מי המציא את הפצצה הגרעינית. מי בעצם יצר את פצצת האטום. ההיסטוריה של יצירת הפצצה הגרעינית

1.6.7. איך Tsai Lun המציא נייר במשך כמה אלפי שנים, הסינים ראו את כל המדינות האחרות כברבריות. סין היא ביתם של המצאות גדולות רבות. הנייר הומצא ממש כאן לפני הופעתו, בסין השתמשו במגילות לפתקים.

עולם האטום כל כך פנטסטי עד שהבנתו דורשת שבירה קיצונית במושגים הרגילים של מרחב וזמן. האטומים כל כך קטנים שאם ניתן היה להגדיל טיפת מים לגודל כדור הארץ, כל אטום בטיפה זו יהיה קטן מתפוז. למעשה, טיפה אחת של מים מורכבת מ-6000 מיליארד מיליארד (60000000000000000000000000000000000000) אטומי מימן וחמצן. ובכל זאת, למרות גודלו המיקרוסקופי, לאטום יש מבנה דומה במידה מסוימת למבנה מערכת השמש שלנו. במרכזו הקטן והבלתי מובן, שרדיוס שלו הוא פחות מטריליון סנטימטר אחד, יש "שמש" ענקית יחסית - גרעין של אטום.

"כוכבי לכת" זעירים - אלקטרונים - סובבים סביב ה"שמש" האטומית הזו. הגרעין מורכב משני אבני הבניין העיקריות של היקום - פרוטונים ונויטרונים (יש להם שם מאחד - נוקלונים). אלקטרון ופרוטון הם חלקיקים טעונים, וכמות המטען בכל אחד מהם זהה לחלוטין, אך המטענים שונים בסימן: הפרוטון תמיד טעון חיובי, והאלקטרון טעון שלילי. הנייטרון אינו נושא מטען חשמלי וכתוצאה מכך הוא בעל חדירות גבוהה מאוד.

בסולם אטומי של מדידות, המסה של פרוטון ונייטרון נלקחת כאחדות. המשקל האטומי של כל יסוד כימי תלוי אפוא במספר הפרוטונים והנייטרונים הכלולים בגרעין שלו. למשל, לאטום מימן, עם גרעין המורכב מפרוטון אחד בלבד, מסת אטומית של 1. לאטום הליום, עם גרעין של שני פרוטונים ושני נויטרונים, יש מסה אטומית של 4.

גרעיני האטומים של אותו יסוד מכילים תמיד את אותו מספר פרוטונים, אך מספר הנייטרונים עשוי להשתנות. אטומים שיש להם גרעינים עם אותו מספר פרוטונים, אך שונים במספר הנייטרונים והם זנים של אותו יסוד נקראים איזוטופים. כדי להבדיל ביניהם, מוקצה מספר לסמל היסוד השווה לסכום כל החלקיקים בגרעין של איזוטופ נתון.

עלולה להתעורר השאלה: מדוע גרעין האטום אינו מתפרק? הרי הפרוטונים הכלולים בו הם חלקיקים טעונים חשמלית בעלי אותו מטען, שחייבים לדחות זה את זה בכוח רב. זה מוסבר על ידי העובדה שבתוך הגרעין יש גם מה שנקרא כוחות תוך גרעיניים המושכים חלקיקים גרעיניים זה לזה. כוחות אלו מפצים על כוחות הדחייה של פרוטונים ומונעים מהגרעין להתעופף באופן ספונטני.

כוחות תוך-גרעיניים חזקים מאוד, אך פועלים רק במרחקים קרובים מאוד. לכן, גרעינים של יסודות כבדים, המורכבים ממאות גרעינים, מתגלים כלא יציבים. חלקיקי הגרעין נמצאים כאן בתנועה מתמשכת (בתוך נפח הגרעין), ואם מוסיפים להם כמות נוספת של אנרגיה, הם יכולים להתגבר על הכוחות הפנימיים – הגרעין יתפצל לחלקים. כמות האנרגיה העודפת הזו נקראת אנרגיית עירור. בין האיזוטופים של יסודות כבדים, יש כאלה שנראים על סף התפוררות עצמית. מספיקה "דחיפה" קטנה, למשל, נויטרון פשוט שפוגע בגרעין (והוא אפילו לא צריך להאיץ למהירות גבוהה) כדי שתגובת הביקוע הגרעיני תתרחש. מאוחר יותר למדו כמה מהאיזוטופים ה"בקעים" הללו מיוצרים באופן מלאכותי. בטבע, יש רק איזוטופ אחד כזה - אורניום-235.

אורנוס התגלה בשנת 1783 על ידי קלפרות', אשר בודד אותו מזפת אורניום וקרא לו על שם כוכב הלכת אורנוס שהתגלה לאחרונה. כפי שהתברר מאוחר יותר, זה למעשה לא היה האורניום עצמו, אלא התחמוצת שלו. התקבל אורניום טהור, מתכת כסופה-לבנה
רק ב-1842 פליגו. ליסוד החדש לא היו תכונות יוצאות דופן והוא לא משך תשומת לב עד 1896, כשבקרל גילה את תופעת הרדיואקטיביות במלחי אורניום. לאחר מכן, האורניום הפך למושא מחקר וניסויים מדעיים, אך עדיין לא היה לו שימוש מעשי.

