Dự án Y

Phản ứng nhiệt hạch và bom nguyên tử

Sự khám phá ra neutron của James Chadwick năm 1932, sau đó là phản ứng nhiệt hạch bởi nhà hóa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann năm 1938, và giải thích lý thuyết (và đặt tên) của Lise Meitner và Otto Frisch ngay sau đó, mở ra khả năng phản ứng dây chuyền hạt nhân có kiểm soát sử dụng urani. Vào thời điểm đó, rất ít nhà khoa học ở Hoa Kỳ nghĩ rằng một quả bom nguyên tử là thiết thực, nhưng khả năng một dự án bom nguyên tử của Đức quan tâm đến các nhà khoa học, những người tị nạn từ Đức quốc xã và các nước phát xít khác, rằng họ đã soạn thảo bức thư Einstein–Szilárd để cảnh báo Tổng thống Hoa Kỳ Franklin D. Roosevelt. Điều này thúc đẩy nghiên cứu sơ bộ ở Hoa Kỳ, bắt đầu từ cuối năm 1939.
Tiến bộ chậm ở Hoa Kỳ, nhưng ở Anh, Otto Frisch và Rudolf Peierls, hai nhà vật lí tị nạn đến từ Đức tại Đại học Birmingham, đã xem xét các vấn đề lý thuyết liên quan đến việc phát triển, sản xuất và sử dụng bom nguyên tử. Họ đã xem xét điều gì sẽ xảy ra với một quả cầu tinh khiết uranium-235, và phát hiện ra rằng không chỉ có thể xảy ra phản ứng dây chuyền, mà chỉ cần một kg urani-235 có thể phóng ra năng lượng ngang với hàng trăm tấn TNT. Mark Oliphant, đã lấy bản ghi nhớ Frisch-Peierls cho Sir Henry Tizard, chủ tịch của Ủy ban Khảo sát Khoa học về Không chiến (CSSAW), người đã chuyển nó cho George Paget Thomson, người mà CSSAW đã ủy quyền trách nhiệm nghiên cứu urani. CSSAW ã tạo ra Ủy ban MAUD để nghiên cứu. Trong báo cáo cuối cùng của mình vào tháng 7 năm 1941, Ủy ban MAUD kết luận rằng một quả bom nguyên tử không chỉ khả thi mà còn có thể được sản xuất vào khoảng năm 1943. Đáp lại, chính phủ Anh đã tạo ra một dự án vũ khí hạt nhân được gọi là Tube Alloys.
Vẫn có một chút sự gấp rút ở Mĩ, không như Anh vẫn chưa tham chiến ở Thế chiến thứ hai, Oliphant bay đến đó cuối tháng 8 năm 1941, và đã nói chuyện với các nhà khoa học Mỹ bao gồm người bạn Ernest Lawrence của ông tại Đại học California. Ông không chỉ có thể thuyết phục họ rằng một quả bom nguyên tử có thể thực hiện được, mà còn lấy cảm hứng máy xiclotron 37 inch (94 cm) của Ernest Lawrence thành một khối phổ kế khổng lồ để tách đồng vị, một kỹ thuật mà Oliphant đã đi tiên phong vào năm 1934. Đổi lại, Lawrence đã dẫn dắt người bạn và đồng nghiệp Robert Oppenheimer kiểm tra lại vật lý của báo cáo của Ủy ban MAUD, đã được thảo luận tại cuộc họp tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện Tổng hợp tại Schenectady, New York vào ngày 21 tháng 10 năm 1941.
Tháng 12 năm 1941, Phòng S-1 của Văn phòng Nghiên cứu và Phát triển Khoa học (OSRD) đã chọn Arthur H. Compton phụ trách việc thiết kế bom. Ông giao nhiệm vụ thiết kế bom và nghiên cứu tính toán neutron nhanh - chìa khóa tính toán khối lượng tới hạn và sự kích nổ - cho Gregory Breit, người có danh hiệu là "Co-ordinator of Rapid Rupture", và Oppenheimer là trợ lí. Nhưng Breit không đồng ý với các nhà khoa học khác làm việc tại Phòng thí nghiệm Metallurgical, đặc biệt là Enrico Fermi,, về các biện pháp an ninh và từ chức vào ngày 18 tháng 5 năm 1942. Compton bổ nhiệm Oppenheimer để thay thế Gregory Breit. John H. Manley, nhà vật lý tại Phòng Thí nghiệm Metallurgical, được giao nhiệm vụ giúp Oppenheimer bằng cách liên hệ và điều phối các nhóm vật lý thực nghiệm nằm rải rác khắp đất nước. Oppenheimer và Robert Serber của Đại học Illinois đã kiểm tra các vấn đề về sự khuếch tán neutron- cách neutron chuyển động trong phản ứng dây chuyền hạt nhân và động lực học chất lưu- cách mà vụ nổ gây ra bởi phản ứng dây chuyền có thể hành xử.

