ילד קטן

מנגנון הפצצה

תגובת השרשרת, בשיטת ירי תותח, הגורמת לפיצוץ גרעיני, מתרחשת כאשר נעשה שימוש בחומר בקיע בעל מסה קריטית. על מנת למנוע מתגובת השרשרת להתחיל באקראי, הפרידו ב"ילד קטן" את החומר הבקיע, אורניום-235, לשני חלקים שהכילו אורניום מועשר: "קליע" ו"מטרה". הקליע נורה לעבר המטרה וכאשר חדר לתוכה, נוצר מצב של "מסה קריטית" ועקב כך חלה תגובת שרשרת גרעינית. יעילות מנגנון הירי נמוכה למדי שכן רק אחוז קטן מהאורניום עובר את תהליך הביקוע הגרעיני.
לפני הטלת הפצצה על הירושימה, לא נערך ניסוי עם פצצה המבוססת על מנגנון דומה. הניסוי היחיד לבדיקת נשק גרעיני היה ניסוי טריניטי, אשר נערך ב-16 ביולי 1945, אך מנגנון הפצצה בניסוי זה היה מבוסס על קריסה של פלוטוניום. הסיבה העיקרית לכך שמנגנון דומה לזה של פצצת "ילד קטן" לא נוסה קודם לשימוש בה, היא המחסור באורניום מועשר. אורניום-235 הוא מחצב נדיר בטבע ונדרש זמן רב על מנת להעשיר אורניום טבעי לרמה מספקת לייצור פצצה, בניגוד לפלוטוניום שאמנם אינו מצוי בטבע אך תהליך הפקתו קצר יותר. בנוסף, מנגנון הירי היה פשוט למדי וניתן היה להסתפק בבדיקתו במעבדה. המפתחים סברו כי העיצוב הפשוט יחסית של מנגנון הירי, אינו מחייב ניסוי מלא, וזאת בניגוד למנגנון הקריסה - המחייב תזמון מושלם של פיצוץ מטעני חומר הנפץ.
למרות שהמנגנון נוסה בניסויים גרעיניים לאחר מכן ונבנו עוד חמש פצצות על פי המודל הזה, צבא ארצות הברית מעולם לא השתמש בהן בשל חוסר הבטיחות של המנגנון. התרסקות המטוס, שריפה, חדירת מים או מכת ברק עלולות היו להפעיל את מנגנון הפצצה ולגרום לתחילתה של תגובת שרשרת גרעינית.

