Лабораторія Лос Аламос, також відома під назвою Проєкт Y, була секретною лабораторією, започаткованою в рамках Мангеттенського проєкту під час Другої світової війни і знаходилася під керуванням Каліфорнійського університету. Її завданням було розробити і побудувати . Першим її директором був Роберт Оппенгеймер, в період від 1943 до грудня 1945, потім його замінив Норріс Бредбері. Для того, щоб вчені могли вільно комунікувати про проведення своєї роботи але в той же час зберігати безпеку, лабораторія знаходилася у віддаленій частині Нью-Мексико. Під час війни лабораторія займала будівлю, яка колись була частиною школи Ранчо Лос Аламос.
Початково зусилля розробників були зосереджені на зброї із ядерним поділом гарматного типу із використанням плутонія, що називалася Худий (англ. Thin Man). В квітні 1944, в лабораторії Лос Аламос визначили, що швидкість спонтанного поділу плутонію в ядерному реакторі була занадто великою через присутність плутонію-240 і спричинило б предетонацію, ланцюгову ядерну реакцію до того як ядро було б повністю зібране. Згодом Оппенгеймер реорганізував лабораторію і все ж таки організував зрештою успішну спробу щодо альтернативної розробки запропонованої Джоном фон Нейманом, ядерної зброї імплозійного типу, вона мала назву Товстун. Варіант із ядерним поділом гарматного типу, що відомий під назвою Малюк було розроблено із використанням урану-235.
Хіміки із лабораторії Лос Аламос розробили методи очищення урану і плутонію, останній метал існував лише в мікроскопічних кількостях коли розпочався Проєкт Y. Металурги виявили, що плутоній мав неочікувані властивості, але з рештою спромоглися перетворити його у металеву сферу. В лабораторії побудували Водяний Бойлер (англ. Water Boiler), , що став третім в світі робочім реактором. Тут також досліджували термоядерну бомбу Супер, яка б використовувала бомбу із ядерним розкладом для запалення реакції ядерного синтезу у дейтерії і тритії.
Бомбу Товстун випробували у ядерному випробуванні Трініті в липні 1945. Персонал проєкту Y сформував команди для формування ядер і команди по збору бомб, які використали атомному бомбардуванні Хіросіми і Наґасакі і брали участь у бомбардуванні як зброярі і спостерігачі. Після закінчення війни, лабораторія працювала над підтримкою Операції «Кросроудс» — ядерних випробуваннях у атолі Бікіні. Для контролю за випробуваннями було створено новий Підрозділ Z, накопичення зарядів і збірка бомб були зосереджені на . Лабораторія Лос Аламос в 1947 стала називатися Лос-Аламоською національною лабораторією.
Передумови і походження
Ядерний поділ та атомні бомби Відкриття нейтрона Джеймсом Чедвіком в 1932, після якого відбулося відкриття реакції поділу ядра німецькими хіміками Отто Ганом і Фріцом Страссманом в 1938, і його теоретичного пояснення (і назви), яке трохи згодом зробили Ліза Майтнер і Отто Роберт Фріш, відкрило можливість здійснювати контрольовану ланцюгову ядерну реакцію із використанням урану. В ті часи в Сполучених Штатах декілька науковців припускали можливе практичне створення ядерної зброї,, але можливість того, що атомну зброю можуть створити в рамках Німецької ядерної програми дуже турбувало науковців, які були біженцями із Нацистської Німеччини й інших фашистських країн, і вони написали лист Ейнштейна-Сіларда аби попередити про це президента Франкліна Рузвельта. Це спонукало тому, що попередні дослідження почалися в Сполучених Штатах вже наприкінці 1939 р.
