hrameleon

Niedawno minęła 78. rocznica operacji Trinity – pierwszego naziemnego testu broni jądrowej. Na ekrany kin, 21 lipca wszedł film „Oppenheimer” opowiadający o losach amerykańskiego naukowca Roberta Oppenheimera i jego roli w stworzeniu bomby atomowej. Na pewno wielu z Was już go widziało.
Z tej okazji postanowiłem spisać dla was kilka ciekawostek na temat projektu Manhattan i historii pierwszej bomby atomowej.
Projekt Manhattan w liczbach:

• W prace nad projektem było zaangażowanych 130 tysięcy ludzi. To więcej niż liczą miasta takie jak Opole czy Płock. Jednocześnie tylko kilkanaście osób w pełni zdawało sobie sprawę, że celem było zbudowanie bomby atomowej.
• W przedsięwzięciu brało udział 6 tysięcy naukowców, z czego aż 30 otrzymało Nagrodę Nobla. Co ciekawe, nigdy nie zdobyli jej ani Robert Oppenheimer – dyrektor naukowy, ani Edward Teller – późniejszy twórca amerykańskiej bomby wodorowej. Powszechnie kojarzony z bombą atomową Albert Einstein nigdy nie brał bezpośredniego udziału w projekcie Manhattan.
• Był to najdroższy projekt naukowy w historii aż do rozpoczęcia programu lotów kosmicznych. W ciągu kilku lat pochłonął 1,845 miliarda ówczesnych dolarów (około 21.9 miliarda dolarów wedle wartości nabywczej z 2022, czyli tyle ile kosztują cztery nowoczesne reaktory jądrowe). Jest to bardzo mała kwota na tle wydatków które poniosły Stany Zjednoczone uczestnicząc w II wojnie światowej, wynoszących zawrotne 330,5 miliarda dolarów. Oznacza to, że stworzenie od podstaw bomby atomowej pochłonęło mniej niż 0.6% wszystkich kosztów prowadzenia wojny.
• Projekt pochłaniał ogromne ilości surowców, co mogło zagrozić innym sektorom gospodarki nastawionej na produkcję czołgów i samolotów. Szczególnie problematyczne okazało się pozyskanie 5 tysięcy ton miedzi niezbędnych do budowy aparatury do separacji izotopów uranu. Rozwiązaniem okazało się zastąpienie miedzi srebrem. W tym celu skarb państwa wypożyczył aż 13 300 ton srebra. Całe srebro zostało zwrócone po zakończeniu wojny.
• Innym surowcem niezbędnym do produkcji bomby był oczywiście uran, którego najlepiej znane złoża znajdowały się na terenie okupowanych Czech. Pomimo trudności udało się zgromadzić aż 3 390 ton rudy uranu. Lecz dopiero po 3,5 roku udało się wyprodukować 50 kg uranu-235 o czystości wystarczającej do zbudowania ładunku rozszczepialnego.Do produkcji plutonu zbudowano w Hanford 3 wielkie reaktory posiadające po 2004 kanały paliwowe każdy, oraz nieznacznie mniejszy reaktor X-10 w Oak Ridge. W sierpniu 1945 produkowały blisko 20 kg plutonu miesięcznie, co pozwalało na budowę trzech bomb.
• Jeden z zakładów wzbogacania uranu był w momencie zbudowania największym budynkiem na świecie. Zakład K-25 posiadał powierzchnie 489 000 m2, czyli porównywalną z 68 pełnowymiarowymi boiskami piłkarskimi.
• Moc wybuchu w trakcie testu Trinity wynosiła 25 kiloton. Ilość wyzwolonej energii jest porównywalna ze spaleniem 3 400 000 litrów benzyny w ciągu ułamka sekundy. Fala uderzeniowa była odczuwalna w odległości 160 km, zaś grzyb atomowy miał 12,5 km wysokości. Krater powstały w trakcie wybuchu miał średnice 75 m i był całkowicie wypełniony stopionym piaskiem nazywanym odtąd trynitytem.

Ośrodki naukowe i przemysłowe biorące udział w projekcie manhattan. Wiele z tych miejsc nie istniała przed wojną a pojawiły się na mapach wiele lat po jej zakończeniu.

Atomowe miasta

Bomba atomowa często bywa nazywana „niszczycielem miast”. Trafniejszym terminem byłoby jednak określenie „twórca miast”, bowiem broń jądrowa przyczyniła się do zbudowania wielu miast i miasteczek, których istnienie przez lata było utrzymywane w ścisłej tajemnicy.

