Projekt Manhattan

Na přelomu 19. a 20. století se štěpením atomu zabývali převážně evropští vědci. V roce 1896 objevil Henri Becquerel radioaktivitu a dokázal, že všechny sloučeniny uranu jsou radioaktivní.

V roce 1898 objevili Pierre a Marie Curie radioaktivní prvek radium, což umožnilo další výzkumy v oblasti jaderné fyziky.

V roce 1902 Ernest Rutherford vypracoval teorii radioaktivního rozpadu a v roce 1911 objevil atomové jádro. Rutherfordův model atomu využil v roce 1913 Niels Bohr k vypracování teorie stavby atomu. Neutron následně objevil v roce 1932 James Chadwick a Enrico Fermi již v roce 1934 poprvé neutrony použil k „bombardování“ atomového jádra.

Prvním, kdo rozeznal a popsal řetězovou reakci (a v roce 1936 i princip atomové bomby), byl Leó Szilárd, který si přeměnu prvků pomocí řetězové reakce dal v roce 1934 i patentovat.

V roce 1937 Irène Joliot-Curie objevila dělení uranu působením pomalých neutronů. Atomová fyzika v té době rychle pokračovala a na základě zjištění Irène Curieové byl proveden i úspěšný berlínský experiment profesora Otta Hahna, Fritze Strassmanna a jejich spolupracovníků. Skupině se podařilo experimentálně rozštěpit jádra uranu jejich bombardováním neutrony, přičemž se uvolnilo velké množství energie. Výsledky těchto pokusů nakonec správně objasnila Lise Meitnerová, asistentka Otta Hahna, a její synovec Otto Frisch, který v té době pracoval u Nielse Bohra. Meitnerová a Frisch společně zavedli termín „dělení jádra“ (jako analogii k dělení buněk v biologii) a udělali si obraz o dělení jádra uranu. Ukázalo se, že jádro uranu představuje nestabilní útvar, který je připraven na dělení už při malých podnětech, a že při jeho dělení jsou vzniklé části lehčí asi o jednu pětinu hmotnosti protonu. Výsledek těchto pokusů si Otto Frisch ověřil experimentálně v Kodani a také je správně interpretoval – rozdělením jádra uranu po přijetí neutronu se uvolní obrovské množství energie a vznikne tak jaderný rozpad. Několik dní na to Enrico Fermi i Frédéric Joliot-Curie nezávisle na sobě zopakovali pokusy předchozích vědců a získali stejné výsledky.

Frisch a Meitnerová zaslali redakci časopisu Nature dopis, na jehož obsahu se dohodli jen telefonicky. Článek měl název „Rozpad uranu působením neutronů – nový druh jaderné reakce“. List přišel do redakce 16. ledna a zveřejněn byl 18. února 1939.[3] 30. ledna v témže roce předložil své práce ke zveřejnění i F. Joliot-Curie pod názvem „Experimentální důkaz výbušného rozpadu jader uranu a thoria působením neutronů“.[3]

Groves a James Chadwick, vedoucí britské mise

Různé metody výroby atomové bomby prozkoumané v průběhu července 1942

Vůdčí osobnosti projektu – Leslie Groves a Robert Oppenheimer

Koncem léta 1939 se Leó Szilárd spolu s Eugenem Wignerem a Edwardem Tellerem shodli, že nejlepší by bylo na celou situaci kolem řetězových reakcí a jejich využití upozornit některého z vlivných politiků. Proto se rozhodli napsat dopis, který byl 2. srpna odeslán prezidentovi Franklinu D. Rooseveltovi a který byl podepsán Albertem Einsteinem. Einstein byl v té době pravděpodobně nejpopulárnější fyzik v celých Spojených státech a byl známým pacifistou. Prezidentu Rooseveltovi byl však Einstein-Szilárdův list doručen až 11. října, kdy již v Evropě přes měsíc probíhala druhá světová válka. Upozornili ho v něm na možnost sestrojení „výjimečně silných bomb nového typu“. Prezidenta zpočátku dopis vědců příliš nepřesvědčil. Druhý den se ještě jednou setkal s Alexandrem Sachsem, který mu dopis den předtím doručil, a po krátkém rozhovoru se rozhodl jednat. Roosevelt přikázal řediteli Úřadu pro normalizaci Lymanu Briggsovi, aby byla v co nejkratším čase vypracována zpráva o perspektivách využití jaderných vlastností uranu a byl zřízen Poradní výbor pro uran (přezdívaný „Uranový výbor“).

