Veľké množstvo energie je ...

• úvod
• Materiálny svet
  • Miera vecí
  • Atómy, jadrá a prvky
• rádioaktivita
• Jadrá a vesmír
  • Hviezdy, galaxie a vesmír
  • Od začiatku do konca
  • Zrod, život a smrť hviezd
  • Pôvod prvkov
• Jadrová energia
  • Zdroje jadrovej energie
  • štiepenie
  • Jadrové reaktory
  • Iné využitie jadrovej energie
  • Jadrový odpad
  • Jadrová fúzia
• Jadrové aplikácie
  • Výhody a riziká
  • Nukleárna medicína
  • Röntgenové lúče v medicíne
  • Metódy datovania v umení a archeológii
• Jadrová história
  • Dejiny jadrových zbraní
  • Veda a druhá svetová vojna
  • Atómová bomba

V júli 1939 Szilard presvedčil ekonóma Alexandra Sachsa o potrebe silnej americkej iniciatívy v oblasti štiepnych aplikácií s cieľom čeliť nemeckému vývoju. Szilard požiadal Einsteina, aby napísal prezidentovi Rooseveltovi a zdôraznil nebezpečenstvo a príležitosti štiepenia.

Za prispenia Edwarda Tellera a Eugena Wignera bol list vypracovaný 2. augusta 1939. Sachsová predložila list s technickým dokumentom od Szilarda Rooseveltovi 11. októbra 1939 a predseda ihneď ustanovil výbor. Uránové poradenstvo pod vedením vedca Lymana J. Briggsa, člena vlády.

Obrázok vpravo: A Einstein a L. Szilard v auguste 1939. Dole: pôvodný Einstein-Szilardov list

Prednosť dostali snahy spoločnosti Fermi v New Yorku o vytvorenie reťazovej reakcie s prírodným uránom a grafitovým moderátorom spolu so štúdiami v rôznych laboratóriách na separáciu izotopu 235 U. Element 94 (plutónium) objavil v Berkeley Glenn Seaborg vo februári 1941 a jeho štiepne vlastnosti študoval Seaborg spolu s Emiliom Segreom. Použitie plutónia ako alternatívy k 235 U sa stalo dôležitou možnosťou.

V júni 1941 Vannevar Bush presvedčil Roosevelta o potrebe účasti vedcov na obranných programoch a vývoji nových zbraní. Je zriadený Úrad pre vedecký výskum a vývoj (OSRD), organizácia, ktorá sa zodpovedá priamo prezidentovi. ACU je pod kontrolou OSRD pod novým názvom „Sekcia S-1“. Odporúča sa účasť priemyslu na výrobe poloprevádzkových zariadení a uplatňuje sa prísnejšia politická kontrola výskumu.

Obrázok hore: Vedeckí vedúci projektu S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannebar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29. marca 1940).

9. októbra 1941 V. Bush predložil správu MAUD, ktorú Briti poskytli Rooseveltovi a viceprezidentovi Henrymu A. Wallaceovi. Roosevelt dáva Bushovi plnú moc vyšetrovať, či a za aké náklady je možné bombu postaviť, a to s potrebným financovaním zo špeciálneho prezidentského zdroja. Bolo potrebné zachovať štatút „prísne tajného“ a veľmi presne definovať podrobnosti spolupráce so Spojeným kráľovstvom. To malo zásadný význam pre výrobu bomby.

Spolupráca mala svoje ťažkosti, ktoré generovala časť, ktorá sa svojho času zdala byť pokročilejšou v jadrovom výskume. V roku 1941 Briti obmedzili tok informácií pre Američanov, ktorí v roku 1942 odmietli zahrnúť britský tím do ich programu. Problémy sa spojili s prítomnosťou francúzskych vedcov v britskom projekte a s patentovou politikou. V januári 1943 bola komunikácia natrvalo prerušená. Spolupráca v tejto podobe bola zastavená trilaterálnou zmluvou z Québecu zo 17. augusta 1943 medzi Kanadou, Veľkou Britániou a USA. Spojené kráľovstvo zastavilo svoj bombový projekt a britskí vedci sa pripojili k americkému tímu. Bola zaistená bezplatná výmena informácií a každá strana mala vetovanie týkajúce sa použitia bomby.

Po vstupe USA do vojny v decembri 1941 dostal americký jadrový program zdroje na najvyššej úrovni bez akýchkoľvek rozpočtových obmedzení.

V Chicagu bol zodpovedný za uskutočnenie reťazovej reakcie na výrobu plutónia Arthur Compton, v Berkeley Ernest Lawrence zodpovedný za elektromagnetickú izotopovú separáciu 235 U pomocou cyklotrónov špeciálne určených na tento účel. Harold Urey bol zodpovedný za izotopovú separáciu centrifugáciou a difúziou plynu.

Generál Leslie Groves bol vymenovaný za vojenského vedúceho projektu v septembri 1942, ktorý sa dnes nazýva „Manhattan Engineering District“ (MED), a okamžite dal najvyššiu prioritu zabezpečeniu potrebného materiálu a na vybudovanie laboratórií vybral oblasť s rozlohou 230 km2 v Tennessee (Oak Ridge). venovaný výrobe štiepneho materiálu.

