Manhattan-projekti

Manhattan-projekti ("Manhattan Project") oli Yhdysvaltain käynnistämä toisen maailmansodan aikainen ohjelma, jonka tavoitteena oli kehittää ydinase. Tavoite saavutettiin 27 kuukauden työn jälkeen. Työhön osallistui 129 000 työntekijää: joista 84 500 oli rakentajia, 45 000 erilaisilla tehtailla ja tuotantolaitoksilla työskenteleviä, lisäksi 1 800 armeijan palveluksessa olevaa. Projektiin uhrattiin 2 mrd. silloista Yhdysvaltain dollaria (USD). Lokakuussa 1942 käynnistettiin Los Alamosin ydintutkimuslaboratorio, jonka ”kätilönä” toimi Vannevar Bush.
Ydinaseprojektin luominen.
Suhteellisuusteorian kehittäjä Albert Einstein kirjoitti 2. elokuuta 1939 Yhdysvaltain presidentti Franklin D. Rooseveltille kirjeen, jossa hän kertoi Saksasta kantautuneiden tietojen pohjalta atomipommin rakentamisen olevan mahdollista. Yleisen käsityksen mukaan Einstein myönsi tukensa ydinpommin kehittämiselle ja atomitutkimukselle. Einstein allekirjoitti itse ja laati fyysikko Leo Szilardin kanssa kirjeen presidentti Rooseveltille. Einstein tiedosti mahdollisen vaaran, jonka natsi-Saksa muodostaisi jos se onnistuisi saamaan ydinaseen ensimmäisenä. Vaikka Einstein katsoi olevansa pasifisti, hän piti voimankäyttöä joskus tarpeellisena ja kannatti yhdysvaltalaisten atomitutkimusta ja atomipommitutkimusta. Itse kirjeessä Rooseveltille korostettiinkin eritoten natsi-Saksan atomitutkimuksen verkkaista etenemistä, ja kehotettiin Yhdysvaltoja panostamaan atomitutkimukseen. Samassa kirjeessä nostettiin esille mahdollisen atomipommin suuri tuhovoima, sekä fissioreaktion mahdollisuudet energiantuotantoa varten.
Vasta toisen maailmansodan jälkeen Einstein tuli katumapäälle koska oli tukenut vuonna 1939 atomipommin kehittämistä. Haastattelussa Einstein oli todennut, että jos hän olisi tiennyt natsien atomipommiprojektin epäonnistuvan, niin Einstein ei olisi tuolloin tukenut atomipommin kehittämistä kirjeellään. Einstein kuitenkin oli jo vuonna 1939 pitänyt natsi-Saksaa pahana uhkana, joten atomipommin tukemista amerikkalaisille hän ei pitänyt yhtä huonona vaihtoehtona.
Einstein ei osallistunut lähemmin huippusalaiseen Manhattan-projektiin. Amerikkalaiset sotilasviranomaiset pitivät Einsteinia turvallisuusriskinä hänen vasemmistolaisten mielipiteidensä takia.
Vuonna 1939 Otto Hahn, Lise Meitner ja Fritz Strassmann olivat tehneet Saksassa kokeita, joissa todettiin uraaniytimien halkeavan neutronipommituksessa.
Manhattan-projektia johtivat fyysikko Robert Oppenheimer ja armeijan puolelta pioneerikenraali Leslie Groves. Pommin rakentaminen edellytti lukuisia tutkimuksia ja keksintöjä. Hankkeeseen värvättiin mukaan suuri määriä ihmisiä ja laitoksia. Erilaiset kaupalliset yritykset, kuten esimerkkinä mainiten: Bechtel, B&amp;W (Babcock and Wilcox), Union Carbide, Kellex Co. (nyk. KBR) sekä Monsanto ja DuPont osallistuivat nekin tähän suurimittaiseen projektiin. Työt aloitettiin alkuvuodesta 1939: ensin perustamalla erityiskomitea ("Interim Committee") — joka oli suoraan vastuullinen Yhdysvaltain presidentille, ja ostamalla 6 000 dollarin arvosta grafiittia, jota tarvittiin hallitun ydinfission hidastimena.
Käänteentekevä tapahtuma lienee ollut Niels Bohrin vierailu Yhdysvalloissa Princetonin yliopiston kutsumana 16. tammikuuta 1939.