Quan niệm thiết kế bom

Để đánh giá công trình này và lý thuyết chung về phản ứng phân hạch, Oppenheimer và Fermi triệu tập các cuộc họp tại Đại học Chicago vào tháng 6 và Đại học California tại Berkeley vào tháng 7 với các nhà vật lý lý thuyết Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Emil Konopinski, Robert Serber, Stan Frankel, và Eldred C. Nelson, ba cựu học sinh của Oppenheimer, các nhà vật lý thực nghiệm Emilio Segrè, Felix Bloch, Franco Rasetti, John Manley và Edwin McMillan. Họ đã tạm thời xác nhận rằng một quả bom phân hạch về mặt lý thuyết là có thể.
Nhưng nhiều yếu tố vẫn còn là ẩn số. Tính chất của urani-235 tinh khiết tương đối chưa rõ ràng, và của plutoni cũng vậy, nguyên tố này mới chỉ được Glenn Seaborg và nhóm của ông này khám phá ra vào tháng 2 năm 1941. Các nhà khoa học ở hội nghị Berkeley đã hình dung ra việc tạo nên plutoni trong các lò phản ứng hạt nhân với nguyên tử urani-238 hấp thu neutron phát ra từ nguyên tử urani-235 phân hạch. Vào thời điểm đó chưa có lò phản ứng nào được xây, và chỉ một lượng rất nhỏ plutoni thu được từ các máy xiclotron.
Có nhiều cách khác nhau để sắp xếp vật liệu phân hạch đạt tới khối lượng tới hạn. Đơn giản nhất là bắn một cái "chốt hình trụ" vào một quả cầu "vật liệu phóng xạ" với một "cái đầm"—một vật liệu đặc hội tụ neutron vào phía trong và giữ cho khối lượng phản ứng với nhau để tăng hiệu năng. Họ cũng khám phá những thiết kế gồm các khối gần cầu, một dạng "nổ sập" sơ khai do Richard C. Tolman đề xuất, và khả năng của các phương pháp tự xúc tác, làm tăng hiệu năng quả bom lúc phát nổ.
Cho rằng ý tưởng bom phân hạch được xác lập về lý thuyết-ít nhất cho tới khi thêm các dữ liệu thực nghiệm xuất hiện—hội nghị Berkeley bắt đầu chuyển sang một định hướng mới. Edward Teller thúc đẩy thảo luận về một quả bom mạnh hơn: một "siêu bom", mà ngày nay thường gọi là "bom nhiệt hạch", sẽ sử dụng sức nổ của quả bom phân hạch được kích hoạt để châm ngòi cho phản ứng nhiệt hạch trong deuterium và tritium. Teller đề xuất hết đề án này tới đề án khác, nhưng đều bị Bethe lần lượt bác bỏ. Ý tưởng nhiệt hạch bị đặt ra ngoài lề để tập trung vào sản xuất bom phân hạch. Teller cũng đưa ra khả năng phỏng đoán rằng một quả bom nguyên tử có thể "kích hoạt" toàn bộ khí quyển Trái Đất bởi một phản ứng phân hạch giả định của hạt nhân nitơ. Bethe tính toán cho thấy điều đó không thể nào xảy ra và một báo cáo mà Teller đồng tác giả cho thấy rằng "không có chuỗi phản ứng hạt nhân tự lan truyền nào có vẻ sẽ khởi động."