Na první schůzi „Uranového výboru“ v říjnu 1939 byli přizváni kromě Alexandra Sachse a dvou dělostřeleckých odborníků i fyzici Szilárd, Wigner a Teller. Výbor předložil prezidentovi Spojených států svou zprávu 1. listopadu 1939. Ve zprávě poukázal na reálnou možnost využití atomové energie a také na možnost výroby atomové bomby. O udělení první dotace ve výši 6 000 dolarů informoval 20. února 1940 Lyman Briggs vojenského pobočníka prezidenta Roosevelta, generála Watsona.

Ze Szilárdova podnětu poslal Einstein 7. března 1940 další dopis Rooseveltovi, ve kterém ho upozorňoval na zvýšený zájem nacistického Německa o uran a na to, že práce je třeba urychlit. Einstein v dopise mimo jiné napsal: „Dozvěděl jsem se, že v Německu se v tajnosti provádí výzkum zejména ve Fyzikálním ústavu císaře Viléma. Tento ústav byl přesunut pod správu vlády a v současné době tam pracuje skupina fyziků pod vedením Carla Friedricha von Weizsäcker spolu s Chemickým ústavem na řešení problémů uranu...“.[6] I přesto však celý výzkum postupoval poměrně pomalu, zejména kvůli velké byrokracii okolo programu.

Příští schůze „Uranového výboru“ se konala 28. dubna 1940. V té době už vědci věděli, že štěpení vyvolané neutrony probíhá pouze v případě uranu ²³⁵U. Kromě toho bylo zjištěno, že v Německu byli výzkumem uranu pověřeni pracovníci Fyzikálního ústavu císaře Viléma. Na výboru byla projednána i otázka, jak celý výzkum v USA podpořit a jak ho i lépe zorganizovat.

Zvláštní poradní skupina, kterou vytvořil Lyman Briggs při úřadu pro normalizaci, 15. června 1940 projednala celkovou situaci kolem uranového výzkumu. Nakonec byl vysloven požadavek, aby Uranový výbor získal prostředky pro výzkum uranouhlíkového systému. Nedlouho poté byl vytvořen Výzkumný výbor národní obrany (NDRC) a prezident Roosevelt nařídil, aby byl Uranový výbor přeměněn na podvýbor Výzkumného výboru národní obrany. Předsedou NDRC byl jmenován Vannevar Bush, podvýbor měl nadále na starosti Briggs, ale k tomuto výboru už nebyl přizván ani jeden cizinec.

V létě roku 1940 požádali fyzici působící na Kolumbijské univerzitě o částku 140 000 dolarů na další výzkumy. Do listopadu 1941 stál výzkum již kolem 300 000 dolarů. V tomto období se celý atomový projekt označoval jako S 1 NDRC. Briggs se na jaře roku 1941 obrátil na Bushe s žádostí o zřízení informačního výboru. Nový výbor vznikl při Národní akademii věd a v jeho čele stál Arthur H. Compton. Tento výbor měl zhodnotit vojenský význam uranového projektu a stanovit výši prostředků potřebných pro jeho výzkum. Po přezkoumání celého problému v Národní akademii věd byly předloženy zprávy, na jejichž základě Bush dospěl k závěru, že celý výzkum je třeba značně urychlit. Svůj názor předložil i Rooseveltovi, který souhlasil, že výzkum je třeba jednak rozšířit a získat pro něj zvláštní zdroje, a že je třeba uskutečnit i podrobnou výměnu informací s Brity, kteří ve svém výzkumu již také značně pokročili. Na další směřování uranového výzkumu měly velký vliv dva Bushovy závěry: 1. nebezpečí spojené s výrobou atomových bomb využitelných v současné válce je dostatečné k tomu, aby bylo zdůvodněno obrovské úsilí potřebné k jejich vývoji; 2. uranová sekce NDRC neplní funkce, které jí byly svěřeny. S těmito závěry se ztotožnil i prezident Roosevelt. V Bílém domě se s ním sešel viceprezident, ministr obrany, náčelník generálního štábu, předseda NDRC Vannevar Bush a jeho zástupce James Conant, aby poprvé na nejvyšší politické úrovni projednali otázky týkající se atomové energie. Následně došlo i k reorganizaci vedení sekce S 1. Zástupcem vedoucího uranového podvýboru Briggse se stal G. Pegram a členem vedení se stal Conant. Byli jmenováni i zmocněnci pro nové úkoly – Arthur Compton, Ernest Orlando Lawrence a Harold Urey.

