Enrico Fermi
Manhattan Projesi

Ana madde: Manhattan Projesi
Fermi, 2 Ocak 1939'da New York'a geldi. Kendisine hemen beş üniversiteden pozisyon teklifi geldi ve 1936'da yaz dersleri verdiği Columbia Üniversitesi'nden gelen teklifi kabul etti. Aralık 1938'de Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann'ın, uranyumu nötronlarla bombardıman ettikten sonra baryum elementini keşfettikleri haberini aldı. Lise Meitner ve yeğeni Otto Frisch bunu doğru bir şekilde nükleer fisyonun sonucu olarak yorumladı. Frisch bunu 13 Ocak 1939'da deneysel olarak da doğruladı. Meitner ve Frisch'in Hahn ve Strassmann'ın keşfine dair yorumuna ilişkin haberler, Princeton Üniversitesi'nde ders verecek olan Niels Bohr ile Atlantik'i aştı. Princeton'da çalışan Columbia Üniversitesi'nden iki fizikçi olan Isidor Isaac Rabi ve Willis Lamb bunu öğrendiler ve onu Columbia'ya taşıdılar. Rabi, Enrico Fermi'ye söylediğini söyledi ancak Fermi daha sonra övgüyü Lamb'e verdi:
Pupin Laboratuvarları'nda çalışmaya başladığım ilk ay olan Ocak 1939'u çok iyi hatırlıyorum çünkü her şey çok hızlı gelişiyordu. O dönemde Niels Bohr, Princeton Üniversitesi'nde bir konferanstaydı ve bir öğleden sonra Willis Lamb'in çok heyecanlı bir şekilde geri döndüğünü ve Bohr'un harika bir haber sızdırdığını söylediğini hatırlıyorum. Dışarıya sızan harika haber, fisyonun keşfi ve tanımının genel bir fikrini içeriyordu. Daha sonra, aynı ayın sonlarında, Washington'da, yeni keşfedilen fisyon olgusunun muhtemel öneminin, olası bir nükleer enerji kaynağı olarak ilk kez yarı şakacı bir şekilde tartışıldığı bir toplantı yapıldı.
Sonuçta Noddack'ın haklı olduğu kanıtlanmıştı. Fermi, yaptığı hesaplamalara dayanarak fisyon olasılığını göz ardı etmişti ancak tek sayıda nötron içeren bir nüklitin fazladan bir nötron absorbe etmesi durumunda ortaya çıkacak bağlanma enerjisini hesaba katmamıştı. Fermi için bu haber derin bir utanç kaynağı oldu, zira keşfettiği için kısmen Nobel Ödülü'ne layık görülen uranyum ötesi elementler hiç de uranyum ötesi elementler değil, fisyon ürünleriydi. Daha sonra Nobel Ödülü kabul konuşmasına bu yönde bir dipnot ekledi.
Columbia'daki bilim insanları, nötron bombardımanına uğrayan uranyumun nükleer fisyonunda açığa çıkan enerjiyi tespit etmeye çalışmaları gerektiğine karar verdiler. 25 Ocak 1939'da Columbia'daki Pupin Hall'un bodrum katında Fermi'nin de aralarında bulunduğu bir deney ekibi Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk nükleer fisyon deneyini gerçekleştirdi. Ekibin diğer üyeleri Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, G. Norris Glasoe ve Francis G. Slack'tan oluşuyordu. Ertesi gün, George Washington Üniversitesi ve Washington Carnegie Enstitüsü'nün ortak himayesinde Washington DC'de Beşinci Washington Teorik Fizik Konferansı başladı. Bu konferansta nükleer füzyonla ilgili haberler daha da yayıldı ve daha birçok deneysel gösterime yol açtı.
