Projekt Manhattan i test Trinity – jak powstała pierwsza bomba atomowa

Projekt Manhattan to tajny program badawczo-przemysłowy, w ramach którego Stany Zjednoczone przy wsparciu Wielkiej Brytanii i Kanady zbudowały pierwszą broń jądrową. Przedsięwzięcie działało oficjalnie w latach 1942–1946, a jego zwieńczeniem był test Trinity przeprowadzony 16 lipca 1945 roku na pustyni w Nowym Meksyku. Impulsem do uruchomienia programu była obawa, że nazistowskie Niemcy skonstruują bombę atomową jako pierwsze. W szczytowym momencie Projekt zatrudniał około 130 tysięcy ludzi i pochłonął blisko 2 miliardy ówczesnych dolarów. Jego owocem były dwie odmienne konstrukcje – uranowy „Little Boy” i plutonowy „Fat Man” – które w sierpniu 1945 roku spadły na Hiroszimę i Nagasaki, zmuszając Japonię do kapitulacji, kończąc wojnę na Pacyfiku i otwierając erę atomową.

Geneza Projektu Manhattan

Wszystko zaczęło się od odkrycia naukowego, które przeraziło fizyków po obu stronach Atlantyku. Gdy pod koniec 1938 roku niemieccy chemicy rozbili jądro uranu, stało się jasne, że na podstawie tego zjawiska można stworzyć broń o niespotykanej dotąd sile rażenia. Reszta była wyścigiem z czasem – i ze strachem przed potęgą III Rzeszy.

Odkrycie rozszczepienia i groźba niemieckiej bomby

W grudniu 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann przeprowadzili w Berlinie eksperyment, który zapoczątkował erę atomową – rozbili jądro atomu uranu. Teoretyczne wyjaśnienie tego zjawiska podali wkrótce potem Lise Meitner i Otto Frisch. Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego uwalniało ogromną energię, a przy tym dodatkowe neutrony zdolne wywołać samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową. Fizycy natychmiast zrozumieli militarne implikacje tego odkrycia.

Największy niepokój odczuwali emigranci z Europy – Leó Szilárd, Eugene Wigner i Edward Teller. Skoro przełomowego odkrycia dokonano w Berlinie, istniało ogromne ryzyko, że to reżim Adolfa Hitlera jako pierwszy wejdzie w posiadanie superbroni.

Ich obawy nie były bezpodstawne. III Rzesza uruchomiła własny program atomowy już w kwietniu 1939 roku (znany jako Uranverein, czyli „Klub Uranowy”), a we wrześniu dołączył do niego noblista Werner Heisenberg. Przedsięwzięcie utknęło jednak w martwym punkcie – borykało się z brakiem surowców, błędnymi obliczeniami masy krytycznej, sabotażem (m.in. norweskiej fabryki ciężkiej wody) i rozproszeniem środków. Ostatecznie naziści nigdy nie zbliżyli się do etapu budowy działającej broni, choć alianci dowiedzieli się o tym dopiero pod koniec wojny dzięki tajnej misji wywiadowczej o kryptonimie Operacja Alsos.

List Einsteina-Szilarda i decyzja Roosevelta

2 sierpnia 1939 roku Szilárd i Wigner przygotowali dokument, pod którym swój podpis złożył Albert Einstein – słynny list Einsteina-Szilarda. Ostrzegał on prezydenta Franklina Delano Roosevelta przed „niezwykle potężnymi bombami nowego typu” i wzywał Stany Zjednoczone do zabezpieczenia złóż rudy uranu oraz przyspieszenia państwowych badań nad reakcją łańcuchową.

List dotarł do Białego Domu dopiero 11 października 1939 roku, dostarczony osobiście przez ekonomistę Alexandra Sachsa. Roosevelt, po zapoznaniu się z jego treścią, miał zapytać: „Alex, chodzi ci o to, żeby naziści nas nie wysadzili w powietrze?”. Po potwierdzeniu polecił swojemu adiutantowi rozpocząć działania.

