Manhattanprojektet
Kärnvapnen uppkom ur ett av historiens dyraste och största utvecklingsprojekt som sysselsatte över 130 000 personer och då kostade 2 miljarder dollar. Målet var att tvinga Japan på knä med ett nytt vapen.
Historiens största militära utvecklingsprojekt banade väg för atombomberna som föll över Hiroshima och Nagasaki.
Projektet sträckte sig över hela USA.
Ledarna Oppenheimer och Groves.
Uran- och plutoniombomberna.
Klockan nådde 05.29 den 16 juli 1945, och världen skulle aldrig mer bli densamma. Över den nattliga öknen tändes ett ljus, mångdubbelt starkare än solens, som på ett ögonblick formade ett eldklot som inom två sekunder hade växt till en diameter på omkring 600 meter. 1900-talets troligen mest betydelsefulla vetenskapliga och tekniska framsteg hade blivit verklighet genom det amerikanska Manhattanprojektet. Ögonvittnena var överväldigade av vad de sett och mångas religiösa eller filosofiska tankar illustreras kanske bäst av projektets vetenskapliga ledares citat ur hinduismens heliga skrift Bhagavadgita: »Jag har blivit döden, världarnas förintare.»
Vägen till den första kärnladdningen var lång. I slutet på 1800-talet hade man kommit en bra bit på vägen att på en praktisk nivå förstå kemiska reaktioner. Vad som låg bakom dem och hur materiens grundstenar såg ut var man däremot inte på det klara med, trots att frågan går tillbaka till antiken – begreppet »atom» som materiens minsta beståndsdel finns filosofiskt omnämnd redan omkring 450 f Kr! Runt sekelskiftet noterades att vissa ämnen, exempelvis radium, sände ut kortvågig strålning utan att ämnet på något då mätbart sätt förändrades – det radioaktiva sönderfallet hade upptäckts.
Grundläggande fysik och kemi började alltmer gå hand i hand, inte minst sedan 1905 när Einstein formulerade sin epokgörande tes om sambandet mellan massa och energi: E=mc2. Detta stod i kontrast till principen om materiens oförstörbarhet, som nu – åtminstone på det teoretiska planet – föreföll att ha undantag. Man började också ana att materiens minsta beståndsdelar dolde ofattbara krafter, som kanske skulle kunna gå att förstå och använda. För forskningen fanns därmed en lovande väg, som skulle
»VÄGEN TILL DEN FÖRSTA KÄRNLADDNINGEN VAR LÅNG»
kantas av Nobelpris under de kommande decennierna. Atomernas sammansättning av elementarpartiklar började klarna och isotoperna upptäcktes, där vissa är instabila och kan sönderfalla och bilda nya grundämnen under avgivande av strålning. Vid detta sönderfall sker emellertid en förlust av massa som avgår i form av den energi som ligger i den strålning som avges. Med dessa upptäckter kunde man konstatera att E=mc2 faktiskt stämde överens med verkligheten!
När neutronen, en elektriskt neutral partikel som lätt kunde tränga igenom atomernas skal av elektroner och nå fram till själva atomkärnan, upptäcktes 1933 försökte man lära sig att förstå och manipulera dess sammansättning. Förhoppningen var att man genom bestrålning av olika grundämnen skulle kunna skapa nya ämnen, högre upp i det periodiska systemet, genom att atomkärnorna skulle ta till sig neutronerna och via kärnreaktioner bilda en annan isotop eller ett helt annat grundämne.
Flera forskare utförde under 1930-talet experiment med neutronbestrålning av naturligt uran. Intressanta iakttagelser gjordes såväl beträffande
den strålning som utlöstes, som nya grundämnen som dök upp i proven. Ingen lyckades riktigt tolka resultatens innebörd, vilket kanske var begripligt mot bakgrund av de många processer som initierades genom strålningen. Uppenbart var att det gick att skapa isotoper och tyngre grundämnen än de man hade börjat med genom att bestråla dem med neutroner – äntligen hade man funnit »den vises sten», alkemistens förmåga att förvandla bly till guld! Tyvärr var detta endast av vetenskapligt intresse – de mängder av nya ämnen man lyckades åstadkomma var mikroskopiskt små.
Visionen om att förverkliga E=mc2 i stor skala, som ett vapen eller för energiproduktion, var en utmaning för flera forskare. Då gällde det att hitta grundämnen eller deras isotoper som kunde fås att sönderfalla i stor omfattning i en självunderhållande process. De främsta kandidaterna för en kärnklyvning på konstgjord väg var de tyngsta ämnena i det periodiska systemet. Deras kärnor är mycket större än i lättare grundämnen och har – något förenklat – lättare att träffas av neutroner. Valet föll på uran, som är det tyngsta naturligt förekommande grundämnet och som i sin naturliga form var möjligt att experimentera med. Man visste att uran väsentligen består av två isotoper, 238U (99,3 procent) och
235U (0,7 procent). Teoretiska beräkningar visade att den sistnämnda var mycket lättare att klyva.