V roce 1941 ve svých výzkumech již značně pokročili i vědci. Skupině chemiků a fyziků vedené Glennem Seaborgem a Edwardem McMillanem se podařilo 6. března 1941 přeměnit jeden chemický prvek na jiný. Bombardováním ²³⁸U neutrony se jim podařilo získat dosud neznámý prvek s protonovým číslem 94, který byl později nazván plutoniem. Před vědci se tímto pokusem otevřel zcela nový pohled na štěpení atomů. Z jedné tuny přírodního uranu se daly separací vyrobit 4 kg ²³⁵U, ale řetězovou reakcí neutronů s uranem mohli získat 0,60 kg plutonia, které má vynikající explozivní účinky. Byl to první experimentální důkaz, že USA jsou schopny vyrobit atomovou bombu z plutonia ještě před koncem války, i když pozdější výpočty a zkušenosti tyto údaje upravily na 7 kg uranu z tuny

Dne 6. prosince 1941 zasedla komise, která měla rozhodnout o reorganizaci S 1. Jen o den později Japonská císařská armáda přepadla vojenskou základnu Pearl Harbour a v myšlení politických i vojenských představitelů nastal zlom. Spojené státy vstoupily do druhé světové války.

17. června 1942 předložil Bush Rooseveltovi zprávu, která nastínila možnosti atomových zbraní. Rýsovaly se čtyři cesty k získání štěpných materiálů. V případě uranu to mohla být metoda difuzního, elektromagnetického nebo odstředivého dělení izotopů. Čtvrtou cestou byla výroba plutonia řetězovou reakcí. V té době však ani vědci pracující na jednotlivých výzkumech nevěděli, která metoda by byla nejúčinnější a zároveň nejrychlejší. Bylo také rozhodnuto, že celý projekt už nebude pod správou vědců, ale že ho bude řídit přímo armáda. Ministerstvo obrany 18. července velitelem atomových výzkumů jmenovalo plukovníka ženijní služby Jamese C. Marshalla. Podle sídla jeho štábu v newyorské čtvrti Manhattan vzniklo i nové označení projektu – Projekt Manhattan.

Nový útvar byl oficiálně vytvořen 13. srpna 1942 a dostal krycí název Projekt DSM, (Development of Substitute Materials – Vývoj náhradních materiálů). Ředitelem projektu byl jmenován brigádní generál ženijních vojsk Leslie Groves. Plukovník Marshall získal funkci hlavního inženýra.

Letecký snímek reaktoru v Hanfordu, červen 1944

Ed Westcott: Operátoři na hmotnostním spektrometru Calutron během druhé světové války, národní nukleární bezpečnostní komplex Y-12, projekt Manhattan, Oak Ridge. Spektrometry se používaly pro výrobu štěpného materiálu z uranové rudy. Během projektu Manhattan lidé pracovali v tajnosti a neměli žádnou představu, k čemu jejich práce nakonec slouží. Gladys Owensová, žena sedící v popředí, si uvědomila co dělala až 50 let poté, když spatřila tuto fotografii na veřejné výstavě

Po poradě dne 23. září 1942, jíž se kromě jiných zúčastnil i Franklin D. Roosevelt a Leslie Groves, byl celý program značně urychlen. Při výstavbě závodů a potřebných laboratoří se vycházelo především z požadavků na utajení celého programu. V údolí řeky Tennessee vzniklo město Oak Ridge se 79 000 obyvateli. V závodech tohoto města byl z uranové rudy získáván uran 235. V poušti na břehu řeky Columbia vzniklo město Hanford, kde byl uran 238 přeměňován na plutonium. V listopadu 1942 bylo na návrh Roberta Oppenheimera rozhodnuto, že zařízení ke zkonstruování atomové bomby vznikne v Los Alamos ve státě Nové Mexiko. Toto zařízení získalo kódové označení Y. Na tomto místě se měly řešit všechny problémy týkající se atomové bomby, od matematických výpočtů až po její konstrukci.

Projekt Manhattan se skládal z několika dílčích projektů, které byly řízeny různými fyziky. Robert Oppenheimer byl vedoucím vývoje atomové bomby v laboratořích v Los Alamos. Ernest Lawrence řídil radiační laboratoř Kalifornské univerzity (laboratoř po něm byla později pojmenována). Zdokonalovala se tam elektromagnetická metoda separace izotopů uranu. Laboratoř sloužila jako zkušební závod podniku Y-12 v Oak Ridge, kde bylo získáno i podstatné množství uranu potřebného k výrobě bomby Little Boy, která byla shozena na Hirošimu. Harold Urey řídil projekt Kolumbijské univerzity, který byl zaměřen na výstavbu závodu na získávání izotopu ²³⁵U metodou plynové difúze v Oak Ridge. Enrico Fermi, Leó Szilárd, Arthur Compton, Eugene Wigner a další pracovali v nejprve v hutní laboratoři Chicagské univerzity a později v laboratoři X-10 v Oak Ridge, kde položili základy konstrukce a výstavby velkých průmyslových reaktorů v Hanfordu. V těchto reaktorech bylo získáno plutonium pro bombu Fat Man, shozenou na Nagasaki (a také pro první atomovou bombu, která byla vyzkoušena v Alamogordu).