Quan niệm phòng thí nghiệm bom

Sự khéo léo khi xử lý cuộc hội thảo của Oppenheimer làm ấn tượng các đồng nghiệp. Sự hiểu biết và khả năng đương đầu với những người khó tình nhất gây bất ngờ cho cả những người biết rõ ông ấy. Sau hội nghị, Oppenheimer đã thấy rằng mặc dù họ đã nắm bắt được vật lý, nhưng vẫn cần nhiều công việc đáng kể về kỹ thuật, hóa học, luyện kim và các vật liệu nổ trong việc chế tạo bom nguyên tử. Ông tin rằng thiết kế bom sẽ đòi hỏi một môi trường nơi mọi người có thể tự do thảo luận các vấn đề và qua đó giảm thiểu sự lãng phí tiền bạc. Ông lý luận rằng điều này tốt nhất có thể được dàn xếp an toàn bằng cách tạo ra một phòng thí nghiệm trung tâm ở một địa điểm cô lập.
Chuẩn tướng Leslie Groves đã trở thành giám đốc dự án Manhattan vào ngày 23 tháng 9 năm 1942. Ông đã đến Berkeley để xem calutron của Lawrence, và gặp Oppenheimer, người đã đưa cho ông một báo cáo về thiết kế bom vào ngày 8 tháng 10. Groves quan tâm đến đề xuất của Oppenheimer để thành lập một phòng thí nghiệm thiết kế bom riêng biệt. Khi họ gặp nhau ở Chicago một tuần sau đó, ông đã mời Oppenheimer thảo luận về vấn đề này. Groves phải bắt tàu đến New York, vì vậy ông yêu cầu Oppenheimer đi cùng ông để họ có thể tiếp tục cuộc thảo luận. Groves, Oppenheimer, và Đại tá James C. Marshall và Trung tá Kenneth Nichols đều ở trong một khoang duy nhất, nơi họ nói về việc một phòng thí nghiệm bom có thể được tạo ra ra sao và nó sẽ hoạt động như thế nào. Groves và Oppenheimer đến Washington, DC, nơi vấn đề được thảo luận với Vannevar Bush, giám đốc của OSRD, và James B. Conant, Chủ tịch Uỷ ban Nghiên cứu Quốc phòng Quốc gia (NDRC). Vào ngày 19 tháng 10, Groves đã thông qua việc thành lập một phòng thí nghiệm bom.
Trong khi Oppenheimer dường như là người hợp lý để chỉ đạo phòng thí nghiệm mới, mà đã trở thành được biết đến như Dự án Y, ông có ít kinh nghiệm hành chính; Bush, Conant, Lawrence và Harold Urey đều bày tỏ sự dè dặt về điều này. Hơn nữa, khác với các nhà lãnh đạo dự án khác - Lawrence thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Compton thuộc Dự án Metallurgical ở Chicago, và Urey tại Phòng thí nghiệm SAM ở New York - Oppenheimer không có giải Nobel, gây ra mối lo ngại rằng ông có thể không có uy tín để đối phó với các nhà khoa học xuất sắc. Cũng có những lo ngại về an ninh; nhiều cộng sự gần gũi nhất của Oppenheimer là những thành viên tích cực của Đảng Cộng sản Hoa Kỳ, bao gồm cả vợ ông Kitty, bạn gái Jean Tatlock, Frank, và vợ của Frank là Jackie. Cuối cùng, Groves đã ban hành hướng dẫn để giải quyết vấn đề Oppenheimer vào ngày 20 tháng 7 năm 1943.

