Kas išrado branduolinę bombą. Kas iš tikrųjų sukūrė atominę bombą. Branduolinės bombos sukūrimo istorija

1.6.7. Kaip Tsai Lun išrado popierių Keletą tūkstančių metų kinai visas kitas šalis laikė barbariškomis. Kinijoje yra daugybė puikių išradimų. Popierius buvo išrastas čia pat, prieš pasirodant, Kinijoje užrašams buvo naudojami ritinėliai.

Atomo pasaulis yra toks fantastiškas, kad norint jį suprasti, reikia radikaliai pertraukti įprastas erdvės ir laiko sampratas. Atomai yra tokie maži, kad jei vandens lašą būtų galima padidinti iki Žemės dydžio, kiekvienas šio lašo atomas būtų mažesnis už oranžinį. Tiesą sakant, vieną vandens lašą sudaro 6000 milijardų milijardų (6000000000000000000000000000000000000000000000000000000) vandenilio ir deguonies atomų. Ir vis dėlto, nepaisant savo mikroskopinio dydžio, atomo struktūra tam tikru mastu panaši į mūsų saulės sistemos struktūrą. Jo nesuvokiamai mažame centre, kurio spindulys yra mažesnis nei viena trilijonoji centimetro dalis, yra palyginti didžiulė „saulė“ - atomo branduolys.

Mažytės „planetos“ – elektronai – sukasi aplink šią atominę „saulę“. Branduolys susideda iš dviejų pagrindinių Visatos statybinių blokų – protonų ir neutronų (jie turi vienijantį pavadinimą – nukleonai). Elektronas ir protonas yra įkrautos dalelės, kurių krūvis yra visiškai vienodas, tačiau krūviai skiriasi ženklu: protonas visada yra įkrautas teigiamai, o elektronas – neigiamai. Neutronas neturi elektros krūvio ir dėl to turi labai didelį pralaidumą.

Atominėje matavimų skalėje protono ir neutrono masė laikoma vienybe. Todėl bet kurio cheminio elemento atominė masė priklauso nuo jo branduolyje esančių protonų ir neutronų skaičiaus. Pavyzdžiui, vandenilio atomo, kurio branduolį sudaro tik vienas protonas, atominė masė yra 1. Helio atomo, kurio branduolys sudarytas iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, atominė masė yra 4.

To paties elemento atomų branduoliuose visada yra tiek pat protonų, tačiau neutronų skaičius gali skirtis. Atomai, kurių branduoliai turi tą patį protonų skaičių, bet skiriasi neutronų skaičiumi ir yra to paties elemento atmainos, vadinami izotopais. Norint juos atskirti vienas nuo kito, elemento simboliui priskiriamas skaičius, lygus visų tam tikro izotopo branduolyje esančių dalelių sumai.

Gali kilti klausimas: kodėl atomo branduolys nesuyra? Juk jame esantys protonai yra vienodu krūviu elektra įkrautos dalelės, kurios viena kitą turi atstumti su didele jėga. Tai paaiškinama tuo, kad branduolio viduje taip pat yra vadinamųjų intrabranduolinių jėgų, kurios viena prie kitos traukia branduolines daleles. Šios jėgos kompensuoja atstumiančias protonų jėgas ir neleidžia branduoliui spontaniškai išskristi.

Intrabranduolinės jėgos yra labai stiprios, tačiau veikia tik labai arti. Todėl sunkiųjų elementų branduoliai, susidedantys iš šimtų nukleonų, pasirodo nestabilūs. Branduolio dalelės čia nepertraukiamai juda (branduolio tūrio ribose), o jei joms pridėsite šiek tiek papildomos energijos, jos gali įveikti vidines jėgas – branduolys suskils į dalis. Šios energijos pertekliaus kiekis vadinamas sužadinimo energija. Tarp sunkiųjų elementų izotopų yra tokių, kurie, atrodo, yra ant pačios savaiminio irimo ribos. Užtenka tik nedidelio „stūmimo“, pavyzdžiui, į branduolį atsitrenkiančio paprasto neutrono (ir jam net nereikia įsibėgėti iki didelio greičio), kad įvyktų branduolio dalijimosi reakcija. Kai kuriuos iš šių „skilusių“ izotopų vėliau buvo išmokta gaminti dirbtinai. Gamtoje toks izotopas yra tik vienas – uranas-235.

Uraną 1783 m. atrado Klaprotas, išskyręs jį iš urano dervos ir pavadinęs neseniai atrastos Urano planetos vardu. Kaip vėliau paaiškėjo, tai iš tikrųjų buvo ne pats uranas, o jo oksidas. Buvo gautas grynas uranas, sidabriškai baltas metalas
tik 1842 metais Peligo. Naujasis elementas neturėjo jokių išskirtinių savybių ir patraukė dėmesį tik 1896 m., kai Bekerelis atrado urano druskų radioaktyvumo reiškinį. Po to uranas tapo mokslinių tyrimų ir eksperimentų objektu, bet vis tiek neturėjo praktinės naudos.

