Manhattani projekt

Selleks, et kasutada tuumaenergiat, oli vaja lahendada mitmeid teoreetilisi ja tehnilisi probleeme. Looduslik uraan koosneb põhiliselt kahest isotoobist, üle 99,27% on uraan-238 ja 0,72% on uraan-235. Plahvatusliku ahelreaktsiooni annab uraan-235, mille omadused olid 1939. veel üsna tundmata. Isotoopidel on samad keemilised omadused, st tavalised ainete eraldamise meetodid uraan-235 kontsentratsiooni tõstmiseks ei sobi. Füüsikalistest rikastusmeetoditest katsetati algul gaasilise uraanheksafluoriidi () tsentrifuugimist, aga see osutus tehniliselt liiga keeruliseks ja kalliks. Kahe gaasi difusioonil põhineva ja ühe elektromagnetilise meetodi järjestikune rakendamine võimaldas tõsta uraan-235 kontsentratsiooni 89%-ni. 1945. aasta juulikuuks oli nii saadud umbes 50 kg pommi valmistamiseks sobivat materjali.

Tuumarelva arendamise teine suund keskendus plutooniumile. Plutoonium-239 leidub looduses nii vähe, et selle eraldamine maakidest ei tule kõne alla. Suure koguse plutooniumi tootmine on võimalik tuumareaktorites (ptk Tuumaenergeetika), kus uraan-238 muutub neutronite toimel läbi mitme beetalagunemise (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus) plutoonium-239-ks.

Joonis 2.7.1. Aatompommi konstruktsiooni esimesed visandid tehti teadlaste ja inseneride nõupidamistel Los Alamose salajases teaduskeskuses. Kriitiline mass ületatakse mitme alakriitilise tüki kokkuviimisel. Uraanipommis kasutati kokkutulistamist (kahurpommi), joonisel ülemine. Plutooniumipommides läks käiku lõhkeainega kokkusurumine (implosioonpomm), joonisel ülalt kolmas.

Plutooniumi tekib üsna vähe ja see tuleb pärast reaktorist väljavõtmist eraldada. Erinevalt uraani rikastamisest saab siin kasutada keemilisi meetodeid, aga ka see oli algul lahendamist ootav probleem, sest plutooniumi omadusi polnud veel jõutud uurida. Tuumarelva loomise projekti kõige kulukamaks osaks saigi uraani rikastamine ja plutooniumi tootmine.

Ahelreaktsioon (ptk Tuuamreaktsioon ei arene plahvatuslikult väikeses uraani- või plutooniumitükis, sest palju tekkinud neutroneid pääseb ainest välja enne, kui nad kohtuvad järgmiste lõhustumisvalmis aatomitega. Ahelreaktsiooni kestmiseks piisavat aine kogust nimetatakse kriitiliseks massiks. Uraan-235 ja plutoonium-239 kriitilised massid on ideaaljuhul vastavalt 50 kg ja 10 kg. Reaalselt sõltub kriitiline mass aine puhtusest ja tihedusest, mõju avaldavad välistingimused nagu temperatuur ja neutronite tagasipeegeldamine. Tehniliselt on oluline ainetüki kuju. Näiteks kerakujulisena kriitilist massi ületav kogus on alakriitiline varrastena või rõngastena. Esimeste aatompommide loomiseks korraldati mõned lihtsad, kuid võrdlemisi riskantsed kriitilise massi eksperimendid, millest saadud andmed võimaldasid teadlastel asuda relva konstruktsiooni välja töötama (joonis 2.7.1.).

