ج. روبرت أوبينهايمر
مشروع مانهاتن > تصميم القنبلة

عند هذه النقطة من الحرب كان هناك قلق كبير بين العلماء بأن برنامج التَّسَلُّح النووي الألماني كان يتقدم بشكل أسرع من مشروع مانهاتن (مشروع التسلح النووي الأمريكي). وفي رسالة مُؤَرَّخَة بتاريخ 25 مايو 1943م، ردّ أوبينهايمر على اقتراح قدمه إنريكو فيرمي بِتَسْمِيم إمدادات الطعام الألمانية باستخدام المواد المشعة بدلًا من استخدامها في تطوير قنبلة نووية قد يسبقهم إليها الألمان، فكان رد أوبينهايمر بأن يسأله إن كان يستطيع إنتاج كمية كافية من السترونتيوم دون تعريف عدد أكثر من اللازم من الناس بهذه الخطة السرية، ويستكمل أوبينهايمر: "أعتقد أننا يجب أن لا نجرب الخطة إلا إن استطعنا تَسْمِيم طعام كافٍ لقتل نصف مليون رجل".
وفي 1943م، كانت الجهود التطويرية مُنْصَبَّة على بناء سلاح انشطار من النوع المِدْفَعِيّ يستخدم البلوتونيوم كمادة انشطارية، كان اسم السلاح "الرجل النحيف". اُجْرِيَت البحوث الأولية على خصائص البلوتونيوم باستخدام البلوتونيوم-239 المُصَنَّع باستخدام المُسَرِّع الدوراني، وهو يمتلك درجة عالية من النقاء ولكنه يمكن أن يُصَنَّع بكميات ضئيلة فقط بتلك الطريقة. وحينما وصلت أول عينة من البلوتونيوم إلى لوس ألاموس من مُفَاعِل جرافيت X-10 النووي في إبريل 1944م ظَهَرَت مشكلة: كان العلماء مُدْرِكُون أن البلوتونيوم-239 الناتج من المفاعل لن يكون بنفس نَقَاء البلوتونيوم-239 الذي أُنْتِج باستخدام المسرع الدوراني، بالتالي سيحتوي البلوتونيوم على شوائب من نظار أخرى، ولكنهم اكتشفوا أن البلوتونيوم المُوَلَّد في المفاعل يحتوي على نسبة من النظير بلوتونيوم-240 أعلى من النسبة المُفْتَرَضَة، ويجب العلم أن السلاح النووي المدفعي يقوم على تكوين الكتلة الحرجة عند تفجير القنبلة، والكتلة الحرجة هي الكمية الدنيا اللازمة من المادة الانشطارية لاستدامة التفاعل المُتَسَلْسِل الذي يحدث عند قَصْفِها بنيوترونات تؤدي إلى شَطْر (قَسْم)الذرات التي تُصْدِر بدورها نيوترونات أخرى تشطر ذرات أخرى، وعند الكتلة الحرجة تحافظ المادة بنفسها على الانقسام المتسلسل دون الحاجة للمزيد من النيوترونات المقذوفة من الخارج أي أن كل عملية انشطار تٌنْتِج ما معدله (1) نيوترون يؤدي إلى انشطار ذرة أخرى بدلًا من خروجه من المادة أو امتصاص طاقته من الذرات دون انشطارها، أما إن كانت المادة تملك كتلةً تحت الحرجة، فإن هذا يعني أن النيوترونات المقذوفة على المادة المشعة لن تستطيع المحافظة على أعدادها وستنخفض بمعدل سريع جدًّا ومُتَضَاعِف باستمرار مما يعني انتهاء التفاعل المتسلسل لأن كل عملية انشطار تنتج ما معدله أقل من (1) نيوترون سيذهب ليحدث انشطارًا آخر، أما في حالة الكتلة فوق الحرجة، فإن النيوترونات ستؤدي إلى انقسامات مستمرة وكذلك ذات معدل يتضاعَف باستمرار، وهذه هي الكتلة المطلوبة في السلاح الانشطاري كي تُحْدِث انفجارًا كبيرًا، ولكن بداخل السلاح لا تُبْنَى الكتلة فوق الحرجة منذ التصنيع بل تَتَكوَّن عند الانفجار، وذلك لعدة أسباب منها السلامة، حيث أنه عند تكوين الكتلة الحرجة يمكن لأي دفعة من النيوترونات الداخلة إلى المادة الانشطارية أن تولد تفاعلًا متسلسلًا في غير أوانه وخاصة النيوترونات القادمة من المادة الانشطارية نفسها، إذ أن النظائر الانشطارية المستعملة في الأسلحة النووية تملك خاصية الانشطار التلقائي بمعدلات مختلفة حسب النظير، أي أن ذرات النظائر تنقسم في وقت ما بشكل تلقائي أي بدون أن تُصْدَم بأي جسيمات أخرى وينتج عن ذلك التفاعل نيوترونات تذهب لتحدث انشطارًا في ذرات أخرى، ما يعني حدوث تفاعل متسلسل بالتالي انفجارًا في غير أوانه ومكانه وخسارة للمادة المشعة باهظة الثمن، وهذا ما يُتَدَارَك إن كانت المادة تملك كتلة تحت حرجة، ففي السلاح النووي المِدْفَعِيّ، تُقْسَم الكتلة فوق الحرجة إلى