Kai XX amžiaus pirmajame trečdalyje fizikai daugiau ar mažiau suprato atomo branduolio sandarą, jie pirmiausia bandė išpildyti ilgametę alchemikų svajonę – bandė vieną cheminį elementą paversti kitu. 1934 metais prancūzų mokslininkai, sutuoktiniai Fredericas ir Irene Joliot-Curie, pranešė Prancūzijos mokslų akademijai apie tokią patirtį: bombarduojant aliuminio plokštes alfa dalelėmis (helio atomo branduoliais), aliuminio atomai virto fosforo atomais, tačiau ne įprastus, o radioaktyvius, kurie savo ruožtu tapo stabiliu silicio izotopu. Taigi aliuminio atomas, pridėjęs vieną protoną ir du neutronus, virto sunkesniu silicio atomu.

Ši patirtis parodė, kad jei neutronais „bombarduosite“ sunkiausio gamtoje egzistuojančio elemento - urano - branduolius, galite gauti elementą, kurio natūraliomis sąlygomis nėra. 1938 metais vokiečių chemikai Otto Hahnas ir Fritzas Strassmannas bendrais bruožais pakartojo Joliot-Curie sutuoktinių patirtį, vietoj aliuminio naudojant uraną. Eksperimento rezultatai buvo ne tokie, kokių tikėjosi – vietoj naujo supersunkaus elemento, kurio masės skaičius didesnis nei urano, Hahnas ir Strassmannas gavo lengvus elementus iš vidurinės periodinės lentelės dalies: bario, kriptono, bromo ir kai kurie kiti. Patys eksperimentuotojai negalėjo paaiškinti pastebėto reiškinio. Tik kitais metais fizikė Lise Meitner, kuriai Hahnas pranešė apie savo sunkumus, rado teisingą pastebėto reiškinio paaiškinimą, leidžiantį manyti, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, jo branduolys skyla (skilimas). Tokiu atveju turėjo susidaryti lengvesnių elementų branduoliai (iš ten ir atsirado baris, kriptonas ir kitos medžiagos), taip pat išsiskirti 2-3 laisvieji neutronai. Tolesni tyrimai leido detaliai išsiaiškinti, kas vyksta.

Gamtinis uranas susideda iš trijų izotopų, kurių masės yra 238, 234 ir 235, mišinys. Pagrindinis urano kiekis yra izotopas-238, kurio branduolį sudaro 92 protonai ir 146 neutronai. Uranas-235 sudaro tik 1/140 natūralaus urano (0,7% (jo branduolyje yra 92 protonai ir 143 neutronai), o uranas-234 (92 protonai, 142 neutronai) sudaro tik 1/17500 visos urano masės). 0 , 006 % Mažiausiai stabilus iš šių izotopų yra uranas-235.

Kartkartėmis jos atomų branduoliai spontaniškai dalijasi į dalis, dėl to susidaro lengvesni periodinės lentelės elementai. Procesą lydi dviejų ar trijų laisvųjų neutronų išsiskyrimas, kurie veržiasi milžinišku greičiu – apie 10 tūkst. km/s (jie vadinami greitaisiais neutronais). Šie neutronai gali atsitrenkti į kitus urano branduolius, sukeldami branduolines reakcijas. Kiekvienas izotopas šiuo atveju elgiasi skirtingai. Urano-238 branduoliai daugeliu atvejų tiesiog užfiksuoja šiuos neutronus be jokių tolesnių transformacijų. Tačiau maždaug vienu iš penkių atvejų, kai greitasis neutronas susiduria su izotopo-238 branduoliu, įvyksta keista branduolinė reakcija: vienas iš urano-238 neutronų išspinduliuoja elektroną, virsdamas protonu, tai yra urano izotopas virsta daugiau
sunkusis elementas – neptūnas-239 (93 protonai + 146 neutronai). Tačiau neptūnas yra nestabilus – po kelių minučių vienas jo neutronų išspinduliuoja elektroną, virsdamas protonu, po kurio neptūno izotopas virsta kitu periodinės lentelės elementu – plutoniu-239 (94 protonai + 145 neutronai). Jei neutronas atsitrenkia į nestabilaus urano-235 branduolį, iš karto įvyksta dalijimasis – atomai suyra, išskirdami du ar tris neutronus. Akivaizdu, kad gamtiniame urane, kurio dauguma atomų priklauso izotopui-238, ši reakcija matomų pasekmių neturi – visi laisvieji neutronai ilgainiui bus absorbuojami šio izotopo.

Na, o kas, jei įsivaizduotume gana masyvų urano gabalą, kurį sudaro tik izotopas-235?

Čia procesas vyks kitaip: kelių branduolių dalijimosi metu išsiskiriantys neutronai, savo ruožtu, atsitrenkę į gretimus branduolius, sukelia jų dalijimąsi. Dėl to išsiskiria nauja neutronų dalis, kuri suskaldo kitus branduolius. Palankiomis sąlygomis ši reakcija vyksta kaip lavina ir vadinama grandinine reakcija. Norėdami jį pradėti, gali pakakti kelių bombarduojančių dalelių.

Iš tiesų, uraną-235 tegul bombarduoja tik 100 neutronų. Jie atskirs 100 urano branduolių. Tokiu atveju išsiskirs 250 naujų antrosios kartos neutronų (vidutiniškai 2,5 dalijimosi metu). Antrosios kartos neutronai sukels 250 skilimų, kurie išlaisvins 625 neutronus. Kitoje kartoje jis taps 1562, tada 3906, tada 9670 ir tt. Jei procesas nebus sustabdytas, padalinių skaičius didės neribotą laiką.