כאשר, בשליש הראשון של המאה ה-20, הפיזיקאים פחות או יותר הבינו את מבנה גרעין האטום, הם קודם כל ניסו להגשים את חלומם ארוכת השנים של האלכימאים – הם ניסו להפוך יסוד כימי אחד למשנהו. בשנת 1934 דיווחו חוקרים צרפתים, בני הזוג פרדריק ואיירין ז'וליוט-קירי, לאקדמיה הצרפתית למדעים על החוויה הבאה: בהפצצת לוחות אלומיניום בחלקיקי אלפא (גרעינים של אטום הליום), הפכו אטומי אלומיניום לאטומי זרחן, אך לא רגילים, אלא רדיואקטיביים, שהפכו בתורם לאיזוטופ יציב של סיליקון. כך, אטום אלומיניום, לאחר שהוספת פרוטון אחד ושני נויטרונים, הפך לאטום סיליקון כבד יותר.

ניסיון זה העלה שאם "מפציצים" את גרעיני היסוד הכבד ביותר הקיים בטבע - אורניום - בניוטרונים, ניתן להשיג יסוד שאינו קיים בתנאים טבעיים. ב-1938 חזרו הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן באופן כללי על הניסיון של בני הזוג ג'וליוט-קירי, תוך שימוש באורניום במקום באלומיניום. תוצאות הניסוי כלל לא היו מה שציפו - במקום יסוד סופר-כבד חדש עם מספר מסה גדול מזה של אורניום, האן ושטראסמן קיבלו יסודות קלים מהחלק האמצעי של הטבלה המחזורית: בריום, קריפטון, ברום ו. כמה אחרים. הנסיינים עצמם לא הצליחו להסביר את התופעה שנצפתה. רק בשנה שלאחר מכן, הפיזיקאית ליז מייטנר, לה דיווח האן על קשייו, מצאה את ההסבר הנכון לתופעה הנצפית, והציעה שכאשר אורניום מופגז בניוטרונים, הגרעין שלו מתפצל (ביקוע). במקרה זה, היו צריכים להיווצר גרעינים של יסודות קלים יותר (מכאן הגיעו בריום, קריפטון וחומרים אחרים), כמו גם 2-3 נויטרונים חופשיים היו צריכים להשתחרר. מחקר נוסף איפשר להבהיר בפירוט את תמונת המתרחש.

אורניום טבעי מורכב מתערובת של שלושה איזוטופים בעלי מסות 238, 234 ו- 235. הכמות העיקרית של אורניום היא איזוטופ-238, שגרעיניו כולל 92 פרוטונים ו-146 נויטרונים. אורניום-235 הוא רק 1/140 מהאורניום הטבעי (0.7% (יש לו 92 פרוטונים ו-143 נויטרונים בגרעין שלו), ואורניום-234 (92 פרוטונים, 142 נויטרונים) הוא רק 1/17500 מהמסה הכוללת של האורניום ( 0, 006% הפחות יציב מבין האיזוטופים הללו הוא אורניום-235.

מעת לעת, גרעיני האטומים שלו מתחלקים באופן ספונטני לחלקים, וכתוצאה מכך נוצרים יסודות קלים יותר של הטבלה המחזורית. התהליך מלווה בשחרור שניים או שלושה נויטרונים חופשיים, הממהרים במהירות עצומה - כ-10 אלף קמ"ש (הם נקראים נויטרונים מהירים). נויטרונים אלה יכולים לפגוע בגרעיני אורניום אחרים, ולגרום לתגובות גרעיניות. כל איזוטופ מתנהג אחרת במקרה זה. גרעיני אורניום-238 ברוב המקרים פשוט לוכדים את הנייטרונים הללו ללא כל טרנספורמציה נוספת. אבל בערך במקרה אחד מתוך חמישה, כאשר נויטרון מהיר מתנגש בגרעין של איזוטופ-238, מתרחשת תגובה גרעינית מוזרה: אחד הנייטרונים של אורניום-238 פולט אלקטרון והופך לפרוטון, כלומר, איזוטופ אורניום הופך ליותר
יסוד כבד - נפטון-239 (93 פרוטונים + 146 נויטרונים). אבל נפטון אינו יציב - לאחר מספר דקות, אחד הנייטרונים שלו פולט אלקטרון, הופך לפרוטון, ולאחר מכן הופך איזוטופ נפטון ליסוד הבא בטבלה המחזורית - פלוטוניום-239 (94 פרוטונים + 145 נויטרונים). אם נויטרון פוגע בגרעין של אורניום-235 לא יציב, אז מתרחש ביקוע מיד - האטומים מתפוררים עם פליטת שניים או שלושה נויטרונים. ברור שבאורניום טבעי, שרוב האטומים שלו שייכים לאיזוטופ-238, לתגובה זו אין השלכות נראות לעין – כל הנייטרונים החופשיים ייספגו בסופו של דבר באיזוטופ זה.

ובכן, מה אם נדמיין חתיכת אורניום מסיבית למדי המורכבת כולה מאיזוטופ-235?

כאן התהליך יתנהל אחרת: נויטרונים המשתחררים במהלך ביקוע של כמה גרעינים, בתורם, פוגעים בגרעינים שכנים, גורמים לביקוע שלהם. כתוצאה מכך, משתחרר חלק חדש של נויטרונים, אשר מפצל את הגרעינים הבאים. בתנאים נוחים, תגובה זו מתרחשת כמו מפולת שלגים ונקראת תגובת שרשרת. כדי להתחיל אותו, כמה חלקיקים מפציצים עשויים להספיק.