Esimeste aatompommide loomise teaduslike ja tehniliste probleemide kõrval tuli tegelda taktikaliste küsimustega. Pommide lõplik monteerimine ja kohaletoimetamise viisid vajasid läbitöötamist. Projekt pidi olema hoolega salastatud ja seegi polnud lihtne ülesanne. Teadlased osutusid tihtipeale isepäisteks ja probleemseteks isiksusteks. Rikastustehaste, laborite ja instituutide kümnetesse tuhandetesse ulatuvat tehnilist ja abipersonali püüti hoida teadmatuses saladusest, mille heaks töö käis. Administreerimine, logistika ja salastamine läks üldiselt hästi, aga sellele vaatamata õnnestus nõukogude agentidel info plutooniumipommi kohta välja viia.  Nõukogude Liidu tuumaprogrammil oli kättesaadud dokumentidest palju abi. Praeguseks avalikustatud andmed viitavad, et Ameerika saladuste väljanuhkimine kiirendas nõukogude tuumaprogrammi mitme aasta võrra.

Manhattani projekti esimesed tuumapommid said valmis 1945. aastal. Esimene tuumakatsetus toimus New Mexico osariigis Almogordo polügoonil 16. juulil. Enne Teise maailmasõja lõppu otsustati lõhata kaks pommi (joonis 2.7.) Jaapani linnade kohal. Tuumarünnakuid Hirošimale ja Nagasakile on möödunud aastakümnete jooksul hinnatud erinevalt. Linnade hävitamist on õigustatud sõja kiire lõpetamise vajadusega. On tõsi, et Jaapan kapituleerus kohe pärast tuumarünnakuid. Samas ei ole kuidagi võimalik teada, milline oleks olnud sõja lõpp ilma tuumarelvadeta, mis oleks saanud edasi rahvusvahelistest suhetest ja kas aatompommid oleksidki jäänud lõhkema ainult katsepolügoonidel. Nõukogude tuumaprogramm arenes Los Alamosest lekkinud andmete tõttu kiiresti ja juba 1949. aastal jõuti esimese tuumakatsetuseni Semipalatinski tuumapolügoonil Kasahstanis.

Mis sai Saksamaa tuumaprogrammist?

Saksamaal alustati 1939. aasta aprillis tuumaenergia projektiga, mida tuntakse Uraaniühingu (Uranverein) nime all. Erinevate ametite alluvuses, vahepeal teadlaste sõjaväkke võtmise tõttu tööd katkestades ja jaotudes mitmete ülikoolide ning instituutide vahel, töötas projekt kuni sõja lõpuni. Arendati tuumareaktorit, toodeti uraani ja tegeldi uraani isotoopide eraldamise meetoditega. Projekt ei olnud edukas.
Polegi lõplikult selge, miks Werner Heisenbergi (ptk Määramatusseos) juhitud Saksa tuumaenergia programmil tuumarelv loomata jäi. Arvatavasti segunesid siin kolm olulist põhjust:

  • Suhtumine füüsikutesse oli vastuoluline. Ühelt poolt tunnistati riiklikult teadusliku ja tehnilise arengu olulisust, teistpidi kahtlustati kõiki juudilikes teooriates ja juurutati puhast„saksa füüsikat”.
  • Tuumaprogrammis kulub palju raha (materjale, energiat) ja see vajab palju tööjõudu. Mõlemaga oli sõdival Saksamaal kitsas käes.
  • Teadlased, kes töötasid Heisenbergi juhtimisel, kõhklesid, kas see on ikka õige asi, milles nad osalevad ja kas üldse on võimalik saadaolevate vahenditega midagi saavutada.

Sõja lõpu eel uurisid Manhattani projekti erioperatsioonid Euroopas põhjalikult kõike tuumateadusega seonduvat. Sõjaline operatsioon Alsos korraldati otsimaks seadmeid, materjale ja dokumente. Üheksa Saksa tuumateadlast viidi mitmeks kuuks Inglismaale ülekuulamisele. Oranienburgi tuumareaktor hävitati. Selgus, et võrreldes Manhattani projektiga oli Saksamaa panustanud pommi loomisse väga vähe. Toimus ka nõukogude „Alsos”. Keiser Wilhelmi instituut ja Berliini tehnikakõrgkool olid linnast põhiosas ära kolitud ja tehnilist või teaduslikku teavet nõukogude poole kätte kuigi palju ei sattunud. Siiski oli pärast sõda palju Saksa teadlasi kaasatud nõukogude tuumaprogrammi.