Tačiau iš tikrųjų tik nedidelė neutronų dalis pasiekia atomų branduolius. Likusieji, greitai besiveržiantys tarp jų, nunešami į aplinkinę erdvę. Savaime išsilaikanti grandininė reakcija gali įvykti tik esant pakankamai dideliam urano-235 masyvui, kuris, kaip teigiama, turi kritinę masę. (Ši masė normaliomis sąlygomis yra 50 kg.) Svarbu pažymėti, kad kiekvieno branduolio skilimą lydi didžiulis energijos kiekis, kuris, pasirodo, yra maždaug 300 milijonų kartų didesnis nei dalijimosi energija. ! (Apskaičiuota, kad visiškai suskilus 1 kg urano-235, išsiskiria tiek pat šilumos, kiek sudegus 3 tūkst. tonų anglies.)

Šis kolosalus energijos pliūpsnis, išsiskiriantis per kelias akimirkas, pasireiškia kaip siaubingos jėgos sprogimas ir yra branduolinių ginklų veikimo pagrindas. Tačiau tam, kad šis ginklas taptų realybe, būtina, kad užtaisą sudarytų ne natūralus uranas, o retas izotopas – 235 (toks uranas vadinamas prisodrintu). Vėliau buvo išsiaiškinta, kad grynas plutonis taip pat yra skilioji medžiaga ir gali būti naudojamas atominiam krūviui vietoj urano-235.

Visi šie svarbūs atradimai buvo padaryti Antrojo pasaulinio karo išvakarėse. Netrukus Vokietijoje ir kitose šalyse prasidėjo slaptas atominės bombos kūrimo darbas. JAV ši problema buvo sprendžiama 1941 m. Visas darbų kompleksas buvo pavadintas „Manheteno projektu“.

Administracinį projekto valdymą vykdė generolas Grovesas, o mokslinį valdymą – Kalifornijos universiteto profesorius Robertas Oppenheimeris. Abu puikiai suprato, koks didžiulis jiems tenkančios užduoties sudėtingumas. Todėl pirmasis Oppenheimerio rūpestis buvo įdarbinti labai protingą mokslinę komandą. Tuo metu JAV buvo daug fizikų, emigravusių iš nacistinės Vokietijos. Nebuvo lengva juos pritraukti kurti ginklus, nukreiptus prieš buvusią tėvynę. Oppenheimeris su kiekvienu kalbėjo asmeniškai, naudodamasis visa savo žavesio galia. Netrukus jam pavyko suburti nedidelę teoretikų grupę, kurią jis juokais pavadino „šviesuoliais“. Tiesą sakant, jame buvo didžiausi to meto fizikos ir chemijos specialistai. (Tarp jų yra 13 Nobelio premijos laureatų, tarp jų Bohras, Fermis, Frankas, Chadwickas, Lawrence'as.) Be jų, buvo daug kitų įvairaus profilio specialistų.

JAV vyriausybė negailėjo išlaidų, o darbas nuo pat pradžių buvo didžiulis. 1942 m. Los Alamose buvo įkurta didžiausia pasaulyje tyrimų laboratorija. Netrukus šio mokslo miesto gyventojų skaičius pasiekė 9 tūkst. Pagal mokslininkų sudėtį, mokslinių eksperimentų apimtį ir darbe dalyvaujančių specialistų bei darbuotojų skaičių Los Alamos laboratorija neturėjo sau lygių pasaulio istorijoje. Manheteno projektas turėjo savo policiją, kontržvalgybą, ryšių sistemą, sandėlius, kaimus, gamyklas, laboratorijas ir savo milžinišką biudžetą.

Pagrindinis projekto tikslas buvo gauti pakankamai skiliosios medžiagos, iš kurios būtų galima sukurti kelias atomines bombas. Be urano-235, bombos užtaisu, kaip jau minėta, gali būti dirbtinis elementas plutonis-239, tai yra, bomba gali būti arba uranas, arba plutonis.

Groves Ir Oppenheimeris sutiko, kad darbai vyktų vienu metu dviem kryptimis, nes iš anksto neįmanoma nuspręsti, kuri iš jų bus perspektyvesnė. Abu metodai iš esmės skyrėsi vienas nuo kito: urano-235 akumuliacija turėjo būti vykdoma atskiriant jį nuo didžiosios dalies gamtinio urano, o plutonį buvo galima gauti tik kontroliuojamos branduolinės reakcijos metu, kai uranas-238 buvo apšvitintas. su neutronais. Abu keliai atrodė neįprastai sunkūs ir nežadėjo lengvų sprendimų.

Tiesą sakant, kaip galima atskirti du izotopus, kurie tik šiek tiek skiriasi savo svoriu ir chemiškai elgiasi lygiai taip pat? Nei mokslas, nei technologijos niekada nesusidūrė su tokia problema. Plutonio gamyba iš pradžių taip pat atrodė labai problemiška. Prieš tai visa branduolinių transformacijų patirtis apsiribojo keliais laboratoriniais eksperimentais. Dabar jiems teko įsisavinti kilogramų plutonio gamybą pramoniniu mastu, sukurti ir sukurti tam specialų įrenginį – branduolinį reaktorių, išmokti valdyti branduolinės reakcijos eigą.