Reakcja była początkowo ostrożna. Powołano Komitet Doradczy do spraw Uranu, a badania długo pozostawały w fazie teoretycznej. Prawdziwy przełom nastąpił 17 czerwca 1942 roku, gdy Roosevelt zatwierdził uruchomienie pełnoskalowego, militarnego programu budowy bomby. Nazwa „Projekt Manhattan” pochodzi od nowojorskiej dzielnicy, w której mieściła się pierwotna siedziba dowództwa Korpusu Inżynieryjnego Armii (Manhattan Engineer District) nadzorującego całe przedsięwzięcie.

FIG_01 // VISUAL_REF

Organizacja programu, trzy tajne miasta i radzieccy szpiedzy

Na czele przedsięwzięcia stanęli dwaj ludzie o skrajnie różnych charakterach. Jeden był bezkompromisowym wojskowym, drugi błyskotliwym fizykiem teoretycznym. Ich współpraca, mimo licznych napięć, okazała się fundamentem sukcesu, a sam program rozrósł się w gigantyczną, tajną sieć ośrodków przemysłowych.

Groves i Oppenheimer – wojskowy i fizyk na czele programu

Kierownictwo wojskowe całości objął we wrześniu 1942 roku generał Leslie Groves – oficer Korpusu Inżynieryjnego, który wcześniej z sukcesem nadzorował budowę Pentagonu. Odpowiadał za wybór lokalizacji, logistykę, bezpieczeństwo i astronomiczny budżet. Był pragmatyczny, niezwykle wymagający i niecierpliwy.

Kierownikiem naukowym tajnego laboratorium w Los Alamos Groves mianował J. Roberta Oppenheimera. Decyzja ta budziła ogromne kontrowersje. Oppenheimer nie miał doświadczenia w zarządzaniu dużymi zespołami, a jego dawne związki z członkami partii komunistycznej budziły zastrzeżenia kontrwywiadu. Groves uznał go jednak za jedynego człowieka potrafiącego zapanować nad ego najwybitniejszych umysłów epoki – i nie pomylił się.

Trzy tajne miasta – Los Alamos, Oak Ridge i Hanford

Serce programu stanowiły trzy ogromne kompleksy, z których każdy odpowiadał za inny etap powstawania bomby. Zatrudniano w nich dziesiątki tysięcy ludzi. Co ciekawe, większość pracowników niższego szczebla nie miała pojęcia, nad czym faktycznie pracuje. W Oak Ridge tysiące młodych kobiet (tzw. Calutron Girls) obsługiwało skomplikowane panele spektrometrów masowych, wiedząc jedynie, że mają utrzymywać wskaźniki na odpowiednim poziomie.

• Los Alamos (Nowy Meksyk) – główne laboratorium projektowo-konstrukcyjne, w którym opracowano i złożono obie bomby; formalnie placówkę prowadził Uniwersytet Kalifornijski.
• Oak Ridge (Tennessee) – potężny ośrodek wzbogacania uranu-235 metodami separacji elektromagnetycznej i dyfuzji gazowej; to tu powstał materiał rozszczepialny do bomby Little Boy.
• Hanford (stan Waszyngton) – kompleks wielkich reaktorów wytwarzających pluton-239 na potrzeby konstrukcji implozyjnej.

Podstawy naukowe pod produkcję plutonu położono wcześniej na Uniwersytecie Chicagowskim. 2 grudnia 1942 roku zespół Enrico Fermiego uruchomił tam reaktor Chicago Pile-1 i po raz pierwszy w historii przeprowadził kontrolowaną, samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową. To był moment, w którym fizyka jądrowa stała się inżynierią.

W programie zgromadzono bezprecedensową liczbę wybitnych naukowców. Obok Fermiego pracowali tu między innymi Hans Bethe, Richard Feynman, Isidor Rabi, John von Neumann oraz (okresowo) Niels Bohr – w większości laureaci lub przyszli laureaci Nagrody Nobla. Kluczowego surowca dostarczyło z kolei Kongo Belgijskie, skąd sprowadzono około 1250 ton niezwykle bogatej rudy uranowej.