W trakcie projektu Manhattan powstały trzy prężnie rozwijające się miasta: Oak Ridge, Los Alamos i Hanford. Wszystkie te miejscowości istniały wcześniej jako niewielkie osady, jednak w trakcie wojny wielokrotnie zwiększyły swoją powierzchnię i populację. W ciągu trzech lat trwania projektu miasteczko Oak Ridge wzrosło z 3000 do 75 000 osób. Każde z tych miast stanowiło odizolowany od świata, ściśle strzeżony ośrodek badawczy. Również każde posiadało swój unikalny cel, dla którego powstało:

• Los Alamos – miasto założone na odosobnionym płaskowyżu w Nowym Meksyku stanowiło serce projektu Manhattan. To tam były prowadzone badania nad konstrukcją bomby. Aż do sierpnia 1945 istnienie miasta było całkowicie utajnione. Z tego powodu posiadało wiele nazw jak „Site Y”, „The Hill” czy, jak głosił adres pocztowy, „PO Box 1663, Santa Fe, NM”.
• Oak Ridge – miasto to było tak naprawdę gigantyczną fabryką wzbogaconego uranu. W ciągu kilku lat zbudowano tam trzy ogromne zakłady separacji izotopów (S-50, K-25 i Y-12). Zakład K-25 w momencie powstania był największym budynkiem na świecie, mającym prawie pół miliona metrów kwadratowych powierzchni użytkowej (czyli tyle ile zajmuje 68 pełnowymiarowych boisk piłkarskich). Na terenie Oak Ridge działał również drugi reaktor jądrowy, który wytwarzał pluton do badań w Los Alamos.
• Hanford site – pierwszy i największy w historii kombinat plutonu. Kompleks w Hanford składał się tak naprawdę z trzech obszarów miejskich: Richmond, Pasco, Kennewick wraz z przylegającym do nich terenem kombinatu. Do dziś działają tam reaktory jądrowe mające w równej mierze zastosowania pokojowe, jak i militarne.

Atomowe miasta nie tylko musiały mierzyć się z ryzykiem dekonspiracji w trakcie wojny, lecz również przygotować się na wszelkie przyszłe niebezpieczeństwa. Z tego powodu szybko zdecydowano o porzuceniu pierwotnego planu wojskowego obozu. Miasta miały stać się ostoją amerykańskiego ducha. Baraki w których przyszło żyć robotnikom w pierwszych miesiącach były stopniowo zastępowane przestronnymi domami. Szerokie ulice z zadbanymi trawnikami miały przywodzić na myśl przedmieścia wielkich amerykańskich miast. Dla pracowników kombinatów w Hanford utworzono specjalne fundusze mające zagwarantować powszechną edukację i opiekę zdrowotną na wysokim poziomie. Wszystko to miało na celu zapobieganie tworzeniu się ugrupowań socjalistycznych w sercu programu jądrowego.

Paradoksalnie miasta te posiadały zakres świadczeń socjalnych niespotykany w innych częściach Stanów Zjednoczonych. Kilkanaście lat później odwrotny proces zaczął zachodzić w radzieckich atomgradach, w których mieszkańcy mogli się cieszyć dostępem do towarów i dóbr znanym wyłącznie w państwach zachodnich.


Widok pierwszego reaktora do produkcji plutonu. Jego konstrukcja jest dość nietypowa jak na dzisiejsze czasy. Pręty paliwowe zostały ułożone poziomo. Obecnie właściwie wszystkie reaktory są budowane pionowo co gwarantuje łatwe wyłączenie reaktora.

Uran czy Pluton

Największym wyzwaniem stojącym przed projektem Manhattan było wyprodukowanie odpowiedniej ilości materiałów rozszczepialnych. Problem ten stawał się szczególnie trudny do rozwiązania gdy zwrócimy uwagę na wiedzę jaką dysponowali fizycy w 1941 roku.

Bombę atomową było można zbudować wykorzystując uran lub pluton. Niestety w 1941 roku odkryto, że gwałtowna reakcja łańcuchowa jest możliwa wyłącznie przy uzyskaniu prawie czystego Uranu-235. Izotop ten stanowi jedynie 0.7% uranu występującego na Ziemi. Dodatkowo nie jest możliwe wyizolowanie go metodami chemicznymi a jedynie poprzez urządzenia wykorzystujące różnice masy pomiędzy izotopami uranu. Różnica ta wynosiła zaledwie 1%. Oznaczałoby to że przy zastosowaniu ówczesnych możliwości rozdzielania izotopów wyprodukowanie bomby trwałoby ponad 20 tysięcy lat… Co więcej, fizycy nie znali dokładnych właściwości czystego Uranu-235. Tym samym wszystkie przewidywania były jedynie orientacyjne.
Częściowym rozwiązaniem było zastosowanie plutonu. Ten, odkryty dopiero w 1941 roku pierwiastek, z łatwością mógł zastąpić Uran-235. Pluton można było łatwo wyizolować i oczyścić tradycyjnymi metodami chemicznymi. Niestety i w tym przypadku natrafiono na znaczne przeszkody. Pluton mógł powstać wyłącznie w skutek bombardowania neutronami jąder Uranu-238. Proces ten powszechnie zachodzi w reaktorach jądrowych, które wtedy jeszcze nie istniały.

Zarząd wojskowy projektu Manhattan musiał podjąć trudną decyzję - którego pierwiastka należy użyć do zbudowania bomby jądrowej. Zależały od niej dalsze losy wojny, a najprawdopodobniej całego wolnego świata. Obie opcje wydawały się wręcz niemożliwe do wykonania. Z tego powodu postanowiono ograniczyć ryzyko i wykorzystać obie technologie.

