Gadget – pierwszy ładunek atomowy, gotowy do testu, na wieży poligonu Alamogordo w Nowym Meksyku. Próba miała miejsce 16 lipca 1945 r.

75 lat temu, 16 lipca 1945 r., na pustynnym obszarze poligonu lotniczego Alamogordo w Nowym Meksyku, w Stanach Zjednoczonych, o godz. 5:29:45 czasu lokalnego, w ramach operacji pod kryptonimem „Trinity” dokonano pierwszej w historii eksplozji jądrowej. Test ładunku nazwanego Gadget był praktycznym potwierdzeniem wyników obliczeń teoretycznych, doświadczeń laboratoryjnych, jak i zasadności założeń i rozwiązań konstrukcyjnych przyjętych przez twórców pierwszej w świecie bomby atomowej.

Przez wiele lat były to ściśle strzeżone tajemnice, do których dostęp miało stosunkowo nieliczne grono osób. Z biegiem czasu, w miarę unowocześniania arsenałów jądrowych, niektóre informacje zostały oficjalnie opublikowane, a część została upubliczniona w sposób przypadkowy. Nawet dzisiaj, po 75 latach od pierwszego wybuchu jądrowego, nie wszystkie aspekty konstrukcji Gadgeta są jeszcze znane. Nie wdając się w rozważania polityczno-militarne i moralne użycia broni jądrowej przeciw japońskim miastom artykuł ma przybliżyć czytelnikom główne aspekty techniczne konstrukcji pierwszego w świecie ładunku jądrowego.

Korpus Gadgeta w namiocie u podstawy wieży w trakcie przygotowania do testu. Wszystkie otwory w korpusie zabezpieczono taśmą samoprzylepną. Zamiast górnej kopuły korpusu zamontowana pokrywa technologiczna z otworem, umożliwiająca włożenie uranowej zatyczki z rdzeniem plutonowym. Zatyczka z rdzeniem to metalowy, cylindryczny przedmiot, zabezpieczony opaską, leżący na drewnianej skrzynce po prawej.

Ogólna zasada działania

Rozważając wszelkie aspekty konstrukcji broni opartej na wykorzystaniu efektu rozszczepienia jąder pierwiastków promieniotwórczych naukowcy, pracujący nad tym zagadnieniem w ramach Projektu Manhattan, określili następujące podstawowe pryncypia działania takiej broni:

• zgromadzenie i utrzymanie odpowiedniej ilości materiału rozszczepialnego w stanie podkrytycznym;
• doprowadzenie materiału rozszczepialnego do stanu nadkrytycznego, przy jednoczesnym zachowaniu go „wolnym
  od neutronów”;
• wprowadzenie w materiał aktywny neutronów inicjujących lawinowe rozszczepienie w momencie osiągnięcia odpowiedniego stopnia nadkrytyczności;
• utrzymanie masy materiału rozszczepialnego w stanie nadkrytycznym przez możliwie najdłuższy okres czasu.

Aby spełnić te założenia należało znaleźć naukowe i techniczne rozwiązanie mnóstwa problemów. Jednym z nich było znalezienie właściwej metody przejścia materiału aktywnego ze stanu podkrytycznego w nadkrytyczny, by zapewnić warunki lawinowej reakcji rozszczepienia. Trudność polegała na tym, że w uranie U-235 i plutonie Pu-239, jak w każdym materiale promieniotwórczym procesy rozpadu samorzutnego z wyzwoleniem neutronów zachodzą w sposób ciągły, a ich częstotliwość (intensywność) określa okres półrozpadu. Dlatego też „przejście” musi być realizowane z możliwie największą prędkością – w czasie znacznie krótszym, niż statystyczny okres pomiędzy samorzutnym rozpadem jąder danego materiału aktywnego. W przeciwnym wypadku zanim osiągnięty zostanie odpowiedni stopień nadkrytyczności, spora część materiału aktywnego „spali” się w dość powolnej reakcji rozpadu (podobnie jak w reaktorach jądrowych) bez gwałtownego wydzielenia wielkiej energii – właściwego wybuchu.

Od początku prac skoncentrowano się wokół stosunkowo prostej metody przejścia w stan nadkrytyczny – szybkiego złożenia dwóch oddzielnych kawałków materiału rozszczepialnego, z których każdy stanowiłby masę podkrytyczną. Szybkie zestawienie miało być realizowane poprzez wstrzelenie podkrytycznego „pocisku” do wnętrza podkrytycznego „celu” (stąd też w języku angielskim metodę nazwano gun assembly – zestawienie/złożenie armatnie). Oba kawałki razem – „pocisk” i „cel” tworzyły masę nadkrytyczną w której mogła się rozwijać reakcja łańcuchowa. Jednak by zapewnić rozpoczęcie reakcji dokładnie w momencie połączenia obu mas potrzebne było dodatkowe źródło neutronów, ale uruchamiane dopiero w momencie zestawienia „pocisku” i „celu”. Rozwiązaniem miało być umieszczenie w „pocisku” i „celu” porcji dwóch pierwiastków, berylu w jednej części i polonu Po-210 w drugiej. W momencie połączenia obu mas podkrytycznych polon i beryl również łączyły by się i w reakcji cząstek alfa emitowanych przez Po-210 z jądrami berylu generowane były by neutrony inicjujące. Metoda gun assembly zapewniała czas przejścia w stan nadkrytyczny rzędu 1-2 milisekund i miała być zastosowana w obu rodzajach konstruowanych bomb – uranowej i plutonowej.

W lecie 1944 r. odkryto, że pluton produkowany w reaktorze atomowym w Hanford jest „skażony” – zawiera izotop Pu-240 charakteryzujący się dużą prędkością samorzutnego rozpadu. Neutrony generowane przy jego samorzutnym rozpadzie mogą zapoczątkować reakcję łańcuchową przedwcześnie tj. zanim „pocisk” i „cel” połączą się razem w masę nadkrytyczną. Nawet ponad trzykrotne zwiększenie prędkości „pocisku” tzn. powyżej 1000 m/s, nie rozwiązywało problemu. Przed połączeniem obu mas pluton osiągnął by stan krytyczny, duża część jąder rozpadła by się zanim doszło by do właściwego wybuchu. Metoda gun assembly w tym przypadku prowadziła w ślepą uliczkę. Powodzenie Projektu Manhattan, właściwie jego części – tj. bomby plutonowej, znalazło się pod znakiem zapytania.

By rozwiązać problem całkowicie zreorganizowano znaczącą część prac laboratoriów Los Alamos. Skupiono się na innej metodzie przejścia do stanu nadkrytycznego, zasugerowanej jeszcze wiosną 1943 r. Prace nad nią miały wcześniej bardzo niski priorytet, przede wszystkim ze względu na brak materiału teoretycznego w danej dziedzinie, doświadczonych naukowców i wielkie trudności, jakie należało pokonać przy jej realizacji. Ponieważ nikt przedtem nie prowadził podobnych badań, nie przykładano do tej metody większego znaczenia. Pracowało nad nią wąskie grono kilku osób, jednak w miarę poznawania zalet tej metody prace nad nią jak i grono zaangażowanych w nie ludzi stopniowo poszerzały się. Metodę tą nazwano początkowo „wybuchem do wewnątrz”, a później przyjęto nazwę metody implozyjnej.