Pravý obrázok: Mapa komplexu Oak Ridge postaveného na výrobu štiepnych materiálov. Za pár mesiacov sa v tejto vidieckej oblasti okrem obrovských laboratórií uskutočnilo aj vybudovanie mesta s 13 000 obyvateľmi a sieťou spevnených komunikácií v dĺžke 500 km. V nasledujúcom roku počet obyvateľov mesta dosiahol 42 000.

Experimenty Enrica Fermiho s prírodným uránom a kvalitnejším grafitom mu dodávali istotu, že uspeje v sebestačnej reťazovej reakcii. 6. novembra 1942 začal s pomocou Wignera pre teoretické výpočty stavať demonštračný reaktor (CP1).

CP1 je okamžite demontovaný a materiály sú zužitkované na stavbu väčšieho, CP2, v novom laboratóriu v lese Argonne neďaleko Chicaga.

Obrázok vľavo: západná tribúna štadióna Stagg University v Chicagu, pod ktorým bol postavený CP1.

Elektromagnetická separácia je založený na princípe, že nabité objekty sa pri pohybe v elektromagnetickom poli zrýchľujú. Ťažšie ióny budú vychýlené menej ako ľahšie ióny. Správne umiestnené kolektory môžu toto oddelenie využiť.

The difúzna metóda je založené na skutočnosti, že ľahšie molekuly v plyne budú mať vyššiu priemernú rýchlosť ako ťažšie molekuly. Stlačený plyn zlúčeniny uránu sa nechá difundovať cez poréznu bariéru: o niečo ľahšia 235 Molekuly majú väčšiu šancu uniknúť cez otvory (priemer v zlomku mikrónu). Potom sa vznikajúci plyn, mierne obohatený požadovaným izotopom (3 diely na 1 000), znovu komprimuje a proces sa opakuje. Na stanici Oak Ridge v roku 1945 bola celková plocha na separáciu tisíce metrov štvorcových a bol vyrobený urán obohatený až o 10%.

Obrázok vpravo hore: schematický diagram prietoku plynu v difúznej kaskáde

Pre návrh bomby sa J. Robert Oppenheimer, vedecký riaditeľ spoločnosti MED, rozhodol zhromaždiť všetkých potrebných vedcov a odborníkov v novom tajnom laboratóriu, ktoré bolo postavené v Los Alamos (Nové Mexiko), v zime 1942 - 1943. V marci 1943 začalo laboratórium, za ktoré zodpovedala Kalifornská univerzita, základný výskum výroby „praktickej vojenskej zbrane“. Z USA bolo prenesených niekoľko výskumných nástrojov: Harvardský cyklotron, dva Van der Graafove urýchľovače z Wisconsinu, Cockroft-Waltonov urýchľovač z Illinois atď. Počet obyvateľov Los Alamos sa každých 9 mesiacov zdvojnásobil a v roku 1945 dosiahol 5 000.

Oppenheimerovi, ktorý nie je prívržencom vojenských obmedzení, sa podarilo zachovať štýl vedeckej inštitúcie a vykonať príjemnú výskumnú prácu. Život tam bol ťažký, ale vzrušujúci a kontakt mladých fyzikov so skúsenými vedcami im umožňoval získať dôležité zručnosti.

Cesta k plutóniu začína tým, že sa 238 U absorbuje neutrónom v jadrovom reaktore bežiacom na pomalých neutrónoch. Po prototypoch CP1 a CP2 priemyselné spoločnosti postavili 3 veľké reaktory v novom tajnom centre v Hanforde (Washington) a jeden v Oak Ridge.

V Los Alamos začal výskum chemických, fyzikálnych a metalurgických vlastností nového materiálu hneď po dodaní Pluta, spočiatku v gramových množstvách a na jar 1945 v podstatných množstvách dostatočných na výrobu troch bômb.

235 U bomba s názvom „Malý chlapec“ bola pripravená v Los Alamos 3. júla 1945. Štiepny materiál bol obohatený až na 86% pre 3 kritické hmotnosti, z ktorých každá vážila okolo 60 kg. Jeho detonácia bola založená na kanónovej technike, pri ktorej sa použil kanón dlhý 180 cm a vážil 453 kg.

Malý chlapec bol asi 3 m dlhý, s priemerom 70 cm, dostatočne malý na to, aby vošiel do priestoru poskytovaného bombardérom B-29, a mal celkovú hmotnosť asi 4 000 kg. Vedci mali úplnú dôveru v jeho fungovanie a predbežný test sa nepovažoval za potrebný.

Plutóniová bomba „Fat Man“ mala jadro plutónia, ktoré vážilo asi 6,1 kg a bolo potrebné ju odpáliť imploznou technikou, aby sa zabránilo predbežnej detonácii, a to pomocou množstva 2300 kg silnej výbušniny. Jadro, urán a silné výbušniny boli držané v zariadení pozostávajúcom z dvanástich päťuholníkovitých častí. Zbraň mala stabilizačné zariadenia a ochranný kryt v tvare vajca s priemerom 150 cm. „Fat Man“ bol dlhý asi 365 cm a vážil asi 4900 kg.