אכן, תן לאורניום-235 להיות מופגז על ידי 100 נויטרונים בלבד. הם יפרידו בין 100 גרעיני אורניום. במקרה זה ישוחררו 250 נויטרונים חדשים מהדור השני (בממוצע 2.5 לביקוע). ניוטרונים דור שני יפיקו 250 ביקועים, שישחררו 625 נויטרונים. בדור הבא זה יהפוך ל-1562, אחר כך ל-3906, ואז ל-9670 וכו'. מספר החטיבות יגדל ללא הגבלת זמן אם התהליך לא יופסק.

עם זאת, במציאות רק חלק קטן של נויטרונים מגיע לגרעיני האטומים. השאר, ממהרים ביניהם במהירות, נסחפים אל המרחב שמסביב. תגובת שרשרת המקיימת את עצמה יכולה להתרחש רק במערך גדול מספיק של אורניום-235, שנאמר שיש לו מסה קריטית. (מסה זו בתנאים רגילים היא 50 ק"ג.) חשוב לציין שביקוע של כל גרעין מלווה בשחרור של כמות עצומה של אנרגיה, שמתגלה כפי 300 מיליון יותר מהאנרגיה המושקעת בביקוע. ! (ההערכה היא שביקוע מלא של 1 ק"ג אורניום-235 משחרר את אותה כמות חום כמו בעירה של 3,000 טון פחם.)

פרץ אנרגיה עצום זה, המשתחרר תוך מספר רגעים, מתבטא כפיצוץ של כוח מפלצתי ועומד בבסיס פעולת הנשק הגרעיני. אבל כדי שהנשק הזה יהפוך למציאות, יש צורך שהמטען לא יהיה מורכב מאורניום טבעי, אלא מאיזוטופ נדיר - 235 (אורניום כזה נקרא מועשר). מאוחר יותר התגלה כי פלוטוניום טהור הוא גם חומר בקיע וניתן להשתמש בו במטען אטומי במקום אורניום-235.

כל התגליות החשובות הללו התגלו ערב מלחמת העולם השנייה. עד מהרה החלה עבודה חשאית ליצירת פצצת אטום בגרמניה ובמדינות אחרות. בארצות הברית, בעיה זו טופלה ב-1941. כל מתחם העבודות קיבל את השם "פרויקט מנהטן".

הניהול האדמיניסטרטיבי של הפרויקט בוצע על ידי ג'נרל גרובס, והניהול המדעי בוצע על ידי פרופסור רוברט אופנהיימר מאוניברסיטת קליפורניה. שניהם היו מודעים היטב למורכבות העצומה של המשימה העומדת בפניהם. לכן, הדאגה הראשונה של אופנהיימר הייתה גיוס צוות מדעי אינטליגנטי ביותר. בארצות הברית באותה תקופה היו פיזיקאים רבים שהיגרו מגרמניה הנאצית. לא היה קל למשוך אותם ליצור נשק המכוון נגד מולדתם לשעבר. אופנהיימר דיבר אישית עם כולם, תוך שימוש בכל כוחו של קסמו. עד מהרה הוא הצליח לאסוף קבוצה קטנה של תיאורטיקנים, אותם כינה בצחוק "מאורות". ולמעשה, הוא כלל את המומחים הגדולים ביותר של אותה תקופה בתחום הפיזיקה והכימיה. (ביניהם 13 חתני פרס נובל, כולל בוהר, פרמי, פרנק, צ'דוויק, לורנס.) מלבדם, היו עוד מומחים רבים בעלי פרופילים שונים.

ממשלת ארה"ב לא חסכה בהוצאות, והעבודה קיבלה קנה מידה גדול מההתחלה. ב-1942 נוסדה בלוס אלמוס מעבדת המחקר הגדולה בעולם. אוכלוסיית העיר המדעית הזו הגיעה עד מהרה ל-9 אלף איש. מבחינת הרכב המדענים, היקף הניסויים המדעיים ומספר המומחים והעובדים המעורבים בעבודה, למעבדת לוס אלמוס לא היה אח ורע בהיסטוריה העולמית. לפרויקט מנהטן היו משטרה משלו, מודיעין נגד, מערכת תקשורת, מחסנים, כפרים, מפעלים, מעבדות ותקציב ענק משלו.

המטרה העיקרית של הפרויקט הייתה להשיג מספיק חומר בקיע שממנו ניתן ליצור מספר פצצות אטום. בנוסף לאורניום-235, המטען לפצצה, כפי שכבר הוזכר, יכול להיות היסוד המלאכותי פלוטוניום-239, כלומר, הפצצה יכולה להיות אורניום או פלוטוניום.

חורשותו אופנהיימרהסכימו שיש לבצע עבודה במקביל בשני כיוונים, שכן אי אפשר להחליט מראש מי מהם יהיה מבטיח יותר. שתי השיטות היו שונות זו מזו באופן מהותי: הצטברות של אורניום-235 הייתה צריכה להתבצע על ידי הפרדתו מחלק הארי של האורניום הטבעי, וניתן היה להשיג פלוטוניום רק כתוצאה מתגובה גרעינית מבוקרת כאשר אורניום-238 הוקרן. עם נויטרונים. שני הדרכים נראו קשים בצורה בלתי רגילה ולא הבטיחו פתרונות קלים.