Wzbogacanie uranu odbywało się w specjalnie zbudowanych fabrykach w Oak Ridge. Aby uzyskać wymaganą czystość Uranu-235 należało przeprowadzić trzy procesy.

• Dyfuzja termiczna. Dość prosty proces polegający na zjawisku wznoszenia się lżejszych gazów, a opadaniu cięższych. W tym przypadku gazami był heksafluorek różnych izotopów uranu. Jak można podejrzewać, wydajność procesu była bardzo niska. Zakład był w stanie wzbogacić uran z poziomu 0.71% do zawrotnego 0.89%. Lecz nawet tak niewielki wzrost stężenia był ogromnym osiągnięciem. W tym celu wykorzystywano 2142 kolumny o wysokości 15 metrów każda.
• Dyfuzja gazowa. W tym przypadku wykorzystano fakt, że lżejsze cząsteczki poruszają się szybciej i łatwiej przenikają przez membrany od cząsteczek ciężkich. Budynek dyfuzji gazowej o nazwie K-25 przez lata był największym budynkiem w historii.
• Separacja elektromagnetyczna. Było to rozwinięcie dość prostego zjawiska fizycznego wykorzystywanego również w telewizorach kineskopowych. Jeśli cząsteczka o określonym ładunku będzie przelatywać pomiędzy dwoma elektromagnesami, zacznie skręcać w kierunku elektromagnesu. Jeśli cząsteczki będą się różniły masą to ich tor lotu będzie różny. Oznacza to że można było w ten sposób rozdzielać izotopy uranu, atom po atomie. Proces ten był realizowany za pomocą wielkich urządzeń zwanych kalutronami. Nie był ani wydajny ani opłacalny. Posiadał jedną zaletę: działał i pozwalał na uzyskanie uranu o wzbogaceniu 89%. Łącznie powstały 1152 kalutrony do których produkcji zużyto 13 300 ton srebra.

Wyprodukowanie plutonu była jeszcze większym wyzwaniem. Aby uzyskać pluton, niezbędnym było rozpoczęcie kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Na początku projektu Manhattan nikt nie był pewien, czy jest możliwe uzyskanie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej, ani tym bardziej jak ją kontrolować. Co niezwykłe, na miejsce budowy pierwszego reaktora jądrowego wybrano opuszczony stadion znajdujący się w samym centrum Chicago. Zespół zarządzany przez Enrico Fermiego przez 1,5 roku budował coraz większe „stosy atomowe” nieuchronnie zbliżając się do uzyskania reakcji jądrowej. W tym samym czasie na pustkowiach stanu Washington rozpoczęto przygotowania do budowy pierwszego kombinatu plutonu. Tym samym pierwsze pełnowymiarowe reaktory jądrowe zaczęto budować jeszcze przed potwierdzeniem, czy na pewno będą działać. Drugiego grudnia 1942 stos atomowy Chicago Pile po raz pierwszy osiągnął stan krytyczny – samopodtrzymującą się reakcję jądrową. Ten mały reaktor o mocy zaledwie 0,5 W przetarł szlak dla powstających reaktorów w Hanford. Reaktorów milion razy większej mocy.

Od momentu rozpoczęcia budowy do uruchomienia pierwszego bloku mięło 353 dni. Jednak nie obyło się bez komplikacji. Zaledwie kilka godzin po uruchomieniu reaktor zgasł. Winnym okazał się Ksenon-135. Ten sam izotop, który 42 lata później spowodował katastrofę w Czarnobylu. Ksenon pochłaniał neutrony uniemożliwiając podtrzymanie reakcji łańcuchowej. Jedynym rozwiązaniem było zwiększenie mocy. W tym celu ilość „prętów paliwowych” została zwiększona z 1500 do 2004. Dopiero taka konfiguracja rdzenia umożliwiła bieżące wypalanie ksenonu.

Zużyte paliwo jądrowe było wypychane z reaktora do zbiorników, w których miały rozpaść się wszystkie izotopy krótkożyciowe. Pozwalało to na znaczące obniżenie promieniowania przed dalszą pracą. Niestety realia wojenne uniemożliwiały opóźnienie w produkcji o kilka miesięcy. Z tego powodu zdecydowano o przetwarzaniu jeszcze „gorącego” paliwa. Decyzja ta skutkowała uwalnianiem znacznych ilości radionuklidów w trakcie procesu oczyszczania.

Zakłady separacji plutonu były najprawdopodobniej pierwszymi w pełni zautomatyzowanymi fabrykami. Z powodu wysokiego promieniowania całość procesu musiała odbywać się w szczelnie zamkniętych, izolowanych od ludzi pomieszczeniach. Nawet naprawy urządzeń musiały odbywać się poprzez zdalnie sterowane urządzenia. Pojedynczy zakład składał się z trzech budynków, każdy o długości 240 m. 5 lutego 1945 do Los Alamos dotarła pierwsza partia plutonu o wadze 80 g.

To by było na tyle. Drugą część już za chwile.
Teksty były publikowane w dniach 25-27.07 na fanpage Napromieniowani.pl który szczerze polecam.