Cienie Projektu: szpiegostwo radzieckie

Mimo obsesyjnych środków bezpieczeństwa wprowadzonych przez Grovesa, Projekt Manhattan został skutecznie zinfiltrowany przez radziecki wywiad. Związek Radziecki, choć formalnie sojusznik USA w walce z Hitlerem, nie został poinformowany o budowie bomby – Józef Stalin i tak jednak doskonale wiedział o postępach prac.

Najważniejszą rolę odegrał Klaus Fuchs – niemiecki fizyk z brytyjskiej misji naukowej pracujący w Los Alamos, który przekazał Sowietom najbardziej precyzyjne i techniczne schematy konstrukcji implozyjnej. Jeszcze wcześniej, choć mniej systematycznie, informacje przekazywał młody fizyk Theodore Hall. Dodatkowych szkiców dostarczył też David Greenglass, technik związany z siatką szpiegowską małżeństwa Rosenbergów. Łącznie te wycieki pozwoliły ZSRR zaoszczędzić lata samodzielnych badań i przyspieszyły radziecki test jądrowy przeprowadzony w 1949 roku.

Dwie bomby – Little Boy kontra Fat Man

Program wyprodukował nie jedną, lecz dwie zupełnie różne bomby, ponieważ dysponował dwoma odmiennymi materiałami rozszczepialnymi. Każdy z nich wymagał innego sposobu zainicjowania eksplozji, a różnice w budowie miały bezpośrednie przełożenie na to, jak broni użyto.

Uranowy Little Boy i prosta konstrukcja działowa

Little Boy opierał się na najprostszym możliwym mechanizmie – konstrukcji działowej (gun-type). Jedną masę uranu-235 wystrzeliwano wewnątrz lufy niczym pocisk w drugą, by w ułamku sekundy osiągnąć masę krytyczną. Rozwiązanie to było z inżynieryjnego punktu widzenia tak pewne, że nikt nie zawracał sobie głowy jego wcześniejszym testowaniem. Miało jednak istotną wadę – było skrajnie nieefektywne. Z około 64 kilogramów wzbogaconego uranu rozszczepieniu ulegał realnie niespełna kilogram materiału.

Plutonowy Fat Man i skomplikowana implozja

Z plutonem sprawa była znacznie trudniejsza. Dostępny materiał z Hanford zawierał zbyt dużo izotopu plutonu-240, który samorzutnie emitował neutrony. W powolnej konstrukcji działowej groziło to przedwczesnym zapłonem (tzw. fizzle) – słabą, rozczarowującą detonacją, która jedynie rozerwałaby bombę, nie dając pełnej wydajności nuklearnej. Ratunkiem okazała się implozja, zaprojektowana m.in. przy udziale Johna von Neumanna.

W konstrukcji implozyjnej rdzeń plutonowy o masie zaledwie 6,2 kilograma otaczano warstwą precyzyjnie ukształtowanych konwencjonalnych ładunków wybuchowych (soczewek). Ich jednoczesna detonacja ściskała rdzeń ze wszystkich stron do stanu nadkrytycznego. Ta metoda była o rząd wielkości trudniejsza do zrealizowania, ale pozwalała na błyskawiczną kompresję. Właśnie dlatego to mechanizm Fat Mana, a nie Little Boya, bezwzględnie wymagał sprawdzenia w warunkach poligonowych.

Mimo niemal dziesięciokrotnie mniejszej ilości materiału rozszczepialnego plutonowy Fat Man okazał się potężniejszy – implozja wykorzystywała paliwo znacznie efektywniej. Warto pamiętać, jak prymitywne były to urządzenia w porównaniu z dzisiejszą bronią. Współczesna bomba B61-12 waży zaledwie kilkaset kilogramów, pozwala precyzyjnie regulować moc wybuchu i jest wyposażona w system naprowadzania na cel. Ładunki z 1945 roku były zaś kilkutonowymi, jednorazowymi kolosami zrzucanymi swobodnie.