Prvním krokem, který bylo třeba úspěšně zvládnout, byla řízená řetězová reakce. Na podzim roku 1942 se vědcům podařilo překonat téměř všechny překážky k jejímu uskutečnění. Fyzici už měli k dispozici dostatečné množství grafitu, uranu a oxidu uranového. Atomový reaktor měl být postaven nejprve v Arggonském lese, kde se nacházely laboratoře Chicagské univerzity, ale na návrh Fermiho byl nakonec postaven pod západními tribunami univerzitního stadionu Stagg Field. Výstavba reaktoru začala 16. listopadu 1942 a bylo při ní spotřebováno 46 tun uranu a 385 tun grafitu. Montáž reaktoru probíhala jen podle celkového plánu a podrobně propracované výkresy se nedělaly. Do 2. prosince byly ukončeny všechny přípravy na uskutečnění řetězové reakce štěpení jader uranu a ještě týž den se ji také, poprvé v historii lidstva, podařilo uskutečnit.

Hlavní pracoviště Projektu Manhattan

Nejdůležitější pracoviště Projektu Manhattan v USA a Kanadě

• Site W (Hanford, Washington): zařízení na výrobu plutonia (v současnosti Hanford Site)
• Site X (Oak Ridge, Tennessee): výroba obohaceného uranu a výzkum výroby plutonia (v současnosti Oak Ridge National Laboratory)
• Site Y (Los Alamos, Nové Mexiko): laboratoře pro vývoj atomové bomby (v současnosti Los Alamos National Laboratory)
• Metallurgical Laboratory (Chicago, Illinois): vývoj jaderného reaktoru (v současnosti Argonne National Laboratory)
• Projekt Alberta (Wendover, Utah a Tinian): přípravy na bojové použití atomových bomb
• Projekt Ames (Ames, Iowa): výroba surového uranu (v současnosti Ames Laboratory)
• Dayton Projekt (Dayton, Ohio): výzkum a vývoj zušlechťování polonia a jeho průmyslové výroby pro roznětné atomové bomby
• Projekt Camel (Inyokern, Kalifornie): výzkum výbušnin a nejaderné inženýrství pro bombu Fat Man
• Projekt Trinity (Alamogordo, Nové Mexiko): testování první atomové bomby
• Radiation Laboratory (Berkeley, Kalifornie): výzkum obohacování elektromagnetickou separací (v současnosti Lawrence Berkeley National Laboratory)

Na podzim v roce 1942 Groves nabídl Robertu Oppenheiemrovi, aby se stal ředitelem prací na vývoji atomové bomby. Oppenheimer přišel do Los Alamos v březnu 1943 a do programu se zapojili i vědečtí pracovníci z Princetonské, Kalifornské, Wisconsinské a Minnesotské univerzity.

Schéma implozní bomby

Příprava testu „Trinity“

Výbuch Trinity

Začátkem roku 1945 práce na atomové bombě pokročily natolik, že vědci pracující na jejím vývoji byli přesvědčeni, že do srpna bude bomba hotová a bude připravena na zkoušku. Už v tomto období si však mnozí z nich začali uvědomovat možná rizika reálného použití této zbraně ve válce. Szilárd ještě v březnu 1945 poslal další dopis prezidentu Rooseveltovi, ve kterém vyjádřil hluboké znepokojení v souvislosti s možným bombardováním japonských měst atomovými bombami. Prezident Franklin D. Roosevelt však zemřel 12. dubna 1945 a na jeho místo nastoupil dosavadní viceprezident Harry S. Truman. Jelikož Projekt Manhattan byl přísně utajován, Truman, přestože zastával druhou nejvyšší ústavní funkci ve Spojených státech, o přípravě atomové bomby vůbec nevěděl, stejně jako Ministerstvo zahraničních věcí, až do zahájení Jaltské konference.