מבנה הפצצה

המפרט הטכני המדויק של הפצצה עודנו חסוי משום שניתן לעשות שימוש בטכנולוגיה זו גם כיום על מנת לבנות פצצה גרעינית יעילה. למרות זאת קיימות השערות מפורטות באשר למבנה הפצצה בהסתמך על תצלומים, ראיונות שנערכו עם מדעני פרויקט מנהטן ואיסוף חומר ממקורות גלויים.
קוטר הפצצה "ילד קטן" היה 71 סנטימטרים, אורכה 3 מטרים ומסתה כ-4,000 ק"ג. האורניום המועשר הופרד לשני חלקים בהתאם לעקרון הפעולה של מנגנון הירי: "קליע" ו"מטרה". אחת ההשערות טוענת שהמטרה הייתה גליל שמסתו 25.6 ק"ג (40% ממסת האורניום הכוללת) והיא הייתה מורכבת מאורניום מועשר בשיעור של כ-90%. אורכה היה 16 ס"מ וקוטרה 10 ס"מ, והיא נבנתה משש טבעות אורניום הנתונות בתוך קופסת פלדה בעובי 1.5 מ"מ. קוטרו של הקליע, שצורתו גליל חלול, היה 16 ס"מ וזה היה גם אורכו. משקלו הכולל עמד על 38.4 ק"ג. קוטרו של החלל במרכז הקליע היה 10 ס"מ. קרוב לוודאי שאורניום מועשר ברמה גבוהה יותר שימש לבניית המטרה, משום שלצורך הגברת יעילות הפצצה יש צורך למקם יותר אורניום-235 במרכז המסה העל-קריטית שנוצרה בעת פגיעת הקליע במטרה.
שני החלקים מוגנו על ידי מעטפת בורון. היא נועדה לספוג את הנייטרונים שנפלטו, וכך להפחית את הסיכוי לתאונה. מעטפת אחת ציפתה את חלל המטרה הפנימי והשנייה את הקליע עצמו. כאשר הקליע חדר לתוך המטרה היה צורך להשיל את מעטפת הבורון: זו של הקליע הוסרה כאשר הוא נדחף לתוך המטרה, וזו של המטרה נדחקה החוצה עם כניסת הקליע. מערכת מחזירי הנייטרונים, שנקראה "טמפר" (אנגלית: Tamper), הורכבה משתי שכבות: שכבת טונגסטן קרביד ושכבת פלדה. משקלה היה 2,300 ק"ג והמטרה מוקמה בתוכה.
הקנה בו נעשה שימוש היה למעשה קנה תותח בעל מנגנון מִכְנַס שהוסב במיוחד. לאחר השינויים רוחב הקנה היה 10 ס"מ, אורכו 180 ס"מ ומשקלו 450 ק"ג. על מנת לשגר את הקליע במהירות של 300 מטר לשנייה נעשה שימוש באבק שריפה תקני כחומר-נפץ הודף. ארבעה יזמי (תחלי) נייטרונים מוקמו בקצה הקליע. זאת, על אף שפעולת מנגנון הירי הייתה גורמת לביקוע ספונטני בתוך שבריר שנייה, גם לולא פעלו. למעשה, הוחלט על הוספתם חודש בלבד לפני הרכבת הפצצה.

פיתוח הפצצה

הפצצה "ילד קטן" פותחה במסגרת פרויקט מנהטן, על בסיס הגישה הראשונה שנבחנה לפיתוח פצצה גרעינית, ובה נעשה שימוש באורניום מועשר. בשלב זה החומר הבקיע היחידי בנמצא היה אורניום-235, משום שהפלוטוניום ותהליך ייצורו התגלו רק בשנת 1941. מרבית העבודה התמקדה למעשה בתהליך העשרת האורניום, דהיינו - הפרדת האיזוטופ אורניום-235 מאורניום טבעי, המורכב ברובו המוחלט מאורניום-238 שאינו יוצר תגובת שרשרת יעילה. תהליך ההעשרה החל ב-1943, באוק רידג' שבטנסי, לאחר מחקר ממושך ואינטנסיבי שהיה רצוף תקלות ומשברים. 
אב הטיפוס של הפצצה פותח במהלך אביב 1943, עם תחילת פעולתה של המעבדה הלאומית לוס אלמוס במסגרת פרויקט מנהטן. נעשו אז ניסיונות לבנות מנגנוני ירי הן עבור אורניום והן עבור פלוטוניום, אולם באפריל 1944 התברר כי שיעור הביקוע הספונטני של פלוטוניום גבוה מדי עבור מנגנון איטי מסוג זה, ולכן יתרחש פיצוץ מוקדם ובלתי אפקטיבי. ביולי 1944 הופנו עיקר המשאבים ליצירת מנגנון חלופי, "מנגנון הקריסה", עבור פצצה המבוססת על פלוטוניום.
כאשר התברר כי הפלוטוניום אינו מתאים לפצצות עם מנגנון ירי, הועמדה קבוצת המדענים שעסקה בפיתוח הפצצה, בראשות א. פרנסיס בירץ', בפני דילמה חדשה: מחסור באורניום מועשר שיאפשר ייצור של פצצה אפקטיבית. ברור היה שלפני אמצע שנת 1945 לא תהיה בנמצא כמות מספקת של אורניום מועשר בשל התהליך האיטי של העשרת האורניום. למרות זאת הצליח בירץ' לשכנע דרגים בכירים שהרעיון נכון ביסודו, וכדאי להמשיך לפתחו גם כאפשרות חלופית לפצצת הפלוטוניום. למרות שהמנגנון היה פשוט יותר ממנגנון הקריסה, עדיין נדרש צוותו של בירץ' לעבודה רבה וקפדנית. בפברואר 1945 הושלמו ההגדרות למפרט הטכני של הפצצה, ובתחילת מאי 1945 הייתה הפצצה מוכנה למעט ליבת האורניום.
האורניום ששימש לייצור הפצצה הובא ממכרה שינקולובווה (Shinkolobwe) שבדרום קונגו, שהייתה אז מושבה של בלגיה וכונתה "קונגו הבלגית". משלוח של 1,000 טון עפרות אורניום הגיע משם לארצות הברית כבר ב-1939. מרביתו הועשר באוק-רידג' באמצעים של הפרדה אלקטרומגנטית ודיפוזיה גזית. ליבת הפצצה הכילה 64 ק"ג אורניום, מתוכם 50 ק"ג מועשרים בשיעור של 89% ו-14 הקילוגרמים הנותרים בשיעור של 50%. ממוצע ההעשרה עמד על 80%, וכמות האורניום הספיקה ליצירת 2.5 מסות קריטיות בקירוב. לשם השוואה, הפצצה "איש שמן" והמתקן שפוצץ בניסוי טריניטי הכילו חמש מסות קריטיות.