Ir ten, ir čia reikėjo išspręsti visą kompleksą sudėtingų problemų. Todėl Manheteno projektą sudarė keli subprojektai, kuriems vadovavo žinomi mokslininkai. Pats Oppenheimeris buvo Los Alamos mokslinės laboratorijos vadovas. Lawrence'as buvo atsakingas už Kalifornijos universiteto Radiacijos laboratoriją. Fermi atliko tyrimus Čikagos universitete, siekdamas sukurti branduolinį reaktorių.

Iš pradžių svarbiausia problema buvo urano gavimas. Prieš karą šis metalas praktiškai neturėjo jokios naudos. Dabar, kai jo prireikė iš karto didžiuliais kiekiais, paaiškėjo, kad pramoninio būdo jį pagaminti nėra.

„Westinghouse“ įmonė pradėjo vystytis ir greitai sulaukė sėkmės. Išvalius urano dervą (tokia forma uranas pasitaiko gamtoje) ir gavus urano oksidą, ji buvo paversta tetrafluoridu (UF4), nuo kurio elektrolizės būdu buvo atskirtas metalas uranas. Jei 1941 metų pabaigoje amerikiečių mokslininkai disponavo vos keliais gramais urano metalo, tai jau 1942 metų lapkritį jo pramoninė gamyba Westinghouse gamyklose siekė 6000 svarų per mėnesį.

Tuo pat metu vyko branduolinio reaktoriaus kūrimo darbai. Plutonio gamybos procesas iš tikrųjų baigėsi urano strypų apšvitinimu neutronais, dėl kurių dalis urano-238 pavirstų plutoniu. Šiuo atveju neutronų šaltiniai galėtų būti dalintys urano-235 atomai, pakankamais kiekiais išsibarstę tarp urano-238 atomų. Tačiau norint išlaikyti nuolatinę neutronų gamybą, turėjo prasidėti grandininė urano-235 atomų dalijimosi reakcija. Tuo tarpu, kaip jau minėta, kiekvienam urano-235 atomui buvo 140 urano-238 atomų. Akivaizdu, kad į visas puses sklaidantys neutronai turėjo daug didesnę tikimybę sutikti juos savo kelyje. Tai reiškia, kad pagrindinis izotopas sugėrė didžiulį skaičių išleistų neutronų be jokios naudos. Akivaizdu, kad tokiomis sąlygomis grandininė reakcija negalėjo įvykti. Kaip būti?

Iš pradžių atrodė, kad be dviejų izotopų atskyrimo reaktoriaus veikimas apskritai yra neįmanomas, tačiau netrukus buvo nustatyta viena svarbi aplinkybė: paaiškėjo, kad uranas-235 ir uranas-238 yra jautrūs skirtingos energijos neutronams. Urano-235 atomo branduolį gali suskaidyti santykinai mažos energijos neutronas, kurio greitis yra apie 22 m/s. Tokių lėtų neutronų neužfiksuoja urano-238 branduoliai – tam jų greitis turi būti šimtai tūkstančių metrų per sekundę. Kitaip tariant, uranas-238 yra bejėgis užkirsti kelią grandininei urano-235 reakcijai, kurią sukelia neutronai, sulėtėję iki itin mažo greičio – ne daugiau kaip 22 m/s. Šį reiškinį atrado italų fizikas Fermis, kuris nuo 1938 m. gyveno JAV ir čia vadovavo darbui kuriant pirmąjį reaktorių. Fermi nusprendė naudoti grafitą kaip neutronų moderatorių. Jo skaičiavimais, urano-235 skleidžiami neutronai, praėję per 40 cm grafito sluoksnį, turėjo sumažinti savo greitį iki 22 m/s ir pradėti savaime išsilaikančią grandininę reakciją urane-235.

Kitas moderatorius galėtų būti vadinamasis „sunkusis“ vanduo. Kadangi jame esantys vandenilio atomai savo dydžiu ir mase yra labai panašūs į neutronus, jie galėtų geriausiai juos sulėtinti. (Su greitaisiais neutronais nutinka maždaug taip pat, kaip ir su rutuliais: jei mažas rutulys atsitrenkia į didelį, jis rieda atgal, beveik neprarasdamas greičio, tačiau susidūręs su mažu rutuliuku perduoda jam didelę savo energijos dalį. - lygiai kaip neutronas elastingo susidūrimo metu atsimuša į sunkųjį branduolį, tik šiek tiek sulėtindamas greitį, o susidūręs su vandenilio atomų branduoliais labai greitai praranda visą energiją.) Tačiau paprastas vanduo sulėtinti netinka, kadangi jo vandenilis linkęs sugerti neutronus. Štai kodėl šiam tikslui turėtų būti naudojamas deuteris, kuris yra „sunkiojo“ vandens dalis.