למעשה, איך אפשר להפריד בין שני איזוטופים שנבדלים רק במעט במשקל ומתנהגים באופן כימי בדיוק באותה צורה? לא המדע ולא הטכנולוגיה התמודדו אי פעם עם בעיה כזו. גם ייצור פלוטוניום נראה בעייתי מאוד בהתחלה. לפני כן, כל הניסיון של טרנספורמציות גרעיניות צומצם לכמה ניסויי מעבדה. כעת היה עליהם לשלוט בייצור קילוגרמים של פלוטוניום בקנה מידה תעשייתי, לפתח וליצור מתקן מיוחד לכך - כור גרעיני, וללמוד לשלוט על מהלך התגובה הגרעינית.

גם כאן וגם כאן היה צריך לפתור מכלול שלם של בעיות מורכבות. לכן, פרויקט מנהטן כלל מספר תת-פרויקטים, בראשם מדענים בולטים. אופנהיימר עצמו היה ראש המעבדה המדעית של לוס אלמוס. לורנס היה אחראי על מעבדת הקרינה באוניברסיטת קליפורניה. פרמי ערך מחקר באוניברסיטת שיקגו ליצירת כור גרעיני.

בתחילה, הבעיה החשובה ביותר הייתה השגת אורניום. לפני המלחמה, למתכת זו לא היה שימוש כמעט. כעת, כשהיה צורך בו מיד בכמויות אדירות, התברר שאין שיטה תעשייתית לייצורו.

חברת Westinghouse החלה בפיתוחה וזכתה להצלחה במהירות. לאחר טיהור שרף האורניום (אורניום מופיע בטבע בצורה זו) והשגת תחמוצת אורניום, הוא הומר לטטרפלואוריד (UF4), שממנו הופרדה מתכת אורניום באלקטרוליזה. אם בסוף 1941 עמדו לרשות מדענים אמריקאים רק כמה גרמים בודדים של מתכת אורניום, הרי שכבר בנובמבר 1942 הגיע הייצור התעשייתי שלו במפעלי וסטינגהאוס ל-6,000 פאונד בחודש.

במקביל, נערכה עבודה ליצירת כור גרעיני. תהליך הפקת פלוטוניום הסתכם למעשה בהקרנת מוטות אורניום בניוטרונים, וכתוצאה מכך חלק מהאורניום-238 יהפוך לפלוטוניום. מקורות הנייטרונים במקרה זה יכולים להיות אטומים בקיעים של אורניום-235, המפוזרים בכמות מספקת בין אטומי אורניום-238. אבל כדי לשמור על ייצור קבוע של נויטרונים, היה צריך להתחיל תגובת שרשרת של ביקוע של אטומי אורניום-235. בינתיים, כפי שכבר הוזכר, על כל אטום של אורניום-235 היו 140 אטומים של אורניום-238. ברור שלנייטרונים שהתפזרו לכל הכיוונים הייתה סבירות גבוהה בהרבה לפגוש אותם בדרכם. כלומר, מספר עצום של נויטרונים ששוחררו התברר כנספגים על ידי האיזוטופ הראשי ללא כל תועלת. ברור שבתנאים כאלה לא יכלה להתרחש תגובת שרשרת. איך להיות?

בתחילה נראה היה שללא הפרדה של שני איזוטופים, פעולת הכור בדרך כלל בלתי אפשרית, אך עד מהרה התברר נסיבות חשובות: התברר שאורניום-235 ואורניום-238 רגישים לנייטרונים באנרגיות שונות. ניתן לפצל את הגרעין של אטום אורניום-235 על ידי נויטרון בעל אנרגיה נמוכה יחסית, בעל מהירות של כ-22 מטר לשנייה. נויטרונים איטיים כאלה אינם נלכדים על ידי גרעיני אורניום-238 - לשם כך הם חייבים להיות בעלי מהירות בסדר גודל של מאות אלפי מטרים בשנייה. במילים אחרות, לאורניום-238 אין כוח למנוע את תחילתה והתקדמותה של תגובת שרשרת באורניום-235 הנגרמת על ידי נויטרונים המואטים למהירויות נמוכות במיוחד - לא יותר מ-22 מ"ש. תופעה זו התגלתה על ידי הפיזיקאי האיטלקי פרמי, שחי בארה"ב מאז 1938 והוביל את העבודה לכאן ליצירת הכור הראשון. פרמי החליט להשתמש בגרפיט כמנחה נויטרונים. לפי חישוביו, הנייטרונים הנפלטים מאורניום-235, לאחר שעברו בשכבת גרפיט באורך 40 ס"מ, היו צריכים להפחית את מהירותם ל-22 מ"ש ולהתחיל תגובת שרשרת מתקיימת באורניום-235.

מנחה אחר יכול להיות מה שנקרא מים "כבדים". מכיוון שאטומי המימן הכלולים בו דומים מאוד בגודלם ובמסתם לנייטרונים, הם יכולים להאט אותם בצורה הטובה ביותר. (עם נויטרונים מהירים, קורה בערך אותו דבר כמו בכדורים: אם כדור קטן פוגע בכדור גדול, הוא מתגלגל לאחור, כמעט מבלי לאבד מהירות, אבל כשהוא פוגש כדור קטן, הוא מעביר אליו חלק ניכר מהאנרגיה שלו. - ממש כמו נויטרון בהתנגשות אלסטית קופץ מגרעין כבד, מאט רק מעט, וכאשר מתנגשים בגרעיני אטומי מימן, הם מאבדים מהר מאוד את כל האנרגיה שלהם.) עם זאת, מים רגילים אינם מתאימים להאטה, שכן המימן שלו נוטה לספוג נויטרונים. לכן יש להשתמש בדוטריום, שהוא חלק ממים "כבדים", למטרה זו.