De tyska forskarna inom kemi och fysik var förmodligen världens främsta under mellankrigstiden. Även om länder som Italien, Storbritannien, USA och Danmark också kunde visa upp lysande vetenskapsmän.
Judeförföljelsen var en del av den nazistiska ideologin som kom till makten i Tyskland 1933. Ett uttryck för den var att personer med judisk bakgrund uteslöts från att inneha forskar- och lärartjänster i landet. Följden blev att praktiskt taget alla vetenskapsmän med sådan anknytning lämnade Tyskland under de närmaste åren och slog sig ner i främst USA och Storbritannien. Nazityskland gjorde sig därmed av med en vetenskaplig elit, som skulle komma att göra sina nya hemländer stora tjänster under andra världskriget. Detta gällde i hög grad inom kärnfysikens område.
I Tyskland hade den framstående kemisten Otto Hahn under många år samarbetat med den österrikiska fysikern Lise Meitner, som var av judisk härkomst (även om hon hade konverterat till kristendomen 1908). När också hon för sin försörjning tvingades lämna landet under 1930-talets senare del, bibehöll de kontakt brevledes även sedan Meitner bosatt sig i Sverige. Under 1938 hade Hahn, liksom andra forskare, gjort en serie experiment där naturligt uran bestrålades med neutroner. Han hade omsorgsfullt analyserat nya ämnen som successivt skapades i uranet och partiklar som avgavs under processen. Resultaten var överraskande och trotsade alla försök till tolkning utgående från då kända kemiska och fysiska teorier.
Meitner skulle tillbringa jul och nyår 1938–39 hos vänner i Kungälv och få besök av sin systerson Otto Frisch, som även han var fysiker. Hahn hade sänt sina provresultat till Meitner och bett om hennes hjälp för att förstå dem och de bakomliggande processerna. Under livliga diskussioner gjorde Meitner och Frisch skidturer och promenader i den idylliska staden och passerade nära Bohus fästning. Tornen och vallarna kunde nu skåda ner på en historisk händelse vida viktigare än någon som tidigare hade inträffat på platsen under dess 600-åriga historia.
Vad de båda vetenskapsmännen uppnådde under sina diskussioner var att såväl kemiskt som kärnfysiskt tolka vad Hahn hade åstadkommit – att klyva en uranatom i mindre, lättare grundämnen och samtidigt frigöra dels energi, dels minst en neutron. Massan för de nya, lättare grundämnena var något mindre än för den ursprungliga uranatomen och den förlusten frigjordes i form av strålningsenergi, helt i enlighet med Einsteins berömda formel E=mc2.
Faktum var att forskare redan tidigare hade lyckats klyva uranatomen, men utan att ha kunnat tolka sina resultat rätt och beskriva vad som hade hänt (den tyska kemisten Ida Noddack var dock förklaringen på spåren). Hahns och Meitners resultat och publicerade rapporter blev en vattendelare. Under det närmaste året stimulerade dessa en stor vetenskaplig utvecklingsinsats som resulterade i över 100 forskningsprojekt och åtföljande rapporter i länder som USA, Storbritannien, Frankrike och Tyskland. Man visste nu att det – åtminstone på laboratorienivå – var möjligt att klyva en atom 235U i lättare grundämnen, och frigöra energi och nya neutroner. Det grundläggande kärnfysiska fundamentet för vad som skulle kunna bli en kärnladdning var inte längre en obevisad teori bara klädd i formler på en svart tavla.
»HAHNS OCH MEITNERS RESULTAT OCH PUBLICERADE RAPPORTER BLEV EN VATTENDELARE»
Flera av de framstående judiska fysikerna i USA som flytt från nazism och fascism i Europa såg sommaren 1939, liksom deras amerikanska kollegor, ett uppenbart hot i att det expansiva och krigslystna Tyskland med hjälp av landets höga kärnfysiska kompetens skulle satsa på ett kärnvapenprogram. Farhågorna var inte ogrundade. Man skrev därför – med Einstein som främsta undertecknare – ett brev direkt till president Roosevelt. Där sammanfattade man kunskapsläget och uppmanade honom att ta initiativ till en statligt finansierad och koordinerad forskningsinsats för att inte USA skulle riskera att hamna ohjälpligt efter Tyskland inom detta område. Presidenten reagerade positivt på förslagen, men på grund av byråkratisk tröghet och oförståelse från olika håll skulle arbetet gå mycket långsamt under de följande två åren.