1942 m. pradžioje, vadovaujant Fermi, teniso aikštelėje po vakarinėmis Čikagos stadiono tribūnomis buvo pradėtas statyti pirmasis istorijoje branduolinis reaktorius. Visus darbus mokslininkai atliko patys. Reakciją galima valdyti vieninteliu būdu – koreguojant grandininėje reakcijoje dalyvaujančių neutronų skaičių. Fermi ketino tai pasiekti naudodama strypus, pagamintus iš tokių medžiagų kaip boras ir kadmis, kurios stipriai sugeria neutronus. Moderatorius buvo grafito plytos, iš kurių fizikai pastatė 3 m aukščio ir 1,2 m pločio kolonas su urano oksidu. Visai konstrukcijai prireikė apie 46 tonų urano oksido ir 385 tonų grafito. Siekiant sulėtinti reakciją, į reaktorių buvo įvesti kadmio ir boro strypai.

Jei to nepakaktų, tada apsidrausdami du mokslininkai stovėjo ant platformos, esančios virš reaktoriaus, su kaušais, pripildytais kadmio druskų tirpalo – jie turėjo jas išpilti ant reaktoriaus, jei reakcija taptų nekontroliuojama. Laimei, to neprireikė. 1942 m. gruodžio 2 d. Fermis įsakė prailginti visus valdymo strypus ir eksperimentas prasidėjo. Po keturių minučių neutronų skaitikliai pradėjo spragtelėti vis garsiau. Su kiekviena minute neutronų srauto intensyvumas didėjo. Tai rodė, kad reaktoriuje vyksta grandininė reakcija. Tai truko 28 minutes. Tada Fermi davė signalą, o nuleisti strypai sustabdė procesą. Taip žmogus pirmą kartą išlaisvino atomo branduolio energiją ir įrodė, kad gali ją valdyti savo nuožiūra. Dabar nebeliko jokių abejonių, kad branduoliniai ginklai yra realybė.

1943 metais Fermio reaktorius buvo išmontuotas ir nugabentas į Aragono nacionalinę laboratoriją (50 km nuo Čikagos). Netrukus čia buvo pastatytas dar vienas branduolinis reaktorius, kuriame kaip moderatorius buvo naudojamas sunkusis vanduo. Jį sudarė cilindrinis aliuminio rezervuaras, kuriame buvo 6,5 tonos sunkaus vandens, į kurį vertikaliai buvo panardinta 120 metalo urano strypų, aptrauktų aliuminio apvalkalu. Septyni valdymo strypai buvo pagaminti iš kadmio. Aplink baką buvo grafito reflektorius, tada ekranas iš švino ir kadmio lydinių. Visa konstrukcija buvo aptverta betoniniu apvalkalu, kurio sienelės storis apie 2,5 m.

Eksperimentai šiuose bandomuosiuose reaktoriuose patvirtino pramoninės plutonio gamybos galimybę.

Netrukus pagrindiniu Manheteno projekto centru tapo Tenesio upės slėnyje esantis Oak Ridge miestelis, kurio gyventojų skaičius per kelis mėnesius išaugo iki 79 tūkst. Čia per trumpą laiką buvo pastatyta pirmoji istorijoje sodrinto urano gamykla. 1943 metais čia buvo paleistas pramoninis reaktorius, gaminantis plutonį. 1944 metų vasarį iš jo kasdien buvo išgaunama apie 300 kg urano, iš kurio paviršiaus cheminiu būdu buvo išgaunamas plutonis. (Norint tai padaryti, plutonis iš pradžių buvo ištirpintas, o po to nusodintas.) Tada išgrynintas uranas grąžinamas į reaktorių. Tais pačiais metais buvo pradėta statyti didžiulė Hanfordo gamykla nederlingoje, niūrioje dykumoje pietiniame Kolumbijos upės krante. Čia buvo įrengti trys galingi branduoliniai reaktoriai, kasdien gaminantys po kelis šimtus gramų plutonio.

Tuo pačiu metu buvo vykdomi tyrimai, siekiant sukurti pramoninį urano sodrinimo procesą.

Apsvarstę įvairias galimybes, Grovesas ir Oppenheimeris nusprendė sutelkti savo pastangas į du metodus: dujų difuziją ir elektromagnetinį.

Dujų difuzijos metodas buvo pagrįstas principu, žinomu kaip Greimo dėsnis (1829 m. pirmą kartą jį suformulavo škotų chemikas Thomas Grahamas, o 1896 m. sukūrė anglų fizikas Reilly). Pagal šį dėsnį, jei dvi dujos, iš kurių viena yra lengvesnė už kitą, praleidžiamos per filtrą su nežymiai mažomis skylutėmis, tada pro jį praeis šiek tiek daugiau lengvųjų dujų nei sunkiųjų. 1942 m. lapkritį Urey ir Dunning iš Kolumbijos universiteto sukūrė dujų difuzijos metodą urano izotopams atskirti pagal Reilly metodą.

Kadangi natūralus uranas yra kieta medžiaga, jis pirmiausia buvo paverstas urano fluoridu (UF6). Tada šios dujos buvo praleistos per mikroskopines – tūkstantąsias milimetro dalis – skyles filtro pertvaroje.

Kadangi dujų molinių svorių skirtumas buvo labai mažas, už pertvaros urano-235 kiekis padidėjo tik 1,0002 karto.

Siekiant dar labiau padidinti urano-235 kiekį, gautas mišinys vėl praleidžiamas per pertvarą, o urano kiekis vėl padidinamas 1,0002 karto. Taigi, norint padidinti urano-235 kiekį iki 99%, dujas reikėjo praleisti per 4000 filtrų. Tai įvyko didžiulėje dujų difuzijos gamykloje Oak Ridge mieste.