Lựa chọn vị trí

Ý tưởng định vị trí Dự án Y cùng với Phòng Thí nghiệm Luyện kim ở Chicago, hoặc tại Clinton Engineer Works ở Oak Ridge, Tennessee, đã được xem xét, nhưng cuối cùng quyết định rằng một địa điểm hẻo lánh sẽ là tốt nhất. Một địa điểm gần Los Angeles đã bị từ chối vì lý do an ninh, và một địa điểm khác gần Reno, Nevada là quá khó tiếp cận. Theo đề nghị của Oppenheimer, việc tìm kiếm đã thu hẹp lại gần Albuquerque, New Mexico, nơi Oppenheimer sở hữu một trang trại ở dãy Sangre de Cristo. Khí hậu ôn hòa, có đường hàng không và đường sắt đến Albuquerque, nó đã cách xa Tây Duyên hải Hoa Kỳ, do đó về một cuộc tấn công của Nhật Bản không phải là vấn đề, và mật độ dân số thấp.
Tháng 10 năm 1942, Thiếu tá John H. Dudley thuộc Khu kỹ sư Manhattan (thành phần quân sự của dự án Manhattan) khảo sát các địa điểm quanh Gallup, Las Vegas, La Ventana, Jemez Springs và Otowi, và đề nghị một khu vực gần Jemez Springs. Vào ngày 16 tháng 11, Oppenheimer, Groves, Dudley và những người khác đi khảo sát địa điểm này. Oppenheimer lo ngại rằng các vách đá cao xung quanh khu vực này sẽ làm cho moị người cảm thấy sợ hãi, trong khi các kỹ sư lo ngại về khả năng bị ngập lụt. Sau đó, họ chuyển đến Otowi, khu vực lân cận của Trường Los Alamos Ranch. Oppenheimer đã rất ấn tượng và bày tỏ sự ưa thích về khu vực thi công, kể về vẻ đẹp tự nhiên của nó và góc nhìn ra dãy núi Sangre de Cristo, nơi mà ông hy vọng sẽ truyền cảm hứng cho những người sẽ làm việc cho dự án. Các kỹ sư lo ngại về con đường tiếp cận khó khăn, và liệu nguồn cung cấp nước có đầy đủ, nhưng mặt khác cảm thấy đó là một lý tưởng.
Cấp dưới Bộ trưởng Chiến tranh Hoa Kỳ, Robert P. Patterson, đã phê chuẩn việc mua lại khu vực này vào ngày 25 tháng 11 năm 1942, cho phép mua 440.000 đô la cho diện tích 54.000 mẫu Anh (22.000 ha), tất cả ngoại trừ 8.900 mẫu Anh (3.600 ha) trong đó đã thuộc sở hữu của Chính phủ Liên bang. Bộ trưởng Nông nghiệp Hoa Kỳ Claude R. Wickard đã cho phép sử dụng 45.100 mẫu Anh (18.300 ha) đất của Cục Kiểm lâm Hoa Kỳ cho Bộ Chiến tranh Hoa Kỳ "cho đến khi nào sự cần thiết quân sự vẫn tiếp tục". Nhu cầu đất cho một con đường mới, và sau đó là đường dành cho đường dây điện dài 25 dặm (40 km), cuối cùng đã mua đất trong thời chiến với 45.737 mẫu Anh (18.509,1 ha), nhưng chỉ cuối cùng chỉ chi hết 414.971 đô la. Khu vực lớn là trường học với giá 350.000 đô la, và Anchor Ranch với giá 25.000 đô la. Cả hai luật sư thuê đàm phán các thỏa thuận với chính phủ, nhưng người nội trú gốc Tây Ban Nha chỉ được trả 7 đô la một mẫu Anh. Giấy phép chăn thả đã được thu hồi, và đất cá nhân đã được mua hoặc bị tịch thu sử dụng quyền hạn của Đạo luật Chiến tranh lần thứ hai. Các kiến nghị tịch thu được cho là bao gồm tất cả các khoáng sản, nước, gỗ và các quyền khác, vì vậy các cá nhân sẽ không có lý do gì để vào khu vực. Khu vực này có hình dạng bất thường do tiếp giáp với Đài tưởng niệm Quốc gia Bandelier và một khu vực thiêng liêng của người Mỹ bản xứ.