Ydinaseiden tuotantoon tarvittavaa materiaalia eli pikivälkettä: "luonnonuraani"a, ei saatu vielä tuolloin ainakaan riittävästi Yhdysvalloista, vaan sitä tuotettiin Kanadasta: Suuren Karhujärven La Bienesta sekä Afrikasta: Belgian Kongosta.
Kehittäminen ja testaus.
Huomattiin, että rikastetun uraanin lisäksi myös plutoniumia voitiin käyttää pommimateriaalina. Enrico Fermi suoritti 2. joulukuuta 1942 hankkeen kannalta välttämättömän ketjureaktiokokeen, jonka pelättiin riistäytyvän käsistä, mutta joka kuitenkin pysyi hallinnassa. Fermi oli valinnut tarkasti miehet, jotka hoitivat ohjaussauvoja. Lisäksi miilun yläpuolelle oli sijoitettu erityiselle telineelle itsemurharyhmäksi kutsuttu neljän miehen ryhmä, joiden vieressä oli neljä sadan litran pullollista väkevöityä kadmiumliuosta. Jos reaktio olisi voimistunut hallitsemattomaksi, miehet olisivat murskanneet pullot – tämä olisi kuitenkin merkinnyt käytännössä reaktorin tuhoa.
Reaktorin kolme säätötankoa kuitenkin toimivat täysin lasketusti, ja määräaikaan Fermi määräsi apulaisensa Walter Zinnin laskemaan köydellä ohjatun säätötangon alas, mikä hiljensi reaktion.
Ensimmäinen atomimiilu ("CP-1" eli "Chicago Pile 1") oli syntynyt. Ohjelmassa tutkittiin muutamaa uraanin rikastamismenetelmää, joista Harold Clayton Ureyn johdolla toteutettu kaasudiffuusio osoittautui käyttökelpoisemmaksi, kuin kilpaileva "sähkömagneettinen diffuusio". Kaasudiffuusion hyödyntämiseksi oli rakennettava valtava erottelutehdas. Plutonium, jota syntyy atomimiilussa (ydinreaktorissa) erotellaan niin sanotussa jälleenkäsittelyssä. Tämäkin ala vaati omat keksintönsä. Niistä eräs merkittävin oli uraaniheksafluoridin (UF6) käyttöönotto.
Tammikuuhun 1945 mennessä, aloitti toimintansa Hanford Site:n plutoniumin erottelulaitos ja Oak Ridgen rikastuslaitos. Hanford Site:n rakennustyöt aloitettiin kesäkuussa 1943, 1. yksikkö käynnistettiin syyskuussa 1944, ja 3. patteri valmistui vuoden 1945 alussa. Teho ylitti 1 milj. kW. Havaittiin, ettei plutoniumpommista kannata käytännössä tehdä tykkityyppistä, koska tykistä tulisi epäkäytännöllisen pitkä sekä niin painava, ettei sitä voitaisi kuljettaa pommikoneessa. Siten hylättiin Mk.2 -tyypin "Thin Man".
Atomipommin räjäytystä edelsi monia laboratoriokokeita, joissa muun muassa etsittiin sopivat muodot räjähdelinsseille, jotka taittavat sytyttimestä lähtevät shokkiaallot kohti pallon keskipistettä. Räjähdelinssissä on sekä hidasta että nopeaa räjähdettä. Fissioasetta päästiin kuitenkin testaamaan vasta kesällä 1945, jolloin sota Euroopassa oli jo loppunut. Ennen atomipommia räjäytettiin kokeeksi radioaktiivisella aineella suolattu 108 tonnin räjähdelataus eli ns. ”sadan tonnin testi”.
Trinity-koe.
Uraanipommia ei katsottu tarpeelliseksi testata koeräjäytyksellä. Pommin toimintaa eli lähinnä kriittisen massan suuruutta, kuitenkin mallinnettiin erilaisin testein, joista osa oli vaarallisia.
Plutonium-pommi oli sen sijaan rakenteeltaan niin monimutkainen, että sen toiminta haluttiin varmistaa koeräjäytyksellä. Luvun laskijana ”count downiin” oli toiminut Samuel K. Allison. Plutoniumin tuotantoon vaadittiin puhdasta alumiinia.