В Сполучених Штатах прогрес відбувався повільно, але у Великій Британії два фізики, що були біженцями з Німеччини: Отто Фріш і Рудольф Пайєрлс, в Бірмінгемському університеті, вивчали теоретичні питання пов'язані із розробкою, виробництвом і використанням атомних бомб. Вони розглянули що станеться із сферою чистого урану-235, і встановили що може не тільки відбутися ланцюгова реакція, але й що достатньо буде лише 1 кг урану-235 аби звільнилося стільки енергії, що буде еквівалентно сотням тон тротила. Їхній начальник, Марк Оліфант, відніс написаний ними меморандум Серу , голові комітету з наукового спостереження повітряної боротьби (CSSAW), який в свою чергу передав його Джорджу Педжету Томсону, якому CSSAW делегувала відповідальність за дослідження урану. CSSAW створили аби дослідити це. У своєму фінальному звіті липня 1941 р., комітет MAUD прийшов до висновку, що ядерна зброя є не тільки реально здійсненною, але і може бути створена уже в 1943 р. У відповідь, уряд Великої Британії створили проєкт із ядерної зброї відомий під назвою Tube Alloys.
Сполучені Штати досі мало квапилися, оскільки на відміну від Британії вони досі не були втягнуті в Другу світову війну, тому Оліфант полетів туди в кінці серпня 1941, і вів розмови із американськими науковцями, в тому числі із своїм другом Ернестом Лоуренсом в Університеті Каліфорнії. Йому не тільки вдалося переконати їх в можливості створення атомної бомби, але і спонукати Лоренса перетворити свій 37 см циклотрон у гігантський мас-спектрометр для розділення ізотопів— техніка, яку Оліфант освоїв в 1934. В свою чергу, Лоуренс залучив свого друга і колегу Роберта Оппенгеймера перевірити фізичні викладки звіту комітету MAUD, що був обговорений при зустрічі в в Скенектаді, Нью-Йорк, 21 жовтня 1941.
У грудні 1941, Підрозділ S-1 Управління з наукових досліджень та розробок (OSRD) назначили Артура Комптона головним відповідальним за розробку бомби. Він делегував завдання з проєктування бомби і дослідження з розрахунку швидких нейтронів — що було ключовим для розрахунку критичної маси і детонації—Грегорі Брейту, посаду якого почали називати «Координатор із Швидкого Розриву», а Оппенгеймера назначили його помічником. Але Брейт не знайшов згоди із іншими науковцями, які працювали в Металургійній лабораторії, зокрема з Енріко Фермі, з приводу заходів безпеки, і звільнився 18 травня 1942. Комптон згодом назначив замість нього Оппенгеймера. А , фізика із Металургійної Лабораторії, було назначено помічником Оппенгеймера, для зв'язку і координації із групами фізиків експериментаторів, що були розкидані по країні. Оппенгеймер і Роберт Сербер із Іллінойського Університету дослідили задачі дифузії нейтронів — як нейтрони рухаються при ядерній ланцюговій реакції — і гідродинаміку — як може поводитися вибух, який створюється ланцюговою реакцією.
Ідеї конструкції бомби
Для розгляду цієї роботи і загальної теорії реакцій поділу Оппенгеймер і Фермі збирали зустрічі в Чиказькому університеті у червні та у Каліфорнійському університеті в Берклі у липні, до яких залучили теоретичних фізиків Ганса Бете, Джона ван Флека, Едварда Теллера, Еміля Конопінські, Роберта Сербера, Стена Франкеля і Ельдреда Нельсона, три останніх були колишніми студентами Оппенгеймера, і експериментальних фізиків Еміліо Сегре, Фелікса Блоха, Франко Різетті, Джона Менлі, і Едвіна Макміллана. Вони невпевнено підтвердили, що бомба внаслідок поділу ядра є теоретично можливою.
Але досі існувало багато невідомих факторів. Властивості чистого урану-235 були порівняно невідомі; тим більше плутонія — елементу, який лише нещодавно було відкрито Гленом Сіборгом і його командою в лютому 1941, але який теоретично був розщеплюваним. Науковці конференції в Берклі передбачили можливість отримання плутонію у ядерному реакторі із атомів урану-238, які поглинають нейтрони із атомів урану-235 що розділилися. На даний момент не існувало жодного побудованого реактору, а плутоній був доступний лише в мікроскопічних кількостях, які було отримано за допомогою циклотронів.
Існувало багато способів формування матеріалу розпаду у критичну масу. Найпростішим методом було відстрілювання «циліндричної пломби» у сферу з «активного матеріалу» із «нейтронним рефлектором» — щільним матеріалом який би сфокусував нейтрони в середину і зберігав би реактивну масу разом для збільшення її ефективності. Вони також розглядали конструкції із використанням сфероїдів, примітивної форми «імплозії», яку запропонував Річард Толмен, і можливість використання автокаталізуючих методів, які б збільшили ефективність бомби при вибуху.