◆ POLECANE PRODUKTYTANIAKSIAZKA.PL

Kai Bird, Martin J. Sherwin

Oppenheimer. Triumf i tragedia ojca bomby atomowej

57.66 PLN

Kate Brown

Plutopia. Atomowe miasta i nieznane katastrofy nuklearne

33.22 PLN

David N. Schwartz

Enrico Fermi. Ostatni człowiek, który wiedział wszystko

81.1 PLN

Test Trinity – pierwsza eksplozja jądrowa w historii

Zanim zrzucono bombę na Japonię, technologię implozyjną trzeba było przetestować. O świcie 16 lipca 1945 roku na odludnej pustyni Jornada del Muerto (Szlak Śmierci) w Nowym Meksyku doszło do wydarzenia, które podzieliło historię ludzkości na dwie epoki. Ładunek testowy nosił robocze oznaczenie „Gadget” (Gadżet) i był technicznie tożsamy z późniejszym Fat Manem, pozbawionym jedynie obudowy balistycznej.

Przebieg testu i jego moc

O godzinie 5:29 czasu górskiego ładunek umieszczony na szczycie trzydziestometrowej stalowej wieży eksplodował, a sama wieża wyparowała w ułamku sekundy. Wybuch przerósł oczekiwania większości naukowców. Wydział teoretyczny prognozował moc rzędu 5-10 kiloton, tymczasem rzeczywistość okazała się znacznie potężniejsza.

Dokładna moc testu Trinity do dziś bywa przedmiotem analiz. Pierwotny pomiar radiochemiczny wskazał 18,6 kilotony, oficjalne ówczesne podsumowanie mówiło o 21 kilotonach, a reanaliza z 2021 roku podniosła tę wartość do niemal 25 kiloton. W praktyce przyjmuje się, że eksplozja miała moc około 21 kiloton trotylu. Skutki detonacji były widoczne w promieniu setek kilometrów:

• Błysk – rozświetlił niebo tak jasno, że dostrzeżono go z odległości sięgającej 300 kilometrów.
• Fala uderzeniowa – dotarła do bunkrów obserwatorów po około 40 sekundach, a odczuwalna była w promieniu ponad 160 kilometrów.
• Grzyb atomowy – wbił się w stratosferę, osiągając wysokość około 12 kilometrów.
• Krater i trynityt – w miejscu epicentrum powstał płytki krater, a ekstremalna temperatura stopiła pustynny piasek w lekko radioaktywne, zielonkawe szkliwo nazwane trynitytem, od kryptonimu próby.

Reakcje uczestników i słynny cytat

Świadkowie próby zapamiętali głównie absolutną, grobową ciszę, która zapadła po pierwszym oślepiającym rozbłysku, zanim dotarł do nich huk fali uderzeniowej. Kryptonim „Trinity” (Trójca) nadał sam Oppenheimer, który wiązał go później z poezją Johna Donne’a, choć dokładny powód wyboru tej nazwy pozostaje niejasny. Uczestnicy testu mieli świadomość, że właśnie przekroczyli granicę, zza której nie ma już odwrotu.

Z tym momentem związany jest najsłynniejszy cytat w historii broni jądrowej. Wiele lat później Oppenheimer wspominał, że na widok eksplozji przyszedł mu na myśl fragment hinduskiego eposu Bhagawadgita: „Oto stałem się Śmiercią, niszczycielem światów”. Należy jednak pamiętać, że słowa te pochodzą z telewizyjnego wywiadu z 1965 roku. Obecny na miejscu brat fizyka, Frank Oppenheimer, wspominał, że tuż po wybuchu Robert powiedział po prostu: „chyba zadziałało”.

Znacznie dosadniej ujął to Kenneth Bainbridge, dyrektor testu. Zwracając się do Oppenheimera zaraz po detonacji, wypowiedział zdanie równie ikoniczne, co prawdziwe: „Teraz wszyscy jesteśmy sukinsynami”.