Lyckligtvis arbetade man snabbare och informellare i Storbritannien, där motsvarande forskning inriktades på att ta fram de grundparametrar som behövdes för att bedöma om en atombomb alls var praktiskt möjlig. Huvudbekymret var hur stor en kärnladdning skulle behöva vara – tidiga kalkyler kring detta var tämligen osäkra, men talade om ett uranbehov i en bomb på tiotals ton, vilket naturligtvis hade gjort denna tämligen oanvändbar som ett vapen. Den avgörande frågan var hur stor mängd 235U som krävs för att antalet neutroner som frigörs vid en kärnklyvning ska fortsätta att klyva nya uranatomer – en så kallad kedjereaktion.
Denna mängd (som även beror på neutronernas hastighet) kallas »den kritiska massan» och är en central parameter i alla sammanhang som berör kärnklyvning. Britterna kunde nu fastslå att den kritiska massan för 235U i alla händelser var mindre än 50 kilo – således fullt hanterbart ur vapensynpunkt. Nästa problem var exakt detsamma som aspirerande kärnvapenmakter och terroristorganisationer stöter på ännu i dag – hur skulle man få fram tillräcklig mängd av den klyvbara isotopen
235U, som bara utgör en obetydlig del av naturligt uran? Att separera isotoper av samma grundämne, som praktiskt taget har identiska kemiska egenskaper, var då en i industriell skala mycket svår uppgift som krävde stora, komplicerade och energikrävande anläggningar.
Det visade sig emellertid finnas en annan väg till atombomben. Vid bombardemang av naturligt uran med neutroner tog dess huvudbeståndsdel, isotopen 238U, upp neutroner och bildade via två mellansteg det artificiella grundämnet plutonium (Pu). Även det bestod av flera isotoper där den viktigaste var 239Pu. Sedan misstankarna att plutonium var klyvbart hade bekräftats experimentellt framstod en kärnladdning byggd på detta ämne som en möjlighet. Dess uppenbara fördel låg i att det med dåtidens teknik föreföll klart enklare att framställa plutonium än att separera de båda uranisotoperna. Nackdelarna skulle man snart stöta på.
Det dröjde ända fram till andra halvåret 1942 innan man i USA på allvar insåg potentialen med ett kärnvapenprogram. Särskilt bidrog vikten av att Tyskland inte skulle bli först med att framställa en praktiskt användbar kärnladdning. Då organiserades med typisk amerikansk snabbhet ett projekt, som med nära nog obegränsade resurser skulle utvidga och fullfölja den pågående forskningsverksamheten. Därefter skulle dess resultat tillämpas i industriell skala för att få fram ett operativt användbart kärnvapen så snabbt att det skulle kunna användas under pågående krig.
Projektet skulle drivas av USA:s armé och etablerade efterhand laboratorier och produktionsanläggningar över större delen av USA – statligt ägda, universitet, företags forskningsavdelningar och enskilda underleverantörer. Eventuella resultat skulle också delas med allierade forskningsgrupper i Storbritannien. Alltsammans i den enorma apparaten försattes under sträng sekretess – och gick under kodnamnet »Manhattanprojektet».
Vid besättandet av projektets två ledande befattningar hade man en ovanlig tur. Högste chef blev brigadgeneralen Leslie Groves, som hade omfattan
»DET VISADE SIG EMELLERTID FINNAS EN ANNAN VÄG TILL ATOMBOMBEN»
de erfarenhet av att driva stora anläggningsprojekt och senast ansvarat för bygget av försvarshögkvarteret Pentagon. Som teknisk chef rekryterade denne fysikern Robert Oppenheimer, som sedan några månader arbetade i projektet.
Ganska snart var det tydligt att det fanns två möjliga vägar till atombomben. I det samarbete som etablerades med britterna bekräftades att om man i hög hastighet sammanförde en tillräckligt stor mängd 235U kunde en kedjereaktion utlösas som på ett mycket kort ögonblick – en mikrosekund – skulle frigöra en energimängd av enorma mått. Den tekniska utformningen av en kärnladdning byggd på 235U föreföll inte erbjuda några oöverstigliga svårigheter och den snabba hopslagningen till en kritisk massa kunde lösas med en slags kanon. Problemet låg i att få fram en tillräckligt stor mängd
235U av erforderlig renhetsgrad.
Den andra vägen tycktes erbjuda möjligheter och svårigheter av nästan omvänt slag. Det nya grundämnet plutonium med isotopen 239Pu som huvudbeståndsdel, som hade upptäckts genom att bestråla naturligt uran med neutroner, visade sig vara ännu lättare att klyva än uranisotopen 235U. Ämnet hade den stora fördelen att kunna framställas genom neutronbestrålning av isotopen 238U i naturligt uran i en kärnreaktor. Därefter krävdes en kemisk vidarebearbetning, som – även om den var komplex – inte föreföll omöjlig att utföra i den nödvändiga industriella skalan.
Däremot framkom snart att plutonium ställde helt andra krav på utformningen av själva kärnladdningen än uran. Problemet låg i att plutonium består av flera olika isotoper, där särskilt 240Pu har en benägenhet att sönderfalla spontant och avge