1940 m., vadovaujant Ernestui Lawrence'ui, Kalifornijos universitete pradėti urano izotopų atskyrimo elektromagnetiniu metodu tyrimai. Reikėjo rasti fizikinius procesus, kurie leistų atskirti izotopus naudojant jų masių skirtumą. Lawrence'as bandė atskirti izotopus naudodamas masių spektrografo principą – prietaisą, naudojamą atomų masėms nustatyti.

Jo veikimo principas buvo toks: iš anksto jonizuoti atomai buvo pagreitinami elektriniu lauku, o po to praleidžiami per magnetinį lauką, kuriame jie apibūdino apskritimus, esančius statmenoje lauko krypčiai plokštumoje. Kadangi šių trajektorijų spinduliai buvo proporcingi masei, lengvieji jonai atsidūrė mažesnio spindulio apskritimais nei sunkieji. Jei spąstai būtų dedami palei atomų kelią, tokiu būdu būtų galima surinkti skirtingus izotopus.

Toks buvo metodas. Laboratorinėmis sąlygomis davė gerų rezultatų. Tačiau pastatyti įrenginį, kuriame izotopų atskyrimas galėtų būti atliekamas pramoniniu mastu, pasirodė labai sunku. Tačiau Lawrence'ui galiausiai pavyko įveikti visus sunkumus. Jo pastangų rezultatas buvo kalutrono atsiradimas, kuris buvo įrengtas milžiniškoje Oak Ridge gamykloje.

Ši elektromagnetinė gamykla buvo pastatyta 1943 m. ir pasirodė esanti bene brangiausia Manheteno projekto idėja. Lawrence'o metodui reikėjo daugybės sudėtingų, dar nesukurtų prietaisų, susijusių su aukšta įtampa, dideliu vakuumu ir stipriais magnetiniais laukais. Išlaidų mastai pasirodė milžiniški. Calutron turėjo milžinišką elektromagnetą, kurio ilgis siekė 75 m ir svėrė apie 4000 tonų.

Šio elektromagneto apvijoms panaudota keli tūkstančiai tonų sidabrinės vielos.

Visas darbas (neskaičiuojant 300 milijonų dolerių sidabro, kurį Valstybės iždas suteikė tik laikinai) kainavo 400 milijonų dolerių. Vien už „calutron“ suvartotą elektros energiją Krašto apsaugos ministerija sumokėjo 10 mln. Didžioji dalis Oak Ridge gamyklos įrangos buvo pranašesnė savo mastu ir tikslumu už viską, kas kada nors buvo sukurta šioje technologijų srityje.

Tačiau visos šios išlaidos nebuvo veltui. Iš viso išleidę apie 2 milijardus dolerių, JAV mokslininkai iki 1944 m. sukūrė unikalią urano sodrinimo ir plutonio gamybos technologiją. Tuo tarpu Los Alamos laboratorijoje jie dirbo prie pačios bombos dizaino. Jo veikimo principas bendrais bruožais buvo aiškus ilgą laiką: skilioji medžiaga (plutonis arba uranas-235) turėjo būti perkelta į kritinę būseną sprogimo momentu (kad įvyktų grandininė reakcija, krūvio masė būti net pastebimai didesnis už kritinį) ir apšvitintas neutronų pluoštu, o tai reiškia grandininės reakcijos pradžią.

Skaičiavimu, kritinė įkrovos masė viršijo 50 kilogramų, tačiau ją pavyko gerokai sumažinti. Apskritai kritinės masės vertę stipriai įtakoja keli veiksniai. Kuo didesnis krūvio paviršiaus plotas, tuo daugiau neutronų nenaudingai išmetama į aplinkinę erdvę. Sfera turi mažiausią paviršiaus plotą. Vadinasi, sferiniai krūviai, jei kiti dalykai yra vienodi, turi mažiausią kritinę masę. Be to, kritinės masės vertė priklauso nuo skiliųjų medžiagų grynumo ir rūšies. Jis yra atvirkščiai proporcingas šios medžiagos tankio kvadratui, o tai leidžia, pavyzdžiui, padvigubinant tankį, keturis kartus sumažinti kritinę masę. Reikiamą subkritiškumo laipsnį galima gauti, pavyzdžiui, sutankinant skiliąją medžiagą dėl įprasto sprogmens, pagaminto sferinio apvalkalo, supančio branduolinį užtaisą, užtaiso sprogimo. Kritinę masę taip pat galima sumažinti apjuosiant krūvį ekranu, kuris gerai atspindi neutronus. Švinas, berilis, volframas, natūralus uranas, geležis ir daugelis kitų gali būti naudojami kaip toks ekranas.

Vienas iš galimų atominės bombos konstrukcijų susideda iš dviejų urano gabalėlių, kuriuos sujungus susidaro didesnė nei kritinė masė. Norint sukelti bombos sprogimą, reikia kuo greičiau juos suartinti. Antrasis metodas pagrįstas į vidų susiliejančio sprogimo naudojimu. Šiuo atveju įprasto sprogmens dujų srautas buvo nukreiptas į viduje esančią skiliąją medžiagą ir ją suspaudė, kol pasiekė kritinę masę. Krūvio sujungimas ir intensyvus jo švitinimas neutronais, kaip jau minėta, sukelia grandininę reakciją, dėl kurios per pirmąją sekundę temperatūra pakyla iki 1 milijono laipsnių. Per šį laiką pavyko atskirti tik apie 5% kritinės masės. Likusi ankstyvųjų bombų konstrukcijų užtaiso dalis išgaravo be
bet kokia nauda.