Hiroszima, Nagasaki i dziedzictwo ery atomowej

Trzy tygodnie po teście Trinity broń jądrowa przestała być eksperymentem naukowym. Amerykanie od czasu bitwy o Midway stopniowo przejmowali inicjatywę na Pacyfiku, ale każda kolejna wyspa kosztowała tysiące istnień. 26 lipca 1945 roku alianci wystosowali Deklarację poczdamską – ultimatum wzywające Japonię do bezwarunkowej kapitulacji pod groźbą „całkowitego zniszczenia”. Japonia odmówiła, a wobec widma krwawej inwazji na wyspy macierzyste prezydent Harry Truman podjął decyzję o użyciu nowej broni.

Bombardowania Hiroszimy i Nagasaki

Cele wybierał specjalny komitet wojskowy. Sekretarz wojny Henry Stimson osobiście wykreślił dawną cesarską stolicę, Kioto, z listy celów ze względu na jej ogromne znaczenie kulturowe i historyczne. Wybór padł ostatecznie na ośrodki o wartości militarnej i przemysłowej, dotąd w dużej mierze oszczędzone przez konwencjonalne naloty dywanowe.

6 sierpnia 1945 roku o godzinie 8:15 bombowiec B-29 „Enola Gay” pod dowództwem pułkownika Paula Tibbetsa zrzucił na Hiroszimę uranowego Little Boya. Detonacja na wysokości około 580 metrów zrównała z ziemią większość miasta i zabiła od 90 do 140 tysięcy ludzi (wliczając późniejsze ofiary choroby popromiennej). Japońskie dowództwo wojskowe wciąż jednak odmawiało kapitulacji.

Trzy dni później, 9 sierpnia, bombowiec „Bockscar” majora Charlesa Sweeneya wystartował z plutonowym Fat Manem. Pierwotny cel, miasto Kokura, przesłoniły gęste chmury i dym, więc załoga skierowała się na cel zapasowy – Nagasaki. Górzyste ukształtowanie miasta nieznacznie ograniczyło zasięg zniszczeń mimo większej mocy ładunku, lecz i tu liczbę ofiar szacuje się na 40 do 80 tysięcy. Łączny, wieloletni bilans obu ataków rozciąga się według różnych źródeł od około 150 tysięcy do nawet 250 tysięcy istnień.

Ogrom zniszczeń oraz równoległa, zmasowana sowiecka inwazja na Mandżurię złamały opór Tokio. 10 sierpnia cesarz Hirohito zaakceptował warunki kapitulacji, a jej formalne podpisanie nastąpiło 2 września 1945 roku na pokładzie pancernika USS Missouri, ostatecznie kończąc II wojnę światową.

Początek zimnej wojny i wyścigu zbrojeń

Sukces Projektu Manhattan otworzył epokę, której nikt nie potrafił już zatrzymać. Zaledwie cztery lata po teście Trinity, we wrześniu 1949 roku, własną bombę zdetonował Związek Radziecki (wykorzystując m.in. wiedzę zdobytą przez szpiegów), rozpoczynając nuklearny wyścig zbrojeń. Świat wszedł w logikę wzajemnie gwarantowanego zniszczenia, a atomowe arsenały supermocarstw urosły do absurdalnych rozmiarów, które współcześnie odziedziczyła między innymi rosyjska triada nuklearna.

Napięcie wielokrotnie ocierało się o próg III wojny światowej. Najbliżej globalnej katastrofy ludzkość znalazła się podczas kryzysu kubańskiego w 1962 roku.

Dziedzictwo programu nie ogranicza się jednak wyłącznie do broni i strachu. Projekt Manhattan stał się wzorem „Big Science” (wielkiej nauki) – potężnego, rządowego przedsięwzięcia badawczo-inżynieryjnego, na którym wzorowano później program kosmiczny Apollo. Z tych samych badań wyrosła cywilna energetyka jądrowa, medycyna nuklearna oraz napęd atomowy okrętów podwodnych i lotniskowców. Ambiwalencja tego spadku – potęga kreacji obok absolutnej zdolności do destrukcji – towarzyszy nam po dziś dzień.

Projekt Manhattan – najczęściej zadawane pytania