Alamogordossa 30 metriä korkeassa terästornissa (koordinaatit ) 16. heinäkuuta 1945 suoritettu ensimmäinen koeräjäytys – koodinimeltään Trinity (kolminaisuus) – onnistui hyvin.
Pommi oli läpimitaltaan noin 1,5-metrinen pallo, jonka kyljessä oli räjäytyslaite. Pallo koostui pääosin räjähteistä, joiden keskellä oli noin 6,2 kilogrammaa painava plutoniumpallo, jonka läpimitta oli yhdeksän senttimetriä. Kahdesta eri räjähdetyypistä muotoillut ”linssit” puristivat räjähtäessään plutoniumpallon kriittiseksi, jolloin ketjureaktio alkoi. Ketjureaktio kiihtyi räjähdykseksi, josta vapautunut energia nosti lämpötilan kymmeneen miljoonaan asteeseen.
Ulospäin räjähdys näkyi aluksi sokaisevana välähdyksenä, johon osattiin varautua: tarkkailijoilla oli suojalasit. Ensimmäisen kokeen voimaksi arvioitiin ennalta 5–10 kilotonnia TNT:tä. Pommin voima kuitenkin yllätti tiedemiehetkin, sillä räjähdys oli useita kertoja suunniteltua voimakkaampi, sen teho vastasi 20–22 kilotonnia. Räjähdys oli niin voimakas, että se rikkoi monia mittalaitteita.
Pommin välähdys nähtiin noin 300 kilometrin päähän ja se oli 30 kilometrin päässä useita keskipäivän Aurinkoja kirkkaampi, niin että se kykeni sokeuttamaan ihmisen tilapäisesti noin 15 kilometrin päästä. Välähdys muuttui nopeasti laajenevaksi tulipalloksi, joka kasvoi kahdessa sekunnissa 600 metrin läpimittaiseksi ja lopulta 1,5-kilometriseksi. Tulipallon sisällä tapahtuva kaasun virtaus muutti tulipallon hehkuvaksi pilveksi, johon syntyi maasta imeytyvästä aineesta koostuva kanta. Kun tulipallo kohosi ja jäähtyi, räjähdys näytti sienipilveltä ja lopulta pilarilta. Sitten eri suunnilta puhaltavat tuulet hajottivat pilven eri suuntiin. Pilvi kohosi viidessä minuutissa noin 12 kilometrin korkeuteen. Ääni kuultiin ainakin 160 kilometrin päähän.
Pommin alustana ollut terästorni haihtui valtaosin: siitä jäi maan pinnalle vain vääntynyttä terästä ja betonia. Kaikki kasvillisuus hävisi matalasta 80 metrin säteisestä kraatterista, joka vietti lievästi keskustaa kohti. Kraatteri syntyi pääosin pommin paineaallon puristuksesta. Kraatterin keskellä oli noin 50 metrin läpimittainen matala malja, jonka syvyys oli 2 metriä. Pommi ei kaivanut suurta kuoppaa, sillä sitä ei räjäytetty aivan maan pinnalla. Radioaktiivinen laskeuma silti syntyi.
Merkittävää radioaktiivisuutta ei havaittu räjäytyspaikan läheisyydessä, mutta kauempana laskeuma oli paikoin huomattavan voimakas. Radioaktiivisuutta havaittiin ainakin 160 kilometriä pitkällä ja 50 kilometriä leveällä alueella. Noin 30 kilometrin päässä havaittiin ”kuuma kohta”, jossa oli runsaasti säteilyä. Joitakin evakuointeja tehtiin, muttei siirretty esimerkiksi 900 metrin päästä ”Kuumasta kanjonista” sijaitsevaa Ratcliffin perhettä.
Ydinaseen käyttö.
Pian tämän jälkeen keskusteltiin siitä, voitaisiinko atomiasetta käyttää Japania vastaan. Monet vastustivat ajatusta, mutta lopulta päädyttiin pudottamaan kaksi pommia. Pommituskohteiksi valittiin 16. huhtikuuta 1945 Hiroshima, Niigata, Kokura ja Nagasaki. Nämä kaupungit säästettiin tavanomaisilta pommituksilta, jotta atomipommin vaikutukset pystyttäisiin mittaamaan. Sotaministeri Henry L. Stimson hylkäsi listalta Kioton, jota prikaatikenraali Groves oli ehdottanut.