na Komitet S-1 (słowo uran usunięto z powodów tajności projektu). Jego dyrektorem został Bush. NDRC stało się ciałem doradczym OSRD. W 1940 r. Stany Zjednoczone pozyskały z Kongo 1250 t. uranu na potrzeby programu atomowego.

Prace Wielkiej Brytanii nad bombą atomową

Od lewej: William Penney, Otto Frisch, Rudolf Peierls i John Cockcroft

Nad bombą atomową pracowała także Wielka Brytania. Otto Frisch i Rudolf Peierls podczas badań na Uniwersytecie w Birmingham dokonali przełomu w badaniu masy krytycznej uranu-235. Potwierdzili, że nie tylko wykonanie bomby atomowej jest możliwe, ale również istnieje możliwość przeniesienia takiej bomby na pokładzie bombowca. Ich praca została przekazana do Henry’ego Tizarda, przewodniczącego Komitetu Badań Naukowych Obrony Powietrznej. Ten doprowadził do powołania w kwietniu 1940 komisji MAUD, która miała na celu stworzenie bomby atomowej. W lipcu 1940 r. Wielka Brytania postanowiła podzielić się swoimi badaniami ze Stanami Zjednoczonymi.

Projekt Manhattan

Leslie Groves i Robert Oppenheimer

Do projektu zostali włączeni wojskowi. Po ich stronie budowę bomby koordynował pułkownik James C. Marshall, który rezydował w biurze na nowojorskim Manhattanie. Stąd późniejsza nazwa „projekt Manhattan”. Ostatecznie w 1942 r. szefem projektu został generał Leslie Groves z Korpusu Inżynierów Armii USA, który wcześniej nadzorował budowę Pentagonu (siedziba Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych). O ile generał był wybitnym administratorem to nie miał odpowiedniej wiedzy fizycznej. Dlatego w ramach projektu Manhattan należało znaleźć dyrektora naukowego. Ku zaskoczeniu wielu nie został nim żaden z noblistów, ale dr Robert Oppenheimer, który był wybitnym fizykiem, ale przy tym był osobą charyzmatyczną i potrafiącą zarządzać zespołem ludzi. Dla Grovesa te cechy były kluczowe. Groves przełamał nawet opór FBI, który widział w Oppenheimerze komunistę.

Ponadto w zespole naukowców w Los Alamos znaleźli się tacy wybitni przedstawiciele nauki jak Luis Walter Alvarez (noblista) Hans Bethe (noblista) Enrico Fermi (noblista) Emilio Segre (noblista) Richard Feymann (noblista) Józef Rotblat (noblista), Owen Chamberlain (noblista), Ernest Lawrence (noblista), Niels Bohr (noblista), George Kistiakowsky, Edward Teller, John von Neumann i Klaus Fuch. Jednym z członków zespołu naukowców w Los Alamos był polski matematyk Stanisław Ulam.

Los Alamos i inne zakłady produkcyjne

Zakład K-25 w Oak Ridge

Groves posłuchał Oppenheimera i zdecydował, że najlepszym rozwiązaniem dla projektu będzie utworzenie jednego centrum badawczego. Odpowiednio ustronne i bezpieczne miejsce znaleziono w okolicach Los Alamos w stanie Nowy Meksyk, 60 km od miasta Santa Fe. Zgodnie z zamysłem Oppenheimera utworzono cztery wydziały naukowe: Fizyki Teoretycznej, Fizyki Eksperymentalnej, Chemii i Metalurgii oraz Materiałów Wybuchowych. Po tych decyzjach rozpoczęła się budowa kompleksu oraz poszukiwanie naukowców i przedsiębiorstw zdolnych pomóc w projekcie. Praca naukowa w Los Alamos rozpoczęła się wiosną 1943 r.

