Jeden z dwóch najsłynniejszych bombowców II wojny światowej – Boeing B-29, 44-27297, „Bockscar”. Samolot, z którego 9 sierpnia 1945 r. na Nagasaki zrzucono drugą bojową bombę atomową. Obecnie stanowi eksponat Narodowego Muzeum Amerykańskich Sił Powietrznych w bazie USAF Wright-Patterson w pobliżu
Dayton w stanie Ohio.

Test „Trinity” przeprowadzony 16 lipca 1945 r. – pierwszy w historii wybuch atomowy, był sprawdzianem jednego z rozwiązań konstrukcyjnych ładunków jądrowych. Trzy tygodnie później na japońskie miasta Hiroszimę i Nagasaki zostały zrzucone dwie bojowe bomby jądrowe Little Boy i Fat Man.

Obie misje bojowe zostały opisane w licznych publikacjach. Znacznie mniej uwagi natomiast poświęcono technicznym aspektom opracowania i budowy oraz testowania i przygotowania obu bomb jądrowych do zastosowania bojowego. Przez wiele lat były to ściśle strzeżone informacje. Nawet i obecnie, po ujawnieniu większości materiałów projektu „Manhattan”, gdy dużą część z nich można znaleźć w Internecie, polskie publikacje na ten temat są rzadkością. Artykuł ten ma przybliżyć czytelnikom tę właśnie stronę początku ery atomowej.

Little Boy L-1 w trakcie przygotowania do testu. Dobrze widoczne wyposażenie przedziału aparatury. Dwa mniejsze pudełka, po lewej, to akumulatory. Obok powinny być dwa bloki wysokościomierzy Archie, z czego tylko jeden, na dole, jest zamontowany. Pośrodku, na górze słabo widoczny Clock box czyli blok ośmiu przełączników czasowych i mikrowyłączników.

Uranium gun, Plutonium gun

W początkowym okresie funkcjonowania laboratoriów Los Alamos, tj. wiosną 1943 r., zgromadzeni tam naukowcy i technicy, po przejściu cyklu wykładów, które miały wprowadzić ich w zagadnienia teoretyczne, przystąpili do realizacji projektu – budowy bomby atomowej. Z przyjętych założeń wynikało, że sercem bomby (rdzeniem) powinna być kula metalicznego uranu U-235 lub plutonu Pu-239, otoczona grubą warstwą reflektora, wykonanego z materiału dobrze odbijającego neutrony. W materiałach tych może rozwijać się lawinowa reakcja rozszczepienia, gdy masa ładunku przekroczy masę krytyczną1. Masę krytyczną uranu U-235 wstępnie szacowano na 15 kg, a plutonu Pu-239 na 5 kg. Wyzwolenie wielkiej ilości energii w bardzo krótkim czasie – wybuch, wymaga jednak zgromadzenia materiału rozszczepialnego w ilości kilkakrotnie przekraczającej masę krytyczną. Z tego warunku wynikał podstawowy problem konstrukcyjny – jak złożyć taki rdzeń, aby żaden z jego komponentów nie przekraczał masy krytycznej. Drugim, nie mniej ważnym, była możliwość detonacji przedwczesnej (predetonation), tj. zapoczątkowania reakcji łańcuchowej przed osiągnięciem najdogodniejszej konfiguracji, czyli przed całkowitym zestawieniem rdzenia.

Predetonację mogły wywołać neutrony pochodzenia zewnętrznego lub generowane spontanicznie w rdzeniu albo materiałach stanowiących korpus ładunku. Energię wyzwalaną w detonacji przedwczesnej oceniano najwyżej na kilkadziesiąt ton TNT. Wybuch taki, z wydzieleniem bardzo ograniczonej energii, tj. kilka rzędów wielkości mniejszej niż nominalna, naukowcy z Los Alamos nazwali mianem „fizzle”, czyli skiśnięcie ładunku.

By wywołać wybuch jądrowy o sile równoważnej eksplozji kilku czy kilkudziesięciu tysięcy ton TNT, należało błyskawicznie zestawić rdzeń, wprowadzić do niego neutrony zapoczątkowujące reakcję łańcuchową i przytrzymać rdzeń w stanie nadkrytycznym jak najdłużej. Ponieważ materiały rozszczepialne, ze względu na niezwykle trudny, skomplikowany i czasochłonny proces otrzymywania były bardzo cenne, ładunek atomowy musiał być skonstruowany również w taki sposób, aby zapewnić możliwie największą jego sprawność – użyć jak najmniej materiału aktywnego i wykorzystać go najbardziej efektywnie.