בתחילת 1942, בהנהגתו של פרמי, החלה בניית הכור הגרעיני הראשון בהיסטוריה באזור מגרש הטניס מתחת ליציעים המערביים של אצטדיון שיקגו. המדענים ביצעו את כל העבודה בעצמם. ניתן לשלוט על התגובה בדרך היחידה - על ידי התאמת מספר הנייטרונים המשתתפים בתגובת השרשרת. פרמי התכוון להשיג זאת באמצעות מוטות העשויים מחומרים כמו בורון וקדמיום, הסופגים מאוד נויטרונים. המנחה הייתה לבני גרפיט, מהן בנו הפיזיקאים עמודים בגובה 3 מ' וברוחב 1.2 מ' מותקנים ביניהם בלוקים מלבניים עם תחמוצת אורניום. המבנה כולו דרש כ-46 טון תחמוצת אורניום ו-385 טון גרפיט. כדי להאט את התגובה, מוטות של קדמיום ובור הוכנסו לכור.

אם לא די בכך, הרי שלצורך ביטוח, שני מדענים עמדו על במה שנמצאת מעל הכור עם דליים מלאים בתמיסה של מלחי קדמיום - הם היו אמורים לשפוך אותם על הכור אם התגובה יצאה משליטה. למרבה המזל, זה לא היה נחוץ. ב-2 בדצמבר 1942, פרמי הורה להרחיב את כל מוטות הבקרה והניסוי החל. לאחר ארבע דקות, מוני הנייטרונים החלו להקיש חזק יותר ויותר. עם כל דקה עוצמת שטף הנייטרונים גדלה. זה הצביע על כך שמתרחשת תגובת שרשרת בכור. זה נמשך 28 דקות. ואז פרמי נתן את האות, והמוטות שהונמכו עצרו את התהליך. כך, בפעם הראשונה, שחרר האדם את האנרגיה של גרעין האטום והוכיח שהוא יכול לשלוט בה כרצונו. עכשיו כבר לא היה ספק שנשק גרעיני הוא מציאות.

בשנת 1943 פורק כור פרמי והועבר למעבדה הלאומית של אראגונה (50 ק"מ משיקגו). במהרה נבנה כאן כור גרעיני נוסף, תוך שימוש במים כבדים כמנחה. הוא היה מורכב ממיכל אלומיניום גלילי המכיל 6.5 טונות של מים כבדים, שבו טבלו אנכית 120 מוטות של מתכת אורניום, עטופים במעטפת אלומיניום. שבעת מוטות הבקרה היו עשויים מקדמיום. מסביב למיכל היה רפלקטור גרפיט, ואז מסך עשוי מסגסוגות עופרת וסגסוגות קדמיום. המבנה כולו תחום במעטפת בטון בעובי דופן של כ-2.5 מ'.

ניסויים בכורי פיילוט אלה אישרו את האפשרות לייצור תעשייתי של פלוטוניום.

המרכז המרכזי של פרויקט מנהטן הפך במהרה לעיירה אוק רידג' בעמק נהר טנסי, שאוכלוסייתה גדלה ל-79 אלף איש תוך מספר חודשים. כאן נבנה תוך זמן קצר המפעל הראשון לייצור אורניום מועשר בהיסטוריה. כור תעשייתי המייצר פלוטוניום הושק כאן ב-1943. בפברואר 1944 הופקו ממנו מדי יום כ-300 ק"ג של אורניום, שמפני השטח שלו הושג פלוטוניום בהפרדה כימית. (כדי לעשות זאת, תחילה הומס הפלוטוניום ולאחר מכן שקע.) לאחר מכן הוחזר האורניום המטוהר לכור. באותה שנה החלה בנייתו של מפעל הנפורד הענק במדבר העקר והעגום בגדה הדרומית של נהר קולומביה. כאן אותרו שלושה כורים גרעיניים רבי עוצמה, המייצרים כמה מאות גרמים של פלוטוניום מדי יום.

במקביל, המחקר היה בעיצומו לפיתוח תהליך תעשייתי להעשרת אורניום.

לאחר שקלו אפשרויות שונות, החליטו גרובס ואופנהיימר למקד את מאמציהם בשתי שיטות: דיפוזיה גזי ואלקטרומגנטית.

שיטת דיפוזיית הגז התבססה על עיקרון המכונה חוק גרהם (היא נוסחה לראשונה ב-1829 על ידי הכימאי הסקוטי תומס גרהם ופותחה ב-1896 על ידי הפיזיקאי האנגלי ריילי). לפי חוק זה, אם שני גזים, שאחד מהם קל מהשני, עוברים דרך מסנן בעל חורים קטנים באופן זניח, אזי יעבור בו מעט יותר מהגז הקל מאשר מהכבד. בנובמבר 1942, Urey and Dunning מאוניברסיטת קולומביה יצרו שיטת דיפוזיה גזית להפרדת איזוטופים של אורניום המבוססת על שיטת ריילי.

מכיוון שאורניום טבעי הוא מוצק, הוא הומר לראשונה לאורניום פלואוריד (UF6). לאחר מכן הועבר גז זה דרך חורים מיקרוסקופיים - בסדר גודל של אלפיות המילימטר - במחיצת המסנן.

מכיוון שההבדל במשקלים המולאריים של הגזים היה קטן מאוד, מאחורי המחיצה גדלה תכולת האורניום-235 פי 1.0002 בלבד.

