Już przy narodzinach energetyki jądrowej okazało się, że najtrudniej pokonuje się przeszkody polityczne i administracyjne, bo reaktor może zbudować niemal każdy fizyk.
"Sądzę, że powinienem pana zawiadomić o niesłychanie sensacyjnym nowym osiągnięciu w fizyce jądrowej” - napisał 25 stycznia 1939 r. fizyk Leó Szilárd w liście do amerykańskiego milionera, filantropa i zaciekłego wroga nazistów Lewisa Straussa. „Hahn (niemiecki chemik Otto Hahn - red.) pisze, że podczas bombardowania uranu neutronami stwierdził, że uran pękł” - w prostych słowach objaśniał rzecz, która dla fizyków stanowiła sensację. „Na Wydziale Fizyki w Princeton, gdzie spędziłem ostatnio kilka dni, wielkie poruszenie, jakby ktoś kij wsadził w mrowisko” - donosił. Po czym starał się wytłumaczyć, czemu rozbicie jądra atomu wzbudziło ekscytację. „Przede wszystkim jest oczywiste, że wyzwalana w tej nowej reakcji energia musi być znacznie wyższa niż we wszystkich dotychczas znanych przypadkach (…). To zapewne umożliwia wytwarzanie energii elektrycznej (…), ale nie sądzę, by taka możliwość była szczególnie pociągająca” - pisał, bo coś innego przykuwało jego uwagę. „Widzę inne możliwości. Mogą one prowadzić do otrzymania na wielką skalę energii i pierwiastków promieniotwórczych, ale, niestety, także do produkcji bomb atomowych” - ostrzegał.
Pochodzący z Węgier fizyk twierdził, że na pomysł rozbicia atomu wpadł 12 września 1933 r., przechodząc przez przejście dla pieszych w Londynie. „Światło zmieniło się na zielone i gdy zszedłem na jezdnię, nagle przyszło mi na myśl, że gdybyśmy znaleźli pierwiastek, który rozszczepia się pod wpływem neutronów i który po zaabsorbowaniu jednego neutronu emitowałby dwa, wówczas pierwiastek ten, zgromadzony w wystarczająco dużej ilości, mógłby podtrzymać reakcję łańcuchową” - wspominał. Gdy już znalazł się po drugiej stronie ulicy, stało się dla niego jasne, że reakcja łańcuchowa umożliwia budowę reaktora, emitującego ogromną ilości energii albo też bomby o trudnej do wyobrażenia sile wybuchu. To, co wymyślił, usiłował opatentować. Ale prowadzący sprawę brytyjski urzędnik zapytał - jakiej substancji należy użyć do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej. Na to pytanie Szilárd nie znał odpowiedzi - i wniosek odrzucono.
Ową substancję przypadkiem znaleźli dwaj niemieccy chemicy, okazjonalnie zajmujący się fizyką jądrową. Pod koniec 1938 r. Otto Hahn i Fritz Strassmann prowadzili eksperymenty mające na celu uzyskanie izotopu radu z porcji uranu. Starali się to osiągnąć, napromieniowując pierwiastek wolnymi neutronami. Ku ich konsternacji uran zamienił się w niewielkiej swojej części w o wiele lżejszy bar. Zaskoczony czymś, co działo się wbrew ówczesnej wiedzy, Hahn napisał list do starej przyjaciółki, fizyczki Lise Meitner, która wyemigrowała z Niemiec do Szwecji. „W fizyce jądrowej mieliśmy już tak wiele niespodzianek, że o niczym nie można powiedzieć bez wahania: «To niemożliwe»” - odpisała.
Efekt Hitlera
„Jak może z uranu powstać bar? Nikomu nigdy nie udało się oderwać od jądra żadnych fragmentów większych niż proton czy jądra helu” - notował austriacki fizyk Otto Robert Frisch, którego Lise Meitner (prywatnie jego ciotka) poprosiła o konsultacje. „Wykluczone (…), by jądro uranu pękło. Naprawdę jądro to nie krucha bryłka, którą można rozłupać lub przełamać” - zastanawiał się.
