המעבדה המטלורגית באוניברסיטת שיקגו

הקמה

גילוי הביקוע הגרעיני של אורניום על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן בדצמבר 1938, וההסבר התאורטי שלו על ידי ליסה מייטנר ואוטו פריש זמן קצר לאחר מכן, פתח את האפשרות שנייטרונים הנוצרים בביקוע ייגרמו לתגובת שרשרת גרעינית מבוקרת ונשלטת. באוניברסיטת קולומביה, החלו אנריקו פרמי ולאו סילארד לחקור כיצד ניתן לבצע הלכה למעשה את תגובת השרשרת המבוקרת. באוגוסט 1939 ניסח סילארד מכתב חסוי לנשיא ארצות הברית, פרנקלין רוזוולט, בו תיאר את הפוטנציאל הצבאי הכביר הטמון בתגלית, התריע על אפשרות לפרויקט נשק גרעיני גרמני-נאצי, ושכנע את חברו הוותיק אלברט איינשטיין לחתום על המכתב לנשיא. זה הביא לתמיכת הנשיא והממשל הפדרלי במאמצי המחקר על ביקוע גרעיני.
באפריל 1941, ביקשה "ועדת המחקר להגנה לאומית בנושא אורניום" (NDRC) מארתור קומפטון, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת שיקגו וזוכה פרס נובל, לדווח על תוכנית האורניום. נילס בוהר וג'ון וילר תיארו איזוטופים כבדים עם מספרים אטומיים מוזרים, כמו פלוטוניום-239, כחומרים הניתנים לביקוע גרעיני. אמיליו סגרה וגלן סיבורג ייצרו 28 מיקרוגרם של פלוטוניום בציקלוטרון 60 האינץ' של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי במאי 1941. הם גילו שלפלוטוניום-239 יש חתך פעולה ללכידת נייטרונים תרמיים הגדול פי 1.7 מזה של אורניום-235. אף שניתן לייצר בציקלוטרון כמויות קטנות של פלוטוניום-239, לא ניתן להשתמש בו לייצור פלוטוניום בכמויות גדולות. קומפטון שוחח עם יוג'ין ויגנר מאוניברסיטת פרינסטון על האופן בו ניתן לייצר פלוטוניום בכור גרעיני, ועם הפיזיקאי רוברט סרבר מאוניברסיטת אילינוי על האופן שבו ניתן יהיה לבצע אחר כך הפרדה כימית של הפלוטוניום שנוצר בכור מהאורניום, שהיה חומר המוצא בתהליך.
ב-20 בדצמבר, זמן קצר לאחר ההתקפה היפנית על פרל הארבור שהכניסה את ארצות הברית למלחמה, מונה קומפטון לראש פרויקט הפלוטוניום. מטרות הפרויקט היו לייצר כורים להמרת אורניום לפלוטוניום, למצוא דרכים להפרדה כימית של הפלוטוניום מהאורניום, ולתכנן ולבנות פצצת אטום המבוססת על פלוטוניום. אף שטרם נבנה כור מוצלח בגודל הנדרש, מדענים כבר פיתחו מספר עקרונות תכנון שונים אך מבטיחים. על קומפטון היה מוטל לבחור ולהחליט מהי הדרך שבה יש להמשיך. הוא הציע לוח זמנים שאפתני, שמטרתו להשיג תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת עד ינואר 1943, ופצצה אטומית מוכנה לפעולה עד ינואר 1945.
קומפטון הרגיש כי צוותי המדענים באוניברסיטאות קולומביה, פרינסטון, שיקגו וברקלי, יצרו כפילויות רבות ומצבים של שיתוף פעולה בלתי מספק, והחליט לרכז את המחקר במקום אחד. איש לא רצה לזוז ממקומו, וכולם טענו בעד האוניברסיטה שלהם. בינואר 1942, זמן קצר לאחר כניסת ארצות הברית למלחמת העולם השנייה, החליט קומפטון לרכז את המחקר והפיתוח במקום שבו עבד, באוניברסיטת שיקגו. הוא ידע שבה יש לו תמיכה רחבה ובלתי מסויגת של הנהלת האוניברסיטה, בעוד שלדוגמה אוניברסיטת קולומביה עסקה בתמיכה מדעית במאמצי העשרת האורניום, והיססה לקחת על עצמה פרויקט סודי נוסף. גורמים נוספים שתרמו להחלטה היו מיקומה המרכזי של שיקגו, וזמינותם של מדענים וטכנאים במערב התיכון שטרם נלקחו לעבודות מלחמה. בנוסף, הדיור בה היה זמין יותר, וכעיר היבשתית היא הייתה חשופה פחות להתקפת אויב. מוסד המחקר החדש הוקם לבסוף בפברואר 1942, ונקרא "המעבדה המטלורגית" או "מט לאבּ".

שיקגו פייל-1

בין 15 בספטמבר ל-15 בנובמבר 1942 הקימו קבוצות בראשות וולטר צין והרברט אנדרסון שישה עשר כורים ניסיוניים (שנקראו באותה עת "ערימות", באנגלית Piles). פרמי תכנן כור אורניום וגרפיט חדש שניתן להביאו לתגובת שרשרת גרעינית מבוקרת המקיימת את עצמה.
בניית הכור, שכונה שיקגו פייל-1 (CP-1), החלה ב-16 בנובמבר 1942. העבודות בוצעו במשמרות של שתים-עשרה שעות, עם משמרת יום תחת צין ומשמרת לילה תחת אנדרסון. מבנה הכור היה בצורת אליפסה, גובהו 6.1 מטר, ורוחבו בציר האורך 7.6 מטר. הוא כלל 5.4 טונות מתכת אורניום, 45 טונות תחמוצת אורניום, ו-360 טונות גרפיט. עלות הבנייה הייתה כ-2.7 מיליון דולר (במחירי 1942).
ב-2 בדצמבר 1942 הוא השיג תגובה גרעינית מבוקרת ראשונה. ב-12 בדצמבר 1942 הוגדלה תפוקת הכוח שלו ל-200 ואט, המספיקה להדליק נורה. בהיעדר מיגון מכל סוג שהוא, הקרינה מהכור היוותה סכנה לכל הסביבה. לאחר מכן, נמשכו הניסויים בעוצמה נמוכה מאוד של 0.5 ואט בלבד.