הרכבת הפצצה

ב-14 באפריל 1945 יצאה רכבת מלוס אלמוס עם חלקי הפצצה העיקריים ו"קליע האורניום" למספנות הצי בסן פרנסיסקו. "מטרת האורניום" טרם הושלמה בשלב זה. כשעתיים לפני פיצוץ המתקן הגרעיני בניסוי טריניטי הועמסו מרכיבי הפצצה על הסיירת הכבדה אינדיאנפוליס שהפליגה לעבר בסיס חיל האוויר באי טיניאן, והגיעה ליעדה כעבור עשרה ימים ב-26 באפריל. בדרכה חזרה, טובעה האינדיאנפוליס על ידי צוללת יפנית, תוך כדי ספיגת אבידות כבדות בחיי אדם. באותו יום הוטסה "מטרת האורניום" מבסיס חיל האוויר קירטלנד בניו מקסיקו לאי על ידי היחידה המיוחדת 509, שהוקמה לצורך מבצעי ההפצצה. הפצצה "ילד קטן" הורכבה והייתה מוכנה לשימוש ב-1 באוגוסט.
מנגנון הירי היה רגיש ביותר ולכן הטיפול בפצצה מרגע הרכבתה היה מסוכן ביותר. לאחר הטענת חומרי הנפץ למנגנון המִכְנַס של הקנה, כל פיצוץ עלול היה לגרום לתגובת שרשרת גרעינית. פיצוץ גרעיני היה משמיד לחלוטין את האי טיניאן, על 500 מטוסי ה-B-29 והחיילים שנמצאו בו. מטעמי בטיחות החליט הנשק, סרן ויליאם סטרלינג פארסונס, להטעין את חומר הנפץ רק לאחר ההמראה. 
לאחר הטלתה, ארבעה מדי גובה ונתיך ברומטרי אמורים היו לגרום לירי של קליע האורניום אל עבר מטרת האורניום. קוצב זמן דאג להפעלת מדי הגובה לאחר 15 שניות מתחילת הנפילה. היה זה מנגנון בטיחות שנועד למנוע מפִּרְצי מתח לגרום לפיצוץ מוקדם. לחץ האוויר הנמוך בגובה רב עלה במשך זמן הנפילה וגרם לעיוות ממברנה מתכתית דקה בתוך גוף הפצצה. כאשר הפצצה הגיעה לגובה הרצוי (8,000 רגל) הממברנה גרמה לסגירת מעגל שהביא לחימוש הסופי של הפצצה. כאשר שניים ממדי הגובה מדדו את הגובה הנכון, הם הפעילו את מתג הירי שגרם לפיצוץ חומר הנפץ. הקליע נורה במהירות של 300 מטר לשנייה אל עבר המטרה בתוך הפצצה. עשר אלפיות השנייה לאחר מכן החלה תגובת שרשרת גרעינית בלתי הפיכה.