V hutní laboratoři v Chicagu se 4. června s Jamesem Franckem sešlo sedm fyziků, aby se dohodli na znění dokumentu, který by následně odeslali do Bílého domu. Chtěli v něm navrhnout možná řešení jak zabránit použití nové bomby proti Japonsku. Franck odeslal memorandum o „společenských a politických důsledcích atomové energie“ 11. června ministru obrany. Memorandum bylo projednáno, ale názor vědců nebyl při dalších rozhodnutích brán v úvahu.[3]

Jako vhodné místo byla k prvnímu jadernému testu vybrána opuštěná letecká základna Alamogordo v poušti White Sands ve státě Nové Mexiko a dostala kódové označení "Trinity" (Trojice). Dne 12. července byla na základnu dopravena nejdůležitější součást atomové bomby – plutoniová nálož. Uprostřed Alamogorodské střelnice byla postavena 30 metrů vysoká věž vážící 32 tun. Kolem ní byly ve velké vzdálenosti rozmístěny měřicí přístroje a devět kilometrů na jih, sever a východ od věže byla pod zemí umístěna pozorovací stanoviště. Velitelské stanoviště bylo od věže vzdáleno 16 kilometrů. Ve vzdálenosti 30 km byl umístěn základní tábor, odkud měli výbuch sledovat vědci a vojáci. Přípravné práce trvaly dva dny. 14. července byla bomba připravena a vyzvednuta na vrchol testovací věže. Zástupce armády podepsal dokument, kterým byla atomová bomba předána z rukou vědců do rukou vojáků. Zkouška první atomové bomby byla provedena 16. července 1945 v 5:30 ráno. Ohnivá koule způsobená výbuchem dosáhla výšky 1,5 kilometru a kouř způsobený výbuchem vystoupal až do výše 12 kilometrů. Síla výbuchu byla ekvivalentní 20 000 tunám trinitrotoluenu.[3]

Bomba vyzkoušená v Alamogordu byla vyrobena stejnou technologií jako atomová bomba Fat Man, shozená 9. srpna 1945 na japonské město Nagasaki. Hlavní součástí obou těchto bomb byl izotop plutonia 239. Pro výrobu tohoto izotopu byl použit uran ²³⁸U, který je sice sám nevhodný jako štěpný izotop, ale při jeho ostřelování neutrony může dojít k radiačnímu záchytu a vzniku ²³⁹U, který se potom β⁻ přeměnou samovolně přemění na neptunium ²³⁹Np a plutonium ²³⁹Pu. Tento postup výroby plutonia byl vyvinut Glennem Seaborgem.

Bomba Little Boy, shozená 6. srpna 1945 na Hirošimu byla vyrobena z uranu ²³⁵U. Jde o vzácný izotop uranu, který je oddělován od uranu ²³⁸U, nevhodného pro použití ve výbušných zařízeních. Metoda separace ²³⁵U byla vypracována Franzem Simonem a Nicholasem Kurtim. Jinou metodu vypracoval Ernest Lawrence. Obě metody byly použity v laboratořích v Oak Ridge.

Uranová bomba nebyla předem otestována a byla přímo použita k bombardování města Hirošima. Při její výrobě bylo spotřebováno celé množství tehdy dostupného čistého ²³⁵ U, takže test by ani nemohl být uskutečněn.

Atomová bomba Fat Man připravovaná na ostrově Tinian

Poznatky získané v projektu Manhattan posloužily k sestrojení pum Fat Man a Little Boy, jež byly 6. a 9. srpna 1945 použity k útoku na japonská města Hirošimu a Nagasaki.

Za účelem shození prvních jaderných pum vznikla vojenská skupina nazvaná 509. Smíšená skupina. Jejím velitelem byl plk. Paul W. Tibbets. Vytrénoval několik posádek letadel B-29. Posádky byly nejprve pod vysokou bezpečnostní ochranou na základně ve Wendoveru poblíž Los Alamos. Všechny dopisy podléhaly cenzuře, kdokoliv, kdo by něco prozradil o skupině či jejím poslání, by šel bez milosti před vojenský soud.^[zdroj?] Poté se posádky přesunuly na ostrov Tinian v Tichém oceánu, kde pobývaly na základně North Field, patrně největší americké letecké základně v Pacifiku.^[zdroj?]

Dne 6. srpna 1945 ve 2 hodiny a 45 minut opustil bombardér B-29 Enola Gay ostrov Tinian spolu s dalšími dvěma letouny (Great Artiste a No. 91). V 8 hodin 14 minut dosáhly letouny Hirošimy a o 2 minuty později Paul Tibbets se svou posádkou poprvé na světě svrhli atomovou pumu.