Fransız bilim adamları Hans von Halban, Lew Kowarski ve Frédéric Joliot-Curie, nötron bombardımanına tabi tutulan uranyumun absorbe ettiğinden daha fazla nötron yaydığını gösterdiler ve bu da bir zincirleme reaksiyon olasılığını akla getirdi. Fermi ve Anderson da birkaç hafta sonra aynısını yaptılar. Leó Szilárd, Kanadalı radyum üreticisi Eldorado Gold Mines Limited'dan 200 kilogram (440 lb) uranyum oksit elde etti ve bu, Fermi ve Anderson'ın çok daha büyük ölçekte fisyon deneyleri yürütmesine olanak tanıdı. Fermi ve Szilárd, kendi kendini idame ettirebilen bir nükleer reaksiyona ulaşmak için bir cihazın (bir nükleer reaktör) tasarımı üzerinde işbirliği yaptı. Nötronların sudaki hidrojen tarafından emilme hızı nedeniyle, doğal uranyum ve nötron moderatörü olarak su ile kendi kendine devam eden bir reaksiyonun başarılması pek mümkün değildi. Fermi, nötronlarla yaptığı çalışmalara dayanarak reaksiyonun su yerine uranyum oksit blokları ve moderatör olarak grafit ile gerçekleştirilebileceğini öne sürdü. Bu, nötron yakalama oranını azaltacak ve teoride kendi kendini sürdürebilen bir zincirleme reaksiyonu mümkün kılacaktı. Szilárd işe yarar bir tasarım ortaya attı: grafit tuğlalarla serpiştirilmiş bir yığın uranyum oksit bloku. Szilárd, Anderson ve Fermi "Uranyumda Nötron Üretimi" üzerine bir makale yayınladılar. Ancak çalışma alışkanlıkları ve kişilikleri farklıydı ve Fermi, Szilárd'la çalışmakta zorluk çekiyordu.
Fermi, 18 Mart 1939'da Deniz Kuvvetleri Bakanlığı'nda konu hakkında bir konferans vererek askeri liderleri nükleer enerjinin potansiyel etkisi konusunda uyaran ilk kişiler arasındaydı. Donanma Columbia'daki araştırmalarına 1500 dolarlık yardımda bulunmayı kabul etmelerine rağmen verdikleri cevap yine de Fermi için yeterli değildi. Aynı yılın ilerleyen aylarda Szilárd, Eugene Wigner ve Edward Teller, Einstein tarafından imzalanan mektubu ABD başkanı Franklin D. Roosevelt'e göndererek, Nazi Almanyasının atom bombası yapma ihtimalinin yüksek olduğu uyarısında bulundu. Buna yanıt olarak Roosevelt, konuyu araştırmak üzere Uranyum Danışma Komitesi'ni kurdu.
Uranyum Danışma Komitesi, Fermi'ye grafit satın alması için para sağladı ve o, Pupin Hall laboratuvarının yedinci katına bir yığın grafit tuğla inşa etti. Ağustos 1941'e gelindiğinde elinde altı ton uranyum oksit ve otuz ton grafit vardı ve bunları Columbia'daki Schermerhorn Hall'da daha da büyük bir yığın oluşturmak için kullandı.
Artık Uranyum Danışma Komitesi olarak bilinen Bilimsel Araştırma ve Geliştirme Ofisi'nin S-1 Bölümü, 18 Aralık 1941'de ABD'nin artık II. Dünya Savaşı'na girmesiyle bir araya gelerek çalışmalarını acil hale getirdi. Komitenin desteklediği çabaların çoğu zenginleştirilmiş uranyum üretmeye yönelikti ancak Komite üyesi Arthur Compton uygun bir alternatifin 1944'ün sonuna kadar nükleer reaktörlerde seri olarak üretilebilecek plütonyum olduğuna karar verdi. Plütonyum çalışmalarını Chicago Üniversitesi'nde yoğunlaştırmaya karar verdi. Fermi gönülsüzce taşındı ve ekibi oradaki yeni Metalurji Laboratuvarı'nın bir parçası oldu.
Kendi kendinei devam ettirebilen bir nükleer reaksiyonun olası sonuçları bilinmiyordu, bu nedenle ilk nükleer reaktörün şehrin ortasındaki Chicago Üniversitesi kampüsünde inşa edilmesi pek de uygun gözükmüyordu. Compton, Chicago'dan yaklaşık 30 kilometre (19 mi) uzaklıktaki Argonne Doğa Koruma Alanı'nda bir yer buldu. Sahayı inşa etmek için Stone & Webster ile sözleşme imzalandı ancak iş endüstriyel bir anlaşmazlık nedeniyle durduruldu. Fermi daha sonra Compton'u, reaktörü Chicago Üniversitesi'nin Stagg Field sahasının altındaki squash kortunda inşa edebileceğine ikna etti. Kazık inşaatı 6 Kasım 1942'de başladı ve Chicago Pile-1, 2 Aralık'ta kritik hale geldi. Yığın şeklinin kabaca küresel olması amaçlanmıştı ancak çalışma ilerledikçe Fermi, kürenin tamamını inşa etmeden de kritikliğin elde edilebileceğini hesapladı.