על מנת להגדיל את כמות האורניום-235 עוד יותר, התערובת המתקבלת מועברת שוב דרך מחיצה, וכמות האורניום מוגדלת שוב פי 1.0002. לפיכך, כדי להגדיל את תכולת האורניום-235 ל-99%, היה צורך להעביר את הגז דרך 4000 מסננים. זה התרחש במפעל ענק לדיפוזיה גזים באוק רידג'.

ב-1940, בהנהגתו של ארנסט לורנס, החל מחקר על הפרדת איזוטופים של אורניום בשיטה האלקטרומגנטית באוניברסיטת קליפורניה. היה צורך למצוא תהליכים פיזיקליים שיאפשרו הפרדת איזוטופים באמצעות ההבדל במסה שלהם. לורנס ניסה להפריד איזוטופים באמצעות העיקרון של ספקטרוגרף מסה, מכשיר המשמש לקביעת מסות האטומים.

עיקרון פעולתו היה כדלקמן: אטומים טרום-מיוננים הואצו על ידי שדה חשמלי ולאחר מכן עברו דרך שדה מגנטי, בו תיארו עיגולים הממוקמים במישור המאונך לכיוון השדה. מכיוון שהרדיוסים של מסלולים אלה היו פרופורציונליים למסה, יונים קלים הגיעו למעגלים בעלי רדיוס קטן יותר מאשר כבדים. אם היו מניחים מלכודות לאורך נתיב האטומים, אז ניתן היה לאסוף איזוטופים שונים בנפרד בדרך זו.

זו הייתה השיטה. בתנאי מעבדה זה נתן תוצאות טובות. אבל בניית מתקן שבו ניתן לבצע הפרדת איזוטופים בקנה מידה תעשייתי התבררה כקשה ביותר. עם זאת, לורנס הצליח בסופו של דבר להתגבר על כל הקשיים. התוצאה של מאמציו הייתה הופעתו של קלוטרון, שהותקן במפעל ענק באוק רידג'.

המפעל האלקטרומגנטי הזה נבנה בשנת 1943 והתברר כי הוא אולי פרי המוח היקר ביותר של פרויקט מנהטן. השיטה של ​​לורנס דרשה מספר רב של מכשירים מורכבים, שטרם פותחו, הכוללים מתח גבוה, ואקום גבוה ושדות מגנטיים חזקים. היקף העלויות התברר כעצום. לקלוטרון היה אלקטרומגנט ענק, שאורכו הגיע ל-75 מ' ומשקלו כ-4000 טון.

כמה אלפי טונות של חוטי כסף שימשו לפיתולים של האלקטרומגנט הזה.

העבודה כולה (בלי חשבון עלות של 300 מיליון דולר בכסף, שאוצר המדינה סיפק רק באופן זמני) עלתה 400 מיליון דולר. משרד הביטחון שילם 10 מיליון עבור החשמל שצורך קלוטרון בלבד. חלק גדול מהציוד במפעל Oak Ridge היה עדיף בקנה מידה ובדיוק על כל מה שפותח אי פעם בתחום הטכנולוגיה הזה.

אבל כל העלויות הללו לא היו לשווא. לאחר שהוציאו סך של כ-2 מיליארד דולר, מדענים אמריקאים עד 1944 יצרו טכנולוגיה ייחודית להעשרת אורניום וייצור פלוטוניום. בינתיים, במעבדת לוס אלמוס עבדו על תכנון הפצצה עצמה. עקרון פעולתו היה ברור באופן כללי במשך זמן רב: החומר הבקיע (פלוטוניום או אורניום-235) היה צריך להיות מועבר למצב קריטי ברגע הפיצוץ (כדי שתתרחש תגובת שרשרת, מסת המטען צריכה לעבור להיות אפילו גדול באופן ניכר מהקריטי) ומוקרן בקרן נויטרונים, מה שגורר תחילתה של תגובת שרשרת.

על פי חישובים, המסה הקריטית של המטען עלתה על 50 קילוגרמים, אך הם הצליחו להפחית אותה משמעותית. באופן כללי, הערך של המסה הקריטית מושפע מאוד ממספר גורמים. ככל ששטח הפנים של המטען גדול יותר, כך נפלטים יותר נויטרונים ללא תועלת לחלל שמסביב. לכדור יש את שטח הפנים הקטן ביותר. כתוצאה מכך, למטענים כדוריים, בהיותם שווים, יש את המסה הקריטית הקטנה ביותר. בנוסף, ערך המסה הקריטית תלוי בטוהר ובסוג החומרים הבקיעים. זה ביחס הפוך לריבוע הצפיפות של חומר זה, מה שמאפשר, למשל, על ידי הכפלת הצפיפות, הפחתת המסה הקריטית פי ארבעה. ניתן להשיג את מידת התת-קריטיות הנדרשת, למשל, על ידי דחיסה של החומר הבקיע עקב פיצוץ מטען של חומר נפץ רגיל העשוי בצורת פגז כדורי המקיף את המטען הגרעיני. ניתן להפחית את המסה הקריטית גם על ידי הקיפת המטען במסך המשקף נויטרונים היטב. עופרת, בריליום, טונגסטן, אורניום טבעי, ברזל ועוד רבים אחרים יכולים לשמש כמסך כזה.

