ترينيتي (اختبار نووي)
خلفية

ظهرت الأسلحة النووية نتيجة تطورات علمية وسياسية في ثلاثينيات القرن العشرين. شهد هذا العقد العديد من الاكتشافات المتعلقة بطبيعة الذرات، بما في ذلك وجود ظاهرة الانشطار النووي. أدى الظهور المتزامن للحكومات الفاشية في أوروبا إلى التخوف من مشروع الأسلحة النووية الألماني، وانتشر هذا القلق بشكل خاص بين العلماء اللاجئين من ألمانيا النازية والبلدان الفاشية الأخرى عندما أظهرت حساباتهم أن إنشاء الأسلحة النووية أمر ممكن نظريًا. دعمت الحكومتان البريطانية والأمريكية جميع الجهود المبذولة لبناء هذه الأسلحة.
انتقلت جهود التصنيع إلى سلطة الجيش الأمريكي في يونيو من عام 1942 تحت مسمى مشروع مانهاتن. استلم العميد ليزلي غروفز إدارة المشروع في سبتمبر من عام 1942. يقع قسم تطوير الأسلحة الخاص بالمشروع في مختبر لوس ألاموس في نيومكسيكو الشمالية تحت إدارة الفيزيائي روبرت أوبنهايمر. أجرت كل من جامعة شيكاغو، وجامعة كولومبيا، ومختبر لورنس بيركلي الوطني، وجامعة كاليفورنيا، بركلي، أعمال تطوير أخرى.
يُعتبر إنتاج النظائر الانشطارية اليورانيوم-235 والبوتولونيوم-239 مهمةً ضخمةً نسبةً إلى تكنولوجيا أربعينيات القرن العشرين، إذ تطلّب 80% من التكلفة الإجمالية للمشروع. أُجري تخصيب اليورانيوم في مرافق كلينتون للأشغال الهندسية قرب مدينة أوك ريدج، تينيسي. كان تخصيب اليورانيوم ممكنًا نظريًا باستخدام التقنيات المتوافرة حينها، لكن الصعوبة كمنت في الارتقاء إلى المستويات الصناعية والكلفة الضخمة التي تحتاج إليها. يشكل اليورانيوم-235 ما نسبته 0.71% من اليورانيوم الطبيعي فقط، ومن المقدر أن إنتاج غرام واحد من اليورانيوم باستخدام مطياف الكتلة سيستغرق 27,000 سنة، وهناك حاجة إلى إنتاج كيلوغرامات منه.
البلوتونيوم هو عنصر اصطناعي يحمل خصائص فيزيائية وكيميائية ومعدنية معقدة. لا يوجد هذا العنصر في الطبيعة بكميات ملحوظة. حتى منتصف عام 1944، كان البلوتونيوم الوحيد المعزول مُنتجًا في مسرع دوراني بكميات من رتبة الميكروغرام، بينما تحتاج الأسلحة إلى كيلوغرامات منه. في أبريل من عام 1944، حصل الفيزيائي إميليو سيغري رئيس المجموعة بّي 5 في مختبر لوس ألاموس على أول عينة من البلوتونيوم المستنسل من مفاعل جرافيت X-10 النووي في أوك ريدج. اكتشف سيغري أن العينة التي تلقاها تحوي مقادير ملحوظة من البلوتونيوم-240 بالإضافة إلى البلوتونيوم-239. أنتج مشروع مانهاتن عنصر البلوتونيوم في المفاعلات النووية في مرافق هانفورد للأشغال الهندسية قرب هانفورد، واشنطن.
كلما طال بقاء البلوتونيوم تحت تأثير الأشعة ضمن المعالج -وهذا ضروري لزيادة مطاوعة المعدن-، زادت كمية نظير البوتولونيوم-240، الذي يخضع لانشطار تلقائي بمعدل أكبر بآلاف المرات من البوتولونيوم-239. يعني وجود النيوتورونات الإضافية التي يطلقها البوتولونيوم-240 أن هناك احتمالية مرتفعة بشكل غير مقبول لانفجاره مباشرةً بعد تكون الكتلة الحرجة ضمن مدافع الانشطار النووي، ما ينجم عنه فشل الانفجار، أي حدوث انفجار نووي أضعف بعدة مرات من الانفجار الكامل. يعني هذا أن تصميم قنبلة الرجل النحيف (ثين مان) التي طورها المختبر لن يعمل بشكل صحيح.
اتجه المختبر نحو تصميم بديل، رغم أنه كان صعبًا تقنيًا، وهو السلاح النووي من نمط الانضغاط الداخلي. في سبتمبر عام 1943، اقترح عالم الرياضيات جون فون نيومان تصميمًا تُحاط فيه النواة المنشطرة باثنتين من المواد شديدة الانفجار تنتجان موجات صادمة بسرعات مختلفة. إن تناوب المتفجرات المحترقة الأسرع والأبطأ ضمن ترتيب محسوب بدقة سينتج موجةً ضاغطةً فور حدوث انفجارها المتزامن. هذا ما يسمى «عدسات المتفجرات» التي تعتمد على موجات الصدم الداخلية ذات القوة الكافية لتضغط نواة البلوتونيوم فتصبح أكثف مرات عديدة من وضعها الأصلي. ينقص هذا من حجم الكتلة الحرجة، ويجعلها فوق حرجة، وينشط أيضًا مصدر النيوترونات الواقع في مركز النواة، ما يؤكد أن التفاعل المتسلسل بدأ بالفعل في اللحظة الصحيحة. تتطلب عملية معقدة كهذه بحثًا وتجريبًا من النواحي الهندسية وانسياب الموائع قبل البدء بالتصميم العملي. أُعيد تنظيم مختبر لوس ألاموس بشكل كامل في أغسطس من عام 1944 ليوجه الاهتمام نحو تصنيع قنبلة انضغاط داخلي قابلة للعمل.