Jednakże o ile prace teoretyczne prowadzono w Los Alamos, to do wykonania bomb atomowych potrzebny był przede wszystkim wzbogacony uran U-235, a zatem potrzebne było także zaplecze produkcyjne. Rozważano różne sposoby pozyskania wzbogaconego uranu, ale Groves dał priorytet metodzie elektromagnetycznej. Na cele zakładu wzbogacającego uran w Oak Ridge nad rzeką Tennesse rząd amerykański wykupił ziemię o powierzchni ok. 200 km². Tempo budowy zakładów, w których pracowało kilkadziesiąt tysięcy ludzi, było imponujące. Już w pierwszym kwartale 1943 r. w zakładzie Y-12 w Oak Ridge udało się wyprodukować pierwszą partię 200 g uranu wzbogaconego w 12% izotopu U-235. By jednak nie uzależniać się wyłącznie od jednej metody pozyskiwania wzbogaconego uranu w Oak Ridge powstał zakład K-25 produkujący uran metodą dyfuzji gazowej. W 1944 r. uruchomiono także zakład S-50, który wytwarzał wzbogacony uran metodą dyfuzji termicznej.

Reaktor grafitowy X-10 w Oak Ridge

W ramach tych prac zespół pod kierownictwem Fermiego uruchomił w ramach badań na Uniwersytecie w Chicago pierwszy reaktor jądrowy (CP-1). 2 grudnia 1942 r. udało mu się uruchomić stos atomowy, który wywołał samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową przez ok. 28 minut. Był to zatem dzień, kiedy na świecie zaczęła się era atomowa. Otworzyło to drogę do budowy reaktora produkującego pluton.

Reaktor w Hanford

W 1943 r. uruchomiono w Oak Ridge zakłady produkujące wzbogacony pluton P-235, w tym reaktor X-10. Mimo trudności spowodowanych zatruwaniem reaktora, które rozwiązał John Wheeler w grudniu 1944 r. udało się wyładować pierwsze napromieniowane elementy z reaktora. W ten sposób w lutym 1945 r. do Los Alamos trafiły pierwsze ilości czystego plutonu. By zwiększyć tempo pozyskiwania plutonu postanowiono w Hanford zbudować kolejny reaktor do produkcji plutonu. Na rzecz projektu pracowały także obiekty w wielu innych lokalizacjach w Stanach Zjednoczonych i w dużo mniejszym stopniu w Kanadzie.

Bomby atomowe

Jako, że uzyskano zarówno wzbogacony uran, jak i pluton, to równocześnie pracowano nad dwoma rodzajami bomb atomowych. Jedna o rdzeniu uranowym, druga o rdzeniu plutonowym. Technicznie produkcja pierwszej z nich była dużo łatwiejsza. Fizycy ustalili, że aby doszło do wybuchu wystarczy przygotować bombę o typie działa artyleryjskiego. Masa krytyczna była w niej wytwarzana poprzez wystrzelenie podkrytycznego uranu w podkrytyczną uranową tarczę. Naukowcy mieli wręcz pewność, że musi ona zadziałać, więc nie zamierzali nawet przeprowadzać próbnej eksplozji.

George Kistiakowsky

W przypadku bomby plutonowej włoski fizyk Emilio Segre udowodnił, że ta metoda nie zadziała i może doprowadzić do jej przedwczesnego wybuchu. W przypadku plutonu należało doprowadzić do symetrycznej implozji wokół kulistego ładunku. Oppenheimer o pomoc w opracowaniu takiego mechanizmu poprosił matematyka Johna von Neumanna oraz fizykochemika Georga Kistiakowsky’ego. W maju 1945 r. udało im się opracować technologię wywołania implozji. Kistiakowsky’ego był twórcą soczewek (specjalnych materiałów wybuchów) mających wyzwolić równomierną implozję potrzebną do wybuchu bomby plutonowej.

W przypadku bomby plutonowej fizycy upierali się, by ją przetestować przed wykorzystaniem. Generał Groves był sceptyczny, co do przeprowadzenia próby jądrowej. Nie chciał bowiem tracić materiału jądrowego, którego z trudem i ogromnym kosztem pozyskiwał amerykański przemysł. Jednakże przeważyło zdanie Oppenheimera i innych naukowców, którzy podkreślali, że konieczne jest skonfrontowanie teoretycznych rozważań z rzeczywistym eksperymentem.

Test nuklearny Trinity

„Gadżet” przygotowany do próby Trinity

Na miejsce, gdzie został przeprowadzony pierwszy test broni atomowej wybrano pustynny rejony oddalony o ok. 100 km od  miasta Alamogordo. Na obszarze 30 na 40 km zostali wywłaszczeni nieliczni ranczerzy. Po czym zaczęto przygotowywać infrastrukturę potrzebną do przeprowadzenia testu.