Obrázok: Bomba Fat Mana, keď bola pripravená na dodávku do Nagasaki.

Implozívna technika bola úplne nová a predbežné čiastkové testy neposkytli spoľahlivosť na základe určitých dôkazov.

Pretože stačilo dostupné plutónium, vykonala sa v polovici júla 1945 záverečná skúška úplnej bomby v Alamogordu v púšti Nového Mexika na mieste zvanom Trinity.

Účinnosť zbrane bola 17% pri sile 22kt. Test tiež umožnil overenie niekoľkých technických detailov, hlavným cieľom však bolo priamo zažiť účinky jadrového výbuchu.

Žiadny zo svedkov prvého jadrového výbuchu nebol na túto udalosť skutočne pripravený: od počiatočného záblesku a počiatočnej ohnivej gule bez akéhokoľvek šumu, od tichého tepla svetelného impulzu, ako súbežné ťažké dlane na oboch lícach, až po rázovú vlnu, ktorá prebehnite púštnou pôdou a k oblaku štiepok, ktorý vytvorí tvar huby.

Správny obrázok: Počiatočná ohnivá guľa z prvého jadrového výbuchu na Zemi, 16. júla 1945.

Hlavné javy však zostávajú nezmenené. Obrovská energia vyrobená za krátky čas výbuchu ohrieva materiály na teploty desiatok miliónov stupňov a tlaky rádovo milión atmosfér. Vyžaruje sa veľké množstvo energie, hlavne elektromagnetickej povahy, ktoré je absorbované vzduchom, čo vedie k tvorbe extrémne horúcej a žiarovej vzduchovej hmoty. Táto ohnivá guľa sa zväčšuje a stúpa, čím sa znižuje jej teplota. Asi po minúte svetlo vyjde a mrak vystúpi na zhruba 7 km.

Sekvencia fotografií vľavo zobrazuje prvé 4 sekundy vývoja ohnivej gule od výbuchu súvisiaceho s testom Trojice.

Začiatkom roku 1945 sa ukázalo, že spojenci vyhrajú vojnu v Európe aj v Tichomorí. Mnoho vedcov začalo diskutovať o sociálnych a politických dôsledkoch jadrovej energie a dôsledkoch použitia bomby. V júni 1945 správa Jamesa Franka navrhla, aby sa zabránilo Japonsku a aby sa sila bomby demonštrovala v neobývanej oblasti, aby sa preukázali jej ničivé účinky. Za účelom poradenia Dočasnému výboru bol vytvorený vedecký kruh zložený z Comptona, Fermiho, Lawrenca a Oppenheimera, ktorý informoval o názoroch vedcov.

Ráno 6. augusta 1945 o 8:15 bol Malý chlapec odhodený nad Hirošimu, explodoval 580 metrov nad mestom a jeho sila bola medzi 12 a 15kt. 9. augusta 1945 o 11.02 h explodoval Fat Man 503 m nad Nagasaki; jeho sila bola nad 22kt. Tieto dve mestá boli zničené a viac ako stotisíc mŕtvych a sto zranených. Japonsko sa vzdalo a druhá svetová vojna sa skončila. Konečné rozhodnutie zhodiť bombu bolo motivované vojensky, aby sa zabránilo enormným stratám na životoch pri invázii do Japonska, a politicky ukončiť vojnu skôr, ako sa Sovietsky zväz rozšíril do Tichého oceánu.

Obrázok: plukovník Paul W. Tibbets mladší na svojom bombardéri B52 „Enola Gay“ pred štartom do Hirošimy.

Po vojne sa začali skúmať civilné a vojenské vyhliadky na jadrovú energiu. Nový americký prezident Harry S. Truman vytvoril „Dočasný výbor“, ktorý rozhoduje o použití zbraní a načrtáva jadrový program pre budúcnosť. Medzi rozhodnutiami, ktoré bolo treba urobiť, bolo zvoliť si medzi začatím medzinárodnej spolupráce alebo uskutočňovaním americkej monopolnej politiky.

Druhá svetová vojna však bola zlomovým bodom vo vzťahoch medzi vedcami a vládami. Prvé nielenže vymýšľali a vyrábali nové zbrane, ale aj propagovali a podieľali sa na rozhodovaní o ich použití a stávali sa partnermi v procese tvorby politiky.

Vojenský a politický úspech atómovej bomby a hospodárske vyhliadky jadrovej energie zviditeľnili a posilnili vedeckú komunitu všade. Spojené kráľovstvo, Rusko a Francúzsko potrebovali vedcov na výrobu vlastného jadrového arzenálu. V USA získali fyzici významnú finančnú podporu a podarilo sa im získať napriek túžbe vojenských zariadení zodpovednosť za kontrolu rozvoja jadrovej energie. V USA bola politika v oblasti jadrovej energie delegovaná na Komisiu pre atómovú energiu, organizáciu kontrolovanú civilistami.

---