Eksperymentu Hahna i Strassmanna nie dawało się podważyć. Frisch z Meitner doszli więc do wniosku, że jądro atomu uranu musiało się jednak rozpaść na dwa mniejsze. Tak otrzymywano z jednego pierwiastka dwa inne: akurat w tym wypadku bar i krypton. Jednak po zsumowaniu ich wagi okazało się, że jest ona mniejsza niż atomu uranu. Meitner i Frisch odgadli, że różnica ta wynikała z powodu zamiany masy na energię. A więc Albert Einstein miał rację, formując równanie E = mc2. Po rozbiciu jądra atomu część jego masy zamieniała się w promieniowanie niosące olbrzymią ilość energii. Ciotka i jej siostrzeniec nadal nie mogąc w to uwierzyć, skontaktowali się z Nielsem Bohrem, laureatem Nagrody Nobla za odkrycie struktury atomu.
W tym celu Frisch wybrał się do Kopenhagi. „Ledwie zacząłem mówić, uderzył się ręką w czoło i wykrzyknął: «Och, co z nas za idioci! Och, to wspaniałe! Tak musi być!»” - wspominał reakcję Bohra. Uznawany za jednego z największych uczonych swoich czasów fizyk potwierdził i rozwinął hipotezę, postawioną przez Meitner i Frischa. „Jestem teraz właściwie pewna, że rzeczywiście wykryłeś rozpad na bar, i uważam, że jest to cudowny wynik, którego tobie i Strassmannowi bardzo gorąco gratuluję” - napisała Meitner w liście do Hahna.
Świat nauki dowiedział się o przełomie za sprawą artykułu, jaki Meitner i Frisch opublikowali w piśmie „Nature”. Ale pierwszym, który rozumiał wagę odkrycia, był Szilárd. W przeciwieństwie do innych naukowców - podekscytowanych, a zarazem szczęśliwych, on czuł się zaniepokojony. Będąc z pochodzenia Żydem, śledził, jak III Rzesza podsyca nienawiść do ludzi takich jak on. Swoimi obawami podzielił się z milionerem, republikańskim politykiem i wpływowym działaczem Amerykańskiego Komitetu Żydowskiego Lewisem Straussem. Odkrycie Hahna i Strassmanna mogło zaowocować tym, że III Rzesza wejdzie w posiadanie broni zdolnej przesądzić o wyniku każdej wojny.
Ledwie dwa miesiące później z władzami USA skontaktował się fizyk Enrico Fermi, uciekinier z rządzonych przez Benita Mussoliniego Włoch. W marcu 1939 r. udało mu się namówić dowództwo marynarki wojennej USA, by przyjęło go na rozmowę. Podczas spotkania opowiedział o reakcji łańcuchowej z użyciem uranu. Oficer robiący notatki zapytał: „Jak duża może to być masa (uranu - red.)? Czy będzie pasować do zamka działa?”. Żaden z wojskowych nie pojął, jak potężną broń można skonstruować, wykorzystując rozpad jądra atomu.
Szczęściem dla świata Adolf Hitler wykazał się podobną ignorancją. Przy czym w jego przypadku połączona ona była z antysemityzmem. Tymczasem spora część najwybitniejszych fizyków w Niemczech, Austrii oraz Europie Środkowej miała właśnie żydowskie korzenie. Nienawiść i narastające represje sprawiały, iż uczeni zaczęli szukać schronienia w Ameryce. Dla przyszłych losów świata miało to kolosalne znaczenie.
Dostęp do ucha władzy
„Szilárd wreszcie załatwił sobie trzymiesięczny pobyt na Uniwersytecie Columbia w charakterze gościa prowadzącego badania” - opisuje Richard Rhodes w książce „Jak powstała bomba atomowa”. Przeprowadzka w marcu 1939 r. z Londynu do Ameryki i dostęp do radioaktywnych pierwiastków dały uczonemu szansę, by wreszcie móc eksperymentalnie sprawdzić własne teorie. Dzięki temu w połowie 1939 r. zaprezentował koncepcję reaktora atomowego, zdolnego podtrzymać reakcję łańcuchową.
W tym czasie fizycy starali się ją wzbudzić, ale bezskutecznie. Szilárd zaproponował zbudowanie stosu uranowego: radioaktywny pierwiastek powinien zostać otoczony węglem - najlepiej grafitem, który spowalniał neutrony. To rozwiązanie spodobało się Fermiemu. Wykonał on dla Węgra obliczenia, z których wynikało, że do budowy reaktora potrzebują 600 kg uranu oraz 39 ton grafitu. Zakup tych materiałów po cenach rynkowych wyniósłby ich nie tak wiele, bo ok. 35 tys. dol. Jednak obaj emigranci nie posiadali takiej sumy. Szilárd zaczął więc nawiązywać kontakty z innymi fizykami, przekonując ich, by wspólnie zwrócili się do rządu USA z prośbą o sfinansowanie budowy reaktora. Ale i to nie przynosiło rezultatów, podobnie jak ostrzeżenia, że III Rzesza może wejść w posiadanie broni atomowej.