Pirmoji istorijoje atominė bomba (ji buvo pavadinta Trejybe) buvo surinkta 1945 m. vasarą. O 1945 metų birželio 16 dieną Alamogordo dykumoje (Naujoji Meksika) buvo įvykdytas pirmasis atominis sprogimas Žemėje. Bomba buvo patalpinta bandymų aikštelės centre ant 30 metrų plieninio bokšto. Aplink jį dideliu atstumu buvo pastatyta įrašymo įranga. Už 9 km buvo stebėjimo postas, už 16 km – vadavietė. Atominis sprogimas padarė nuostabų įspūdį visiems šio įvykio liudininkams. Remiantis liudininkų aprašymais, atrodė, kad daug saulės būtų susijungusios į vieną ir vienu metu apšviestų bandymų aikštelę. Tada virš lygumos pasirodė didžiulis ugnies kamuolys, o link jos lėtai ir grėsmingai pradėjo kilti apvalus dulkių ir šviesos debesis.

Pakilęs nuo žemės šis ugnies kamuolys per kelias sekundes pakilo į daugiau nei trijų kilometrų aukštį. Su kiekviena akimirka jis didėjo, netrukus jo skersmuo siekė 1,5 km ir pamažu kilo į stratosferą. Tada ugnies kamuolys užleido vietą banguojančių dūmų stulpui, kuris nusidriekė iki 12 km aukščio ir įgavo milžiniško grybo formą. Visa tai lydėjo baisus ūžimas, nuo kurio drebėjo žemė. Sprogstančios bombos galia pranoko visus lūkesčius.

Kai tik leido radiacijos situacija, į sprogimo vietą atskubėjo keli „Sherman“ tankai, iš vidaus iškloti švino plokštėmis. Ant vieno iš jų buvo Fermis, kuris nekantrauja pamatyti savo darbo rezultatus. Jo akyse pasirodė negyva, išdegusi žemė, ant kurios 1,5 km spinduliu buvo sunaikinta visa gyva būtybė. Smėlis buvo įkepęs į stiklinę žalsvą plutą, dengiančią žemę. Didžiuliame krateryje gulėjo apdaužytos plieninio atraminio bokšto liekanos. Sprogimo jėga buvo įvertinta 20 000 tonų trotilo.

Kitas žingsnis turėjo būti kovinis atominės bombos panaudojimas prieš Japoniją, kuri po nacistinės Vokietijos pasidavimo viena tęsė karą su JAV ir jų sąjungininkais. Nešančiųjų raketų tuo metu dar nebuvo, todėl bombarduoti teko iš lėktuvo. Dviejų bombų komponentus kreiseris Indianapolis labai atsargiai nugabeno į Tiniano salą, kur buvo įsikūrusi 509-oji jungtinių oro pajėgų grupė. Šios bombos šiek tiek skyrėsi viena nuo kitos užtaiso tipu ir konstrukcija.

Pirmoji atominė bomba – „Kūdikis“ – buvo didelio dydžio aviacinė bomba su atominiu užtaisu, pagaminta iš labai prisodrinto urano-235. Jo ilgis buvo apie 3 m, skersmuo – 62 cm, svoris – 4,1 tonos.

Antroji atominė bomba – „Fat Man“ – su plutonio-239 užtaisu buvo kiaušinio formos su dideliu stabilizatoriumi. Jo ilgis
buvo 3,2 m, skersmuo 1,5 m, svoris - 4,5 tonos.

Rugpjūčio 6 d. pulkininko Tibbetso bombonešis B-29 Enola Gay numetė „Little Boy“ ant pagrindinio Japonijos miesto Hirosimos. Bomba buvo nuleista parašiutu ir, kaip planuota, sprogo 600 m aukštyje nuo žemės.

Sprogimo pasekmės buvo siaubingos. Net ir patiems pilotams akimirksniu jų sugriautas ramaus miesto vaizdas padarė slogų įspūdį. Vėliau vienas iš jų prisipažino, kad tą sekundę pamatė blogiausią, ką gali matyti žmogus.

Tiems, kurie buvo žemėje, tai, kas vyksta, priminė tikrąjį pragarą. Visų pirma, virš Hirosimos perėjo karščio banga. Jo poveikis truko vos kelias akimirkas, bet buvo toks galingas, kad išlydė net plyteles ir kvarco kristalus granito plokštėse, 4 km atstumu pavertė telefono stulpus anglimi ir galiausiai taip sudegino žmonių kūnus, kad nuo jų liko tik šešėliai. ant šaligatvių asfalto arba ant namų sienų. Tada iš po ugnies kamuolio išsiveržė siaubingas vėjo gūsis ir 800 km/h greičiu veržėsi virš miesto, sunaikindamas viską savo kelyje. Namai, kurie neatlaikė jo įnirtingo puolimo, sugriuvo tarsi nugriauti. Milžiniškame 4 km skersmens apskritime neliko nė vieno nepaliesto pastato. Praėjus kelioms minutėms po sprogimo, virš miesto pasipylė juodas radioaktyvus lietus – ši drėgmė virto aukštuose atmosferos sluoksniuose kondensuotais garais ir nukrito ant žemės didelių lašų, ​​susimaišiusių su radioaktyviosiomis dulkėmis, pavidalu.