Bu deney enerji arayışında bir dönüm noktasıydı ve Fermi'nin yaklaşımının tipik bir örneğiydi. Her adım dikkatlice planlandı ve her hesaplama titizlikle yapıldı. Kendi kendine yeten ilk nükleer zincirleme reaksiyon gerçekleştiğinde Compton, Ulusal Savunma Araştırma Komitesi başkanı James B. Conant'la şifreli bir telefon görüşmesi yaptı.
Telefonu alıp Conant'ı aradım. Ona Harvard Üniversitesi Rektörü'nün ofisinde ulaştım. "Jim," dedim, "İtalyan kaşifin yeni dünyaya ulaştığını öğrenmek hoşuna gidecektir. Sonra, önceden komiteyi daha bir haftalık işimiz olduğuna inandırdığım için özür dileyerek "Dünya sandığımız kadar büyük değilmiş, oraya çok erken ulaştı," diye ekledim. Conant "Demek öyle. Yerliler arkadaş canlısı mıydı peki?" diye sordu. Ben de 'herkes sağ salim ulaştı," dedim."
Araştırmanın halk sağlığına tehlike oluşturmayacağı bir yerde devam etmesi için reaktör sökülerek Argonne Woods tesisine taşındı. Fermi orada, reaktörün bol miktarda serbest nötron üretiminin sağladığı fırsatlardan keyif alarak nükleer reaksiyonlar üzerine deneylerine devam etti. Laboratuvar kısa sürede fizik ve mühendislikten ayrılarak reaktörü biyolojik ve tıbbi araştırmalar için kullanmaya başladı. Başlangıçta Argonne, Chicago Üniversitesi'nin bir parçası olarak Fermi tarafından yönetiliyordu, ancak Mayıs 1944'te Fermi'nin yöneticisi olduğu ayrı bir kuruluş haline geldi.
Oak Ridge'deki hava soğutmalı X-10 Grafit Reaktörü, 4 Kasım 1943'te kritik duruma geçtiğinde, bir şeyler ters giderse diye Fermi hazırdı. Teknisyenler, olup biteni görebilmesi için onu erkenden uyandırdı. X-10'un çalışır hale getirilmesi plütonyum projesinde bir başka dönüm noktasıydı. Reaktör tasarımına ilişkin veriler sağladı, DuPont personeline reaktör işletimi konusunda eğitim verdi ve reaktörde üretilen plütonyumun ilk küçük miktarlarını üretti. Fermi, yasanın izin verdiği en erken tarih olan Temmuz 1944'te Amerikan vatandaşı oldu.