كُتْلَتَيْن من فئة تحت الحرجة تُوضَعَان في نهايتَيْ ماسورة (كل هذا داخل القذيفة النووية)، تكون إحداهما على شكل أسطوانة مُجَوَّفَة (مُفْرَغَة من الداخل)، أما الأخرى فعلى شكل أسطوانيّ مُصْمَت أصغر يمكنه أن يملأ فراغ الأسطوانة الأكبر، وعند التفجير تُطْلَق الأسطوانة الكبيرة نحو الصغيرة لِتَدْخُلَا ببعضهما البعض بالتالي تندمجان معًا مَشَكِّلَتَيْن كتلة فوق حرجة فَينطلق نيوترون إما من مصدر خارجي أو من الانشطار التلقائي لذرات المادة مؤديًا لإطلاق التفاعل المتسلسل، ويجب مراعاة إطلاق الاسطوانة الكبيرة بقوة كبيرة عبر ماسورة بطول مناسب لجعلها تصل إلى أعلى تسارع بحيث يحصل اندماج الاسطوانتين في أقصر مدة زمنية حيث أن العلماء يحددون الكتلة فوق الحرجة اللازمة لإحداث انفجار بقوة معينة، ولكن أثناء اندماج الاسطوانين ببعضهما تتكون كتلة حرجة قبل اكتمال الاندماج، ما يعني أن النيوترونات الحرة يمكنها أن تؤدي إلى تفاعل متسلسل في الجُزْئِيَّة المُنْدَمِجَة من الاسطوانتين، فتنفجر تلك الجزئية وحدها مؤدية لانفجار أقل من المطلوب خاصة أن التفاعل المتسلسل أسرع بكثير من حركة الأسطوانة أي لا يمكن أن يتم الاندماج إذا بدأ التفاعل، وهذه النيوترونات تأتي من الانشطار التلقائي للنظائر، بالتالي يجب أخذ معدل الانشطار التلقائي للنظير المُسْتَعْمَل بعين الاعتبار، وهنا يجب أن نعلم أن معدل الانشطار التلقائي للبلوتونيوم-239 قليل نسبيًّا، ولكن شوائب البلوتونيوم-240 تجعلها أعلى بكثير مما جعل ذلك البلوتونيوم القادم من المفاعل غير ملائم للاستخدام في السلاح النووي المدفعيّ.
وفي يوليو 1944م، تَخَلَّى أوبينهايمر عن تصميم السلاح النووي المدفعي لصالح سلاح الانبجار (الانبجار هو الانفجار نحو الداخل)، في هذا السلاح تكون هناك كُرَة من المادة الانشطارية بكتلة تحت حرجة محاطة بكرة أخرى من العدسات الانْفِجَارِيَّة الكيميائية التي تقوم بالانفجار نحو الداخل (الانبجار) مما يؤدي إلى انضغاط المادة الانشطارية وجعلها أصغر حجمًا بالتالي زيادة كثافتها مما يحولها إلى كتلة حرجة، حيث أن الكتلة الحرجة تقل بازدياد كثافة المادة. وعلى عكس السلاح المدفعيّ، فالمادة الانشطارية هنا لا تتحرك مسافة طويلة، بالتالي تتكون الكتلة فوق الحرجة بوقت أقل بكثير مما يسمح باستخدام ذلك البلوتونيوم ذو الشوائب الذي يمتلك معدل انشطار تلقائي عالٍ. وفي أغسطس 1944م، طَبَّق أوبينهايمر إعادة تنظيم شاملة في منشأة لوس ألاموس للتركيز على تطوير سلاح الانبجار. وجعل مجموعة عمل واحدة فقط تعمل على تطوير سلاح مدفعي بتصميم أبسط يجب عليه فقط التعامل مع نظير اليورانيوم-235 كمادة انشطارية، حيث يُعْتَبَر تصنيعه أسهل ويخرج بدرجة نقاء أعلى من البلوتونيوم أي أن المادة يكون فيها نسبة أقل من النظائر التي من الممكن أن تُخَرِّب العملية. وأنتجت مجموعة العمل هذه ما أصبح يُعْرَف باسم الولد الصغير في فبراير 1945م. وبعد مجهود بَحْثِيّ هائل، وُضِعَتْ الصيغة النهائية للتصميم الأعقد لسلاح الانبجار -المعروف باسم "أداة كريستي" تَيَمُّنًا بروبرت كريستي طالب آخر لأوبينهايمر- في اجتماع دار في مكتب أوبينهايمر بتاريخ 28 فبراير 1945م.
وفي مايو 1945م، تَشكَّلَتْ لجنة مؤقتة لإسداء المشورة وتقديم التقارير الخاصة بسياسات فترة الحرب وما بعد الحرب فيما يتعلق باستخدام الطاقة النووية. وأَسَّسَتْ اللجنة المؤقتة فريق خبراء عِلْمِيّ يتكون من أوبينهايمر وآرثر كومبتون وفيرمي ولورينس لتقديم المشورة في المسائل العلمية. وفي العرض التقديمي الذي قدمه هذا الفريق أمام اللَّجنة المؤقتة، قدَّم الفريق رأيه ليس فقط في الآثار المادية المُحْتَمَلَة للقنبلة الذرية وحَسْب بل وأيضًا في تأثيراتها العسكرية والسياسية المحتملة. وتَضَمَّن ذلك آراءًا في مسائل حساسة مثل إن كان يجب إخطار الاتحاد السوفييتي بالسلاح قبل استخدامه ضد اليابان.