Po lietaus miestą užklupo naujas vėjo gūsis, šį kartą pūstelėjęs epicentro kryptimi. Jis buvo silpnesnis nei pirmasis, bet vis tiek pakankamai stiprus, kad išrauti medžius. Vėjas kurstė milžinišką ugnį, kurioje degė viskas, kas galėjo degti. Iš 76 tūkstančių pastatų 55 tūkstančiai buvo visiškai sunaikinti ir sudeginti. Šios baisios katastrofos liudininkai prisiminė žmonių fakelus, nuo kurių apdegę drabužiai nukrito ant žemės kartu su odos skudurais, ir minias išprotėjusių žmonių, apdegusių baisių nudegimų, kurie rėkdami veržėsi gatvėmis. Ore tvyrojo dusinantis apdegusios žmogaus mėsos kvapas. Visur gulėjo žmonių, mirusių ir mirštančių. Buvo daug aklų ir kurčiųjų, kurie, besisukantys į visas puses, nieko negalėjo suprasti aplink juos tvyrančiame chaose.

Nelaimingieji, įsikūrę iki 800 m atstumu nuo epicentro, tiesiogine to žodžio prasme per sekundės dalį sudegė – jų vidus išgaravo, o kūnai virto rūkstančių anglių gumuliais. Tie, kurie buvo už 1 km nuo epicentro, buvo paveikti itin sunkios spindulinės ligos. Per kelias valandas jie pradėjo smarkiai vemti, temperatūra šoktelėjo iki 39-40 laipsnių, ėmė trūkti dusulys ir kraujuoti. Tada ant odos atsirado negyjančių opų, smarkiai pasikeitė kraujo sudėtis, iškrito plaukai. Po baisių kančių, dažniausiai antrą ar trečią dieną, mirtis ištikdavo.

Iš viso nuo sprogimo ir spindulinės ligos mirė apie 240 tūkst. Apie 160 tūkst. susirgo spinduline liga lengvesne forma – skausminga jų mirtis atidėdavo kelis mėnesius ar metus. Kai žinia apie nelaimę pasklido po visą šalį, visa Japonija buvo paralyžiuota iš baimės. Jis dar labiau išaugo po to, kai majoro Sweeney's Box Car rugpjūčio 9 d. numetė antrą bombą ant Nagasakio. Čia taip pat žuvo ir buvo sužeisti keli šimtai tūkstančių gyventojų. Negalėjusi atsispirti naujiems ginklams, Japonijos vyriausybė kapituliavo – atominė bomba užbaigė Antrąjį pasaulinį karą.

Karas baigėsi. Tai truko tik šešerius metus, tačiau sugebėjo beveik neatpažįstamai pakeisti pasaulį ir žmones.

Žmonių civilizacija iki 1939 m. ir žmonių civilizacija po 1945 m. labai skiriasi viena nuo kitos. Tam yra daug priežasčių, tačiau viena svarbiausių – branduolinių ginklų atsiradimas. Galima neperdėti, kad Hirosimos šešėlis glūdi visą XX amžiaus antrąją pusę. Tai tapo giliu moraliniu nudegimu daugeliui milijonų žmonių, tiek šios katastrofos amžininkų, tiek tiems, kurie gimė praėjus dešimtmečiams po jos. Šiuolaikinis žmogus nebegali galvoti apie pasaulį taip, kaip apie jį galvojo iki 1945 metų rugpjūčio 6 dienos – jis pernelyg aiškiai supranta, kad šis pasaulis per kelias akimirkas gali virsti niekuo.

Šiuolaikinis žmogus negali žiūrėti į karą taip, kaip žvelgė jo seneliai ir proseneliai – jis tikrai žino, kad šis karas bus paskutinis, ir jame nebus nei laimėtojų, nei pralaimėjusių. Branduoliniai ginklai paliko savo pėdsaką visose viešojo gyvenimo srityse, o šiuolaikinė civilizacija negali gyventi pagal tokius pačius įstatymus kaip prieš šešiasdešimt ar aštuoniasdešimt metų. Niekas to nesuprato geriau nei patys atominės bombos kūrėjai.

„Mūsų planetos žmonės rašė Robertas Oppenheimeris, turi vienytis. Šią mintį mums diktuoja paskutinio karo pasėtas siaubas ir sunaikinimas. Atominių bombų sprogimai tai įrodė visu žiaurumu. Kiti žmonės kitu laiku jau yra sakę panašius žodžius – tik apie kitus ginklus ir apie kitus karus. Jiems nepasisekė. Tačiau kiekvienas, kuris šiandien sakytų, kad šie žodžiai yra nenaudingi, yra suklaidintas istorijos peripetijų. Mes negalime tuo įsitikinti. Mūsų darbo rezultatai nepalieka žmonijai kito pasirinkimo, kaip tik sukurti vieningą pasaulį. Pasaulis, pagrįstas teisėtumu ir žmogiškumu“.