Xây dựng

Một sự cân nhắc quan trọng trong việc mua lại địa điểm là sự tồn tại của Trường Los Alamos Ranch. Bao gồm 54 tòa nhà, trong đó có 27 ngôi nhà, ký túc xá hoặc các khu khác cung cấp 46.626 foot vuông (4.331,7 m²). Các tòa nhà còn lại bao gồm một xưởng xẻ, nhà máy đá, chuồng trại, xưởng mộc, chuồng và nhà để xe, tổng cộng 29.560 foot vuông (2.746 m²). Gần Anchor Ranch có bốn căn nhà và một chuồng. Công việc xây dựng được giám sát bởi Quận Kỹ sư Albuquerque đến ngày 15 tháng 3 năm 1944, Quận Kỹ sư Manhattan đảm nhận trách nhiệm.  Willard C. Kruger và cộng sự ở Santa Fe, New Mexico, đã tham gia với tư cách là kiến trúc sư và kỹ sư. Black & Veatch được đưa vào sử dụng để thiết kế các tiện ích vào tháng 12 năm 1945. Ban đầu được trả 743.706,68 đô la Mỹ và 164,116 đô la sau khi dự án Manhattan kết thúc vào cuối năm 1946. Quận Albuquerque giám sát 9,3 triệu đô la xây dựng tại Los Alamos, và Quận Manhattan, 30,4 triệu đô la. Công việc ban đầu được ký kết với Công ty M. M. Sundt ở Tucson, Arizona, với công việc bắt đầu vào tháng 12 năm 1942. Groves ban đầu đã cấp 300.000 đô la cho xây dựng, ba lần ước tính của Oppenheimer, và dự kiến hoàn thành ngày 15 tháng 3 năm 1943. Không lâu sau đó trở nên rõ ràng rằng phạm vi của Dự án Y lớn hơn nhiều so với dự kiến và đến thời điểm Sundt kết thúc vào ngày 30 tháng 11 năm 1943, đã chi hơn 7 triệu đô la. Công ty Zia nhận trách nhiệm bảo trì vào tháng 4 năm 1946.
Oppenheimer ban đầu ước tính rằng công việc có thể được thực hiện bởi 50 nhà khoa học và 50 kỹ thuật viên. Groves đã tăng gấp ba lần con số này lên đến 300. Lượng người thực tế, bao gồm cả thành viên gia đình, khoảng 3.500 vào cuối năm 1943, 5.700 vào cuối năm 1944, 8.200 vào cuối năm 1945 và 10.000 vào cuối năm 1946. Nơi ở hấp dẫn nhẩt là sáu ngôi nhà bằng gỗ và đá từng là nơi ở của hiệu trưởng, giảng viên trường Los Alamos Ranch. Chúng là những ngôi nhà duy nhất tại Los Alamos có bồn tắm, và được biết đến như là "Bathtub Row". Oppenheimer sống ở Bathtub Row; người hàng xóm bên cạnh là thuyền trưởng William Sterling Parsons, người đứng đầu bộ phận Quân dụng và Kỹ thuật. Nhà của Parsons lớn hơn một chút, vì Parsons có hai đứa con và Oppenheimer lúc đó chỉ có một. Sau Bathtub Row, nơi nghỉ mát hấp dẫn nhất tiếp theo là các căn hộ được xây dựng bởi Sundt. Căn nhà hai tầng điển hình xây dựng cho bốn gia đình. Mỗi căn hộ của Sundt đều có hai hoặc ba phòng ngủ, nhà bếp với bếp lò than củi và phòng tắm nhỏ. J. E. Morgan và Sons đã cung cấp 56 căn nhà xây tự trước được gọi là "Morganville". Công ty Robert E. McKee đã xây dựng một phần của thị trấn được gọi là "McKeeville". Trong tháng 6 đến tháng 10 năm 1943, và một lần nữa trong tháng 6 và tháng 7 năm 1944, số lượng người vượt quá số chỗ ở hiện có và nhân viên tạm thời phải tạm trú tại Frijoles Canyon. Các căn nhà ở CEW và HEW là căn bản nhưng có tiêu chuẩn cao hơn (theo quy định của Nichols) so với các ngôi nhà ở Los Alamos (theo quy định của Groves), nhưng Nichols nói với các nhà khoa học của Los Alamos rằng nhà ở không phải là vấn đề của Groves.
Giá thuê được xác định căn cứ vào thu nhập của người cư ngụ. Những du khách đến Los Alamos đã được ở trong căn nhà Fuller Lodge, Guest Cottage hay Big House, từng là một phần của Trường Los Alamos Ranch. Một trường được thành lập vào năm 1943, phục vụ cho cả hai cấp tiểu học và trung học, và 140 trẻ đã được ghi danh; 350 của năm 1946. Giáo dục được tự do, cũng như một trường mẫu giáo cho các bà mẹ làm việc. Trường có 18 giáo viên tiểu học, 13 giáo viên trung học và một quản lý. Nhiều công trình kỹ thuật đã được xây dựng. Hầu hết đều là loại bán kiên cố, sử dụng thạch cao. Họ đã được làm nóng từ một nhà máy nhiệt điện trung tâm. Ban đầu, đây là Nhà lò hơi số 1, có hai nồi hơi đốt than. Sau đó nó được thay thế bởi Nhà lò hơi số 2, trong đó có sáu nồi hơi đốt dầu. Ngoài các địa điểm chính tại Los Alamos, 25 địa điểm xa xôi đã được phát triển cho công việc thử nghiệm.