Czas mocno naglił konstruktorów, gdyż w lipcu 1945 r. rozpoczynała się konferencja w Poczdamie z udziałem przywódców USA, Wielkiej Brytanii i ZSRR. W kwietniu 1945 r. zmarł prezydent Roosevelt. Jego miejsce zajął dotychczasowy wiceprezydent Harry Truman. Zaraz po zaprzysiężeniu otrzymał od sekretarza wojny Henry’ego Stimonsa szczegółowe informacje na temat stanu rozwoju broni atomowej. Truman chciał mieć podczas rozmów asa w rękawie w postaci posiadania niszczycielskiej broni. Toteż termin ostateczny eksperymentu już po przesunięciach wyznaczono na 16 lipca.

Jedyne kolorowe zdjęcie testu Trinity

Mimo obaw niektórych fizyków, że wybuch może doprowadzić do zapalenia ziemskiej atmosfery test „gadżetu” przeprowadzono o godz. 5:30. Eksplozja była oszałamiająca. Towarzyszył jej rozbłysk jasnego światła i towarzyszący mu grzmot. Utworzył się także wysoki na ok. 12 km grzyb atomowy widoczny z wielu kilometrów. To wydarzenie postawiło na nogi wielu obywateli, którzy zaczęli dzwonić po służbach. By uspokoić nastroje wkrótce podano za wczasu przygotowany komunikat, że na pustyni wybuchł duży skład z amunicją.

Oppenheimer był wstrząśnięty rezultatem testu. W jednym z wywiadów mówił, że pomyślał wówczas o sobie ze smutkiem, że „stał się śmiercią i niszczycielem światów”.

Little Boy i Fat Man

Bomba „Little Boy” zrzucona na Hiroszimę

W lipcu Amerykanie dysponowali trzema bombami atomowymi. Jedną uranową i dwoma plutonowymi, z tym że jedna z nich została wykorzystana do testu.

Bomba uranowa ważyła 4035 kg, w tym miała w sobie ładunek uranu ważący 64,1 kg. Żołnierze nazwali ją Little Boy, gdyż tak też nazywali bomby zapalające, z których zaczerpnięto zewnętrzny pancerz tego typu bomby atomowej. Ta bomba została zrzucona na Hiroszimę. Druga bomba ważyła 4670 kg i miała w sobie ładunek 6,4 kg plutonu. Żółnierze nazwali ją Fat Man. Ta bomba eksplodowała nad Nagasaki.

Zrzucenie bomb atomowych na Hiroszimę i Nagasaki

Bomba atomowa „Fat Man” podczas przygotowania do załadunku

Jako, że 8 maja 1945 r. Niemcy skapitulowały, to nie było potrzeby wykorzystania tej bomby w Europie. Jednakże Stany Zjednoczone nadal toczyły wojnę z Japonią, po tym jak ta zaatakowała bazę w Pearl Harbor. Stąd uznano, że ich zrzucenie może skłonić Japonię do kapitulacji.

Przeciwnikiem wykorzystania bomby stał się Szilard, który przestrzegał przed ich demonstracyjnym wykorzystaniem. Próbował za wszelką cenę dotrzeć do administracji Trumana, by zapobiec jej użycia. Poza samymi kwestiami moralnymi obawiał się, że taki akt ze strony Stanów Zjednoczonych doprowadzi do wyścigu zbrojeń i opracowania tej broni przez ZSRR. Tymczasem dzięki siatce szpiegów Stalin miał wiedzę o atomowym projekcie Manhattan. W dyskusji nad wykorzystaniem broni atomowej przeważyły argumenty o zaoszczędzeniu życia co najmniej 250 tys. amerykańskich żołnierzy. Mimo, że właściwie już pokonana Japonia nadal stawiała opór, a jej żołnierze nie składali broni tylko walczyli dosłownie do ostatniej krwi. To z kolei powodowało, że zdobywanie japońskich wysp byłoby procesem długotrwałym i obarczonym dużymi stratami. Truman miał uznać, że poświęcenie japońskiego miasta jest warte życia 250 tys. Amerykanów.