Opierając się na tej wiedzy i założeniach teoretycznych wstępnie nakreślono kilka różnych schematów konstrukcyjnych bomby.

Większość z nich zakładała osiągnięcie dużej szybkości zestawienia rdzenia poprzez użycie konwencjonalnych materiałów wybuchowych. Pierwszym z tej grupy był pomysł wstrzelenia cylindrycznego kołka do wnętrza wydrążonej kuli. Innym pomysłem było wstrzelenie na siebie elementów na podobieństwo dwóch połówek, rozkrojonego wzdłuż jaja, każdy element składał by się z połówki rdzenia i reflektora. Jeszcze inny zakładał zestawienie układu rdzeń-reflektor z czterech części, ćwiartek okręgu, mocowanych wewnątrz większego pierścienia otoczonego warstwą materiału wybuchowego. Jego pobudzenie na obwodzie doprowadzić miało do gwałtownego zapadnięcia się pierścienia i scalenia ćwiartek w jeden element.

Dość szybko dostrzeżono wady i zalety poszczególnych układów oraz trudności technologiczne, jakie należało pokonać. Za najlepszy i najprostszy w realizacji uznano pierwszy schemat. Wybrano go ze względu na możliwość zastosowania technologii znanych, opanowanych i używanych przy produkcji sprzętu artyleryjskiego, stąd też nazwano go układem armatnim (gun assembly). Na tym układzie skupiono większość sił. Drugi z proponowanych wymuszał konieczność łączenia elementów niesymetrycznych, o dużej masie (po ok. 0,5 t) i bezwładności. Trzeci układ już na pierwszy rzut oka zapowiadał wielkie trudności z synchronizacją całości procesu i również został odrzucony, jakkolwiek nasunął pomysł kolejnej metody zestawienia, nazwanej później implozyjną. Prace nad nią rozpoczęła mała grupa naukowców, jednak na początku potraktowano ją jako działalność czysto badawczą.

Koncentrując się na układzie armatnim rozwijano dwie konstrukcje: „armatę uranową” (uranium gun) i „armatę plutonową” (plutonium gun). W obydwu przypadkach podkrytyczny kawałek materiału aktywnego – „pocisk” miał być wystrzelony w kierunku drugiego kawałka, odpowiednio ukształtowanego i również podkrytycznego „celu”, który byłby umocowany na końcu lufy specjalnego działa. Opracowywanie obu dział nie przebiegało jednak równolegle. Wczesne prace, w lecie i jesienią 1943 r., skupiały się zasadniczo na armacie uranowej, jednakże w miarę lepszego poznawania właściwości fizyko-chemicznych uranu i plutonu uwaga naukowców przeszła na armatę plutonową jako konstrukcję trudniejszą technicznie. Powodem była dużo wyższa wymagana prędkość zestawienia rdzenia, wynikająca z większej prędkości rozpadu spontanicznego plutonu Pu-239. Poza tym pluton miał niższą masę krytyczną i większy wskaźnik multiplikacji neutronów – reakcja lawinowa rozwijała się w nim szybciej. To wszystko przekładało się na jego wyższą efektywność.

Uważano, że rozwiązanie problemów technicznych armaty plutonowej zapewni sukces również konstrukcji uranowej. Na korzyść plutonu przemawiały też, jak się wówczas wydawało, problemy napotykane podczas produkcji obu materiałów rozszczepialnych. U-235 w naturalnym uranie występuje w ilości zaledwie 0,7% (1 na 139 cząstek uranu). Jego produkcja – tzw. proces wzbogacania, to skomplikowany i długotrwały proces fizyczny, polegający na odseparowywaniu od siebie izotopów tego samego pierwiastka. Pluton Pu-239 to inny pierwiastek, sztucznie wytworzony poprzez napromienienie uranu U-238 w reaktorze. Jego oddzielenie można przeprowadzić zwykłymi metodami chemicznymi, chociaż ze względu na dużą radioaktywność wszystkich produktów jest to również skomplikowany proces i niebezpieczny dla zdrowia.