Quân sự

Đại tá John M. Harman là người chỉ huy đầu tiên tại Los Alamos. Ông gia nhập văn phòng Santa Fe với tư cách là một trung tá vào ngày 19 tháng 1 năm 1943, và được thăng Đại tá vào ngày 15 tháng 2. Los Alamos chính thức trở thành cơ sở quân sự vào ngày 1 tháng 4 năm 1943, và ông chuyển đến Los Alamos vào ngày 19 tháng 4. Ông đã được kế vị bởi Trung tá C. Whitney Ashbridge, tốt nghiệp trường Los Alamos Ranch, tháng 5 năm 1943. Đổi lại, Ashbridge được kế vị bởi Trung tá Gerald R. Tyler vào tháng 10 năm 1944, Đại tá Lyle E. Seaman vào tháng 11 năm 1945, và Đại tá Herb C. Gee vào tháng 9 năm 1946. Người chỉ huy chịu trách nhiệm trực tiếp với Groves, và chịu trách nhiệm về thị trấn, tài sản của chính phủ và nhân viên quân đội.
Bốn đơn vị quân đội được chỉ định đóng quân. Bộ phận MP, đơn vị chỉ huy dịch vụ 4817, đến từ Fort Riley, Kansas, vào tháng 4 năm 1943. Lực lượng ban đầu của nó là 7 sĩ quan và 196 quân nhân nhập ngũ; vào tháng 12 năm 1946, nó có 9 sĩ quan và 486 quân nhân, và đang quản lý 44 lính gác 24 giờ một ngày. Bộ phận kỹ thuật tạm thời (PED), đơn vị chỉ huy dịch vụ 4817, được kích hoạt tại Camp Claiborne, Louisiana, ngày 10 tháng 4 năm 1943. Những người này thực hiện các công việc như làm việc trong nhà máy nồi hơi, vùng động cơ và các hội trường. Họ cũng duy trì các tòa nhà và đường xá. Lực lượng đạt đến đỉnh điểm là 465 người, và đã tan rã vào ngày 1 tháng 7 năm 1946.