Eylül 1944'te Fermi, ilk uranyum yakıt parçasını, büyük miktarlarda plütonyum üretmek için tasarlanmış üretim reaktörü olan Hanford Sahası'ndaki B Reaktörü'ne yerleştirdi. X-10 gibi bu da Fermi'nin Metalurji Laboratuvarı'ndaki ekibi tarafından tasarlanmış ve DuPont tarafından yapılmıştı ancak çok daha büyüktü ve su soğutmalıydı. Sonraki birkaç gün içinde 838 tüp yüklendi ve reaktör kritik hale geldi. 27 Eylül gece yarısından kısa bir süre sonra operatörler, üretimi başlatmak için kontrol çubuklarını geri çekmeye başladı. İlk başta her şey yolunda görünüyordu ancak saat 03.00 civarında güç seviyesi düşmeye başladı ve 06.30 itibarıyla reaktör tamamen kapanmıştı. Ordu ve DuPont cevaplar için Fermi'nin ekibine başvurdu. Soğutma suyunda sızıntı veya kirlenme olup olmadığı araştırıldı. Ertesi gün reaktör aniden tekrar çalışmaya başladı ancak birkaç saat sonra tekrar kapandı. Sorunun, yarı ömrü 9,1 ila 9,4 saat olan bir fisyon ürünü olan ksenon-135 veya Xe-135'ten kaynaklanan nötron zehirlenmesinden kaynaklandığı belirlendi. Fermi ve John Wheeler, Xe-135'in reaktördeki nötronları emerek fisyon sürecini sabote etmekten sorumlu olduğu sonucuna vardı. Fermi'ye meslektaşı Emilio Segrè tarafından, Physical Review tarafından yayınlanmak üzere bu konuyla ilgili basılı bir taslak hazırlarken Chien-Shiung Wu'ya sorması önerildi. Taslağı okuduktan sonra Fermi ve bilim insanları şüphelerini doğruladılar: Xe-135 gerçekten de nötronları emiyordu, aslında çok büyük bir nötron kesitine sahipti. DuPont, Metalurji Laboratuvarı'nın, reaktörün daire şeklinde düzenlenmiş 1.500 tüpe sahip olduğu orijinal tasarımından sapmış ve köşeleri doldurmak için 504 tüp eklemişti. Bilim insanları başlangıçta bu aşırı mühendisliği zaman ve para kaybı olarak değerlendirmişlerdi, ancak Fermi, 2.004 tüpün tamamı yüklenirse reaktörün gerekli güç seviyesine ulaşabileceğini ve verimli bir şekilde plütonyum üretebileceğini fark etti.
Nisan 1943'te Fermi, Robert Oppenheimer ile birlikte zenginleştirmeden elde edilen radyoaktif yan ürünlerin Alman gıda kaynaklarını kirletmek için kullanılması olasılığını gündeme getirdi. Arka planda Alman atom bombası projesinin zaten ileri bir aşamada olduğuna dair korku vardı ve Fermi de o zamanlar bir atom bombasının yeterince hızlı geliştirilebileceğine şüpheyle bakıyordu. Oppenheimer, "umut verici" öneriyi, stronsiyum-90 kullanımını öneren Edward Teller ile tartıştı. James B. Conant ve Leslie Groves'a da bilgi verildi ancak Oppenheimer yarım milyon insanı öldürmeye yetecek kadar gıdanın silahla kirlenmesi halinde plana devam etmek istedi.
1944'ün ortalarında Oppenheimer, Fermi'yi Los Alamos, New Mexico'daki Project Y'ye katılmaya ikna etti. Eylül ayında gelen Fermi, nükleer ve teorik fizikten sorumlu laboratuvarın müdür yardımcısı olarak atandı ve kendi adını taşıyan F Ekibi'nin başına getirildi. F Ekibi'nin dört farklı kolu vardı: "Süper" (termonükleer) bombayı araştıran Teller yönetimindeki F-1 Süper ve Genel Teori; "Su kazanı" sulu homojen araştırma reaktörüne bakan L.D.P. King yönetimindeki F-2 Su Kazanı; Egon Bretscher yönetimindeki F-3 Süper Deneyi; ve Anderson yönetimindeki F-4 Fisyon Çalışmaları. Fermi, 16 Temmuz 1945'te Trinity testini gözlemledi ve patlama dalgasına kağıt şeritleri bırakarak bombanın verimini tahmin etmek için bir deney yaptı. Patlamanın etkisiyle savruldukları mesafeyi yürüdü ve verimi on kilotonluk bir TNT olarak hesapladı; gerçek verim yaklaşık 18,6 kilotondu.
Fermi, Oppenheimer, Compton ve Ernest Lawrence ile birlikte Geçici Komite'ye hedef seçimi konusunda tavsiyelerde bulunan bilimsel panelin bir parçasıydı. Panel, atom bombalarının endüstriyel bir hedefe karşı uyarı yapılmadan kullanılacağı konusunda komiteyle aynı fikirdeydi. Los Alamos Laboratuvarı'ndaki diğerleri gibi Fermi de Hiroşima ve Nagazaki'ye atılan atom bombalarını teknik alandaki genel seslendirme sisteminden öğrendi. Fermi, atom bombalarının ulusları savaş başlatmaktan caydıracağına inanmıyordu ve dünya hükûmeti kurma zamanının geldiğini de düşünmüyordu. Bu nedenle Los Alamos Bilim İnsanları Derneği'ne katılmadı.