Із огляду на те, що ідея бомби із ядерним розщепленням теоретично була узгоджена—принаймні поки ще не було отримано більше експериментальних даних—обговорення на конференції в Берклі згодом повернулося в інший бік. Едвард Теллер підштовхував до обговорення більш потужної бомби: яку назвали «Супер» (англ. «Super»), яку сьогодні знають як «термоядерну бомбу», яка б використовувала вибухову силу здетонованої бомби розпаду для запалення реакції ядерного синтезу між дейтерієм і тритієм. Теллер пропонував схему за схемою, але Бете відкинув кожну з них. Ідею синтезу було відкладено аби зосередити увагу на бомбах із розщепленням. Теллер також озвучив умоглядну можливість, що атомна бомба може «запалити» атмосферу припустивши гіпотетично можливу реакцію злиття ядер азоту, але Бете розрахував що цього не може відбутися, і навів звіт у співавторстві із Теллером в якому показав що «ніякої самовідтворювальної ланцюгової ядерної реакції, швидше за все, не може відбутися».
Концепція лабораторії Своєрідне керування Оппенгеймером липневою конференцією вразило його колег; його розуміння та здатність керувати і знаходити мову навіть з найважчими людьми вразили навіть тих хто добре його знав. В результаті конференції, Оппенгеймер побачив, що вони досить добре опанували фізику, але досі необхідна значна робота із інженерії, хімії, металургії і артилерійських аспектів з побудови атомної бомби. Він переконався, що розробка бомби потребує середовища, у якому люди змогли б вільно обговорювати задачі і таким чином зменшити марнотратне повторення і дублювання зусиль. Він аргументував, що з точки зору безпеки було б найкраще створити центральну лабораторію у ізольованій місцевості.
Директором Мангеттенського проєкту 23 вересня 1942 став бригадний генерал Леслі Гровз. Він відвідав Берклі аби побачити калютрони Лоуренса, і зустрівся з Оппенгеймером, який надав йому звіт про розробку бомби 8 жовтня. Гровз зацікавився пропозицією Оппенгеймера щодо створення окремої лабораторії з розробки бомби. Коли вони знову зустрілися в Чикаго тиждень поспіль, він запросив Оппенгеймера обговорити це питання. Гровз повинен був встигнути на поїзд до Нью-Йорка, тому пів попросив Оппенгеймера скласти йому компанію, аби вони могли продовжити розмову. Гровз, Оппенгеймер, і Джеймс Маршалл та лейтенант полковник Кеннет Нікольс всі зібралися в одному тісному купе де вони обговорити як можна створити лабораторію для створення бомби, і як вона функціонуватиме. Згодом Гровз запросив Оппенгеймера до Вашингтона, де той обговорював це питання із Веннівером Бушем, директором OSRD, і Джеймсом Б. Конантом, головою Наукового комітету національної оборони (NDRC). 19 жовтня, Гровз затвердив започаткування лабораторії із створення бомби.
Хоча здавалося логічним, що Оппенгеймер є тією людиною, яка мала б очолити лабораторію, що стала відома під назвою «Проєкт Y», він мав не великий адміністративний досвід; Буш, Конант, Лоуренс і Гарольд Юрі всі висловили застереження щодо цього. Крім того, на відміну від інших лідерів проєкту—Лоуренса в Радіаційній лабораторії Берклі, Комптона в металургійному проєкті в Чикаго, і Юрі в SAM Laboratories в Нью-Йорку—Оппенгеймер не мав Нобелівської премії, що викликало занепокоєння, що він не матиме достатнього престижу аби мати справу із видатними вченими. Існували також питання з приводу безпеки; багато із найближчих партнерів Оппенгеймера були активними членами Комуністичної партії, у тому числі і його дружина Кітті, подруга Джин Тетлок, брат Френк і дружина Френка Джекі. Врешті-решт, Гровс особисто видав розпорядження оформити Оппенгеймера 20 липня 1943.
Вибір місця