תכנון אפשרי אחד של פצצת אטום מורכב משתי חתיכות אורניום, אשר, בשילובן, יוצרות מסה גדולה מהקריטית. כדי לגרום לפיצוץ מטען, אתה צריך לקרב אותם מהר ככל האפשר. השיטה השנייה מבוססת על שימוש בפיצוץ המתכנס פנימה. במקרה זה, זרם גזים מחומר נפץ קונבנציונלי הופנה אל החומר הבקיע שנמצא בתוכו ודחס אותו עד שהגיע למסה קריטית. שילוב מטען והקרנה אינטנסיבית שלו בניוטרונים, כאמור, גורמים לתגובת שרשרת, שבעקבותיה בשנייה הראשונה הטמפרטורה עולה למיליון מעלות. במהלך הזמן הזה, רק כ-5% מהמסה הקריטית הצליחו להיפרד. שאר המטען בתכנון פצצות מוקדם התאדה ללא
תועלת כלשהי.

פצצת האטום הראשונה בהיסטוריה (ניתן לה את השם טריניטי) הורכבה בקיץ 1945. וב-16 ביוני 1945 בוצע הפיצוץ האטומי הראשון על פני כדור הארץ באתר הניסויים הגרעיניים במדבר אלמוגורדו (ניו מקסיקו). הפצצה הוצבה במרכז אתר הניסוי על גבי מגדל פלדה באורך 30 מטר. ציוד הקלטה הוצב סביבו במרחק רב. עמדת תצפית הייתה 9 ק"מ משם, ועמדת פיקוד 16 ק"מ משם. הפיצוץ האטומי עשה רושם מדהים על כל העדים לאירוע הזה. על פי תיאורי עדי ראייה, הרגיש כאילו שמשות רבות התאחדו לאחת והאירו את אתר הבדיקה בבת אחת. ואז הופיע כדור אש ענקי מעל המישור וענן עגול של אבק ואור החל להתרומם לעברו לאט ומבשר רעות.

בהמריא מהקרקע, כדור האש הזה נסק לגובה של יותר משלושה קילומטרים תוך כמה שניות. עם כל רגע הוא גדל בגודלו, עד מהרה הגיע קוטרו ל-1.5 ק"מ, והוא עלה לאט לסטרטוספירה. ואז כדור האש פינה את מקומו לעמוד עשן מתנשא, שנמתח לגובה של 12 ק"מ, כשהוא מקבל צורה של פטרייה ענקית. כל זה היה מלווה בשאגה איומה שגרמה לאדמה לרעוד. כוחה של הפצצה המתפוצצת עלה על כל הציפיות.

ברגע שמצב הקרינה אפשר, מיהרו לאזור הפיצוץ כמה טנקי שרמן, מרופדים בלוחות עופרת מבפנים. על אחד מהם היה פרמי, שהיה להוט לראות את תוצאות עבודתו. מה שהופיע לנגד עיניו היה אדמה מתה וחרוכה, שעליה הושמדו כל היצורים החיים ברדיוס של 1.5 ק"מ. החול נאפה לקרום ירקרק זכוכית שכיסה את האדמה. במכתש ענק מונחים שרידי מגדל תמיכה מפלדה. עוצמת הפיצוץ הוערכה ב-20,000 טון של TNT.

השלב הבא היה השימוש הקרבי בפצצת האטום נגד יפן, שלאחר כניעת גרמניה הנאצית המשיכה לבדה את המלחמה עם ארצות הברית ובעלות בריתה. לא היו רכבי שיגור באותו זמן, ולכן ההפצצה נאלצה להתבצע ממטוס. מרכיבי שתי הפצצות הועברו בזהירות רבה על ידי הסיירת אינדיאנפוליס לאי טיניאן, שם התבססה קבוצת חיל האוויר המשולב ה-509. פצצות אלו נבדלו במקצת זו מזו בסוג המטען והעיצוב.

פצצת האטום הראשונה - "בייבי" - הייתה פצצה אווירית בגודל גדול עם מטען אטומי עשוי אורניום-235 מועשר מאוד. אורכו היה כ-3 מ', קוטר - 62 ס"מ, משקל - 4.1 טון.

פצצת האטום השנייה - "איש שמן" - עם מטען של פלוטוניום-239 הייתה בצורת ביצה עם מייצב גדול. אורכו
היה 3.2 מ', קוטר 1.5 מ', משקל - 4.5 טון.

ב-6 באוגוסט, הטיל מפציץ B-29 Enola Gay של קולונל טיבץ את "ילד קטן" על העיר הירושימה היפנית הגדולה. הפצצה הורדה במצנח והתפוצצה, כמתוכנן, בגובה של 600 מ' מהקרקע.

ההשלכות של הפיצוץ היו איומות. גם עבור הטייסים עצמם, המראה של עיר שלווה שנהרסה על ידם בין רגע עשה רושם מדכא. מאוחר יותר, אחד מהם הודה שבאותה שנייה הם ראו את הדבר הגרוע ביותר שאדם יכול לראות.