Grzyb atomowy po wybuchu bomby atomowej nad Hiroszimą w dniu 6 sierpnia 1945 r.

Japonia o zamiarze wykorzystania broni atomowej nie została ostrzeżona wprost. Groźbę unicestwienia Japończycy wzięli za zwykłą retorykę wojenną. Stąd w skomplikowanych operacjach bomby przetransportowano do Tinian na Oceanie Spokojnym, a stamtąd na pokładzie bombowców B-29 zostały zrzucone nad Hiroszimą 6 sierpnia i Nagasaki 9 sierpnia 1945 r. Wybór miast nie był przypadkowy. Truman ze względu na wartość kulturową odrzucił zniszczenie Tokio i Kioto. Wybór padł na Hiroszimę ze względu na znajdujące się tam składy wojskowe i port przeładunkowy. Drugim celem była Kokura.

Czytaj także → Zrzucenie bomby atomowej na Hiroszimę w 1945. Kulisy tajnej misji, która zniszczyła całe miasto

Wybuch w Hiroszimie wyzwolił siłę odpowiadającą ok. 16 kilotonom TNT . Efektywność bomby wyniosła 17%. W mieście zginęło ok. 70-100 tys. mieszkańców. Sprawujący w Japonii faktyczną władzę wojskowi chcieli nadal kontynuować wojnę sądząc, że USA posiada tylko jedną bombę. Toteż trzy dni później zrzucono bombę na Nagasaki. Głównym celem była Kokura, ale zła pogoda uniemożliwiła zrzucenie tam bomby, więc ta spadła na Nagasaki. Bomba plutonowa miała mniejszy ładunek jądrowy od bomby uranowej, ale wybuchła z większą siłą wynoszącą ok. 22 kiloton TNT. Zginęło ok. 70 tys. mieszkańców Nagasaki.

Hiroszima przed i po zrzuceniu bomby atomowej na miasto

W kolejnych latach następne państwa pozyskiwały bomby atomowe, a zdobycie tej technologii przez ZSRR napędziło wyścig zbrojeń i doprowadziło do wytworzenia tysięcy bomb atomowych. Program Manhattan jednak spowodował nie tylko powstanie nowej broni, ale także miał przełożenie na wykorzystanie energii atomowej jako źródła energii. Stąd powstały pierwsze okręty o napędzie atomowym oraz elektrownie atomowe dostarczające energię elektryczną odbiorcom cywilnym.

Koszt projektu Manhattan

Boeing B-29 Superfortress to samolot, który wykorzystano do zrzucenia obu bomb atomowych

Wydatki na projekt Manhattan do 1 października 1945 r. wyniosły 1,845 mld dolarów (szacunkowo ok 21,9 mld dolarów w 2022 r.). Ponad 90% kosztów poniesiono na budowę zakładów i produkcję materiałów rozszczepialnych, a mniej niż 10% na rozwój i produkcję broni. Dla porównania, całkowity koszt projektu do końca 1945 roku wynosił około 90% całkowitych wydatków na produkcję amerykańskiej broni strzeleckiej (bez amunicji) i 34% całkowitych wydatków na amerykańskie czołgi w tym samym okresie.

Był to drugi najdroższy projekt uzbrojenia podjęty przez Stany Zjednoczone w czasie II wojny światowej, za projektem i produkcją bombowców Boeing B-29 Superfortress. Tym samym, o ile koszty rzeczywiście były wysokie, to jednak pozwalały na realizację bieżących zamówień dla armii i inne prace badawcze. Amerykanie po zakończeniu wojny celowo zawyżali koszty jej produkcji, by zniechęcić inne państwa do podjęcia próby jej konstrukcji.

Bibliografia:

1. A. Beevor, Druga wojna światowa, Kraków 2013.
2. K. Bird, M. J. Sherwin, Oppenheimer. Triumf i tragedia ojca bomby atomowej, Poznań 2022.
3. P. O’Brien, How the War Was Won: Air-Sea Power and Allied Victory in World War II, Cambridge 2015.
4. R. L. Rhodes, Jak powstała bomba atomowa, Warszawa 2021.
5. Ch. Wallace, M. Weiss, Hiroszima 1945, Kraków 2021.