עבור אלה שהיו עלי אדמות, מה שהתרחש דומה לגיהנום אמיתי. קודם כל, גל חום חלף מעל הירושימה. ההשפעה שלו נמשכה רק כמה רגעים, אבל הייתה כל כך עוצמתית שהוא המיס אפילו אריחים וגבישי קוורץ בלוחות גרניט, הפך עמודי טלפון ממרחק של 4 ק"מ לפחם ולבסוף שרף גופים אנושיים עד כדי כך שרק צללים נשארו מהם. על האספלט של המדרכות או על קירות הבתים. ואז פרץ משב רוח מפלצתי מתחת לכדור האש וזינק מעל העיר במהירות של 800 קמ"ש והרס את כל מה שנקרה בדרכה. בתים שלא יכלו לעמוד בהתקפה הזועמת שלו קרסו כאילו הופלו. לא נותר מבנה אחד שלם במעגל הענק בקוטר 4 ק"מ. דקות ספורות לאחר הפיצוץ ירד גשם רדיואקטיבי שחור על העיר - הלחות הזו הפכה לקיטור שהתעבה בשכבות הגבוהות של האטמוספירה ונפלה ארצה בצורת טיפות גדולות מעורבות באבק רדיואקטיבי.

לאחר הגשם פגע בעיר משב רוח חדש, הפעם נושב לכיוון המוקד. הוא היה חלש יותר מהראשון, אבל עדיין חזק מספיק כדי לעקור עצים. הרוח עוררה אש ענקית שבה נשרף כל מה שיכול לבעור. מתוך 76 אלף מבנים, 55 אלף נהרסו ונשרפו כליל. עדים לאסון הנורא הזה זכרו לפידים אנושיים שמהם נפלו בגדים שרופים ארצה יחד עם סמרטוטים של עור, והמוני אנשים מטורפים מכוסים כוויות איומות שמיהרו בצרחות ברחובות. באוויר היה צחנה חונק של בשר אדם שרוף. היו אנשים שכובים בכל מקום, מתים ומתים. היו רבים שהיו עיוורים וחירשים, וחטטנו לכל הכיוונים, לא הצליחו להבחין בדבר בכאוס ששלט סביבם.

האנשים האומללים, שאותרו במרחק של עד 800 מ' מהמוקד, ממש נשרפו בשבריר שנייה - הפנימיות שלהם התאדה וגופם הפך לגושים של גחלים מעשנות. אלה שנמצאו במרחק של ק"מ אחד מהמוקד נפגעו ממחלת קרינה בצורה חמורה ביותר. תוך מספר שעות הם החלו להקיא באלימות, הטמפרטורה שלהם קפצה ל-39-40 מעלות, והם החלו לחוות קוצר נשימה ודימום. אז הופיעו כיבים שאינם מרפאים על העור, הרכב הדם השתנה באופן דרמטי, והשיער נשר. לאחר סבל נורא, בדרך כלל ביום השני או השלישי, התרחש המוות.

בסך הכל מתו מהפיצוץ ומחלת הקרינה כ-240 אלף בני אדם. כ-160 אלף קיבלו מחלת קרינה בצורה קלה יותר - מותם הכואב נדחה במספר חודשים או שנים. כשהידיעות על האסון התפשטו ברחבי המדינה, כל יפן הייתה משותקת מפחד. זה גדל עוד יותר לאחר שמכונית התיבה של מייג'ור סוויני הטילה פצצה שנייה על נגסאקי ב-9 באוגוסט. גם כאן נהרגו ונפצעו כמה מאות אלפי תושבים. משלא הצליחה להתנגד לנשק החדש, ממשלת יפן נכנעה - פצצת האטום סיימה את מלחמת העולם השנייה.

המלחמה נגמרה. זה נמשך רק שש שנים, אבל הצליח לשנות את העולם ואת האנשים כמעט ללא הכר.

הציוויליזציה האנושית לפני 1939 והציוויליזציה האנושית אחרי 1945 שונות זו מזו באופן מדהים. יש לכך סיבות רבות, אך אחת החשובות היא הופעת הנשק הגרעיני. אפשר לומר בלי להגזים שצל הירושימה טמון על כל המחצית השנייה של המאה ה-20. זה הפך לצריבה מוסרית עמוקה עבור מיליונים רבים של אנשים, גם בני זמננו של האסון הזה וגם אלה שנולדו עשרות שנים אחריו. האדם המודרני כבר לא יכול לחשוב על העולם כפי שחשבו עליו לפני ה-6 באוגוסט 1945 – הוא מבין בבירור מדי שהעולם הזה יכול להפוך לשום דבר תוך כמה רגעים.

האדם המודרני אינו יכול להסתכל על מלחמה כפי שהסתכלו הסבים והסבים שלו - הוא יודע בוודאות שהמלחמה הזו תהיה האחרונה, ולא יהיו בה לא מנצחים ולא מפסידים. נשק גרעיני הותיר את חותמו בכל תחומי החיים הציבוריים, והציוויליזציה המודרנית לא יכולה לחיות לפי אותם חוקים כמו לפני שישים או שמונים שנה. איש לא הבין זאת טוב יותר מאשר יוצרי פצצת האטום עצמם.

"אנשי הפלנטה שלנו , כתב רוברט אופנהיימר, חייב להתאחד. האימה וההרס שזרעו המלחמה האחרונה מכתיבים לנו את המחשבה הזו. פיצוצים של פצצות אטום הוכיחו זאת בכל אכזריות. אנשים אחרים בזמנים אחרים כבר אמרו מילים דומות - רק על כלי נשק אחרים ועל מלחמות אחרות. הם לא היו מוצלחים. אבל כל מי שהיום היה אומר שהמילים הללו חסרות תועלת מוטעה על ידי תהפוכות ההיסטוריה. אנחנו לא יכולים להשתכנע בכך. תוצאות עבודתנו לא משאירות לאנושות ברירה אלא ליצור עולם מאוחד. עולם המבוסס על חוקיות ואנושיות".