Naukowiec postanowił więc dotrzeć do najsławniejszego z żyjących uczonych, któremu audiencji nie ośmielali się odmówić królowie i prezydenci - Alberta Einsteina. Przy czym wiedział tylko, iż mieszka on w stanie Nowy Jork na Long Island. Zabrał go tam, posiadający samochód, także pochodzący z Węgier fizyk Eugene Wigner. Po dotarciu na miejsce całe popołudnie szukali domu noblisty. „Już chcieliśmy zrezygnować i wrócić do Nowego Jorku - dwaj bywali w świecie Węgrzy w upalne lato zagubili się wśród wiejskich ścieżek - gdy zobaczyłem siedmio-, może ośmioletniego chłopca, stojącego przy krawężniku. Wychyliłem się przez okno i powiedziałem: «Słuchaj, czy nie wiesz przypadkiem, gdzie mieszka profesor Einstein?»” - wspominał Szilárd. Chłopiec zaprowadził podróżnych do starszego pana z dziwną fryzurą. Rozmowa nie trwała długo. „Bardzo szybko zrozumiał konsekwencje i bardzo chciał zrobić wszystko, co należało zrobić. Gotów był przyjąć odpowiedzialność za ogłoszenie alarmu, choć mogło się jeszcze okazać, że to fałszywy alarm. Jedyna rzecz, której prawie każdy naukowiec naprawdę się boi, to że wyjdzie na głupca” - zapisał Szilárd.
Einstein przyjaźnił się z królową Belgii i początkowo do niej chciał napisać list, by ostrzegła polityków innych państw. Szczęśliwym zbiegiem okoliczności Wigner opowiedział o całej sprawie znajomemu biznesmenowi Aleksandrowi Sachsowi. Ten od lat przyjaźnił się z prezydentem Franklinem D. Rooseveltem i zaproponował, że dostarczy list Einsteina do Białego Domu. Zanim to się stało, Niemcy napadły na Polskę.
Własnoręcznie ułożony reaktor
Z możliwości dostępu do ucha prezydenta USA Sachs skorzystał 11 października 1939 r. Do rozmowy był przygotowany - najpierw zaintrygował prezydenta opowieścią o tym, jak Robert Fulton przedstawił Napoleonowi Bonaparte plan inwazji na Anglię przy użyciu floty parostatków. „Okręty bez żagli? Też coś! Precz z tymi wizjonerami!” - wykrzyknął cesarz i kazał wyrzucić przybysza z Ameryki. Po tym wstępie streścił list, jaki napisali Einstein i Szilárd. Na koniec wyraził opinię, iż rząd USA powinien sfinansować program badań nad energią jądrową, bo jeśli Ameryka da się wyprzedzić Niemcom, to one wygrają wojnę światową. Jeszcze tego samego dnia Roosevelt nakazał podjęcie odpowiednich działań, choć do listu, który Sachs zostawił na biurku, nigdy nie zajrzał. Od początku zakładano, że celem jest opracowanie broni.
Zaczęto od budowy reaktora według koncepcji Szilárda. To zadanie zlecono, palącemu się do działania, Fermiemu. Wiosną 1940 r. pod jego kierunkiem zaczęto stawiać w budynku należącym do Uniwersytetu Columbia prototyp urządzenia. Naukowcy ustawiali w stos grafitowe cegły poprzetykane uranem. „Fizycy (…) wyglądali jak górnicy, a żony, do których zmęczeni wracali wieczorem, bardzo się temu dziwiły” - wspominał Fermi. W prototypowym urządzeniu nie udało się jednak wzbudzić reakcji łańcuchowej. Programu nie zawieszono jedynie dzięki temu, że z innych ośrodków badawczych w USA zaczęły spływać obiecujące wiadomości. W Berkeley dwaj młodzi chemicy uzyskali na początku 1941 r. promieniotwórczy pierwiastek, który nazwano pluton. W strumieniu neutronów ulegał on łatwiejszemu rozszczepieniu niż uran-235, samorzutnie powielając reakcję łańcuchową. To oznaczało, iż budowa bomby atomowej jest możliwa.
Tymczasem na Uniwersytecie Columbia Fermi razem z Szilárdem i innymi fizykami układali kolejny atomowy stos. Znów tworzyły go grafitowe cegły i pojemniki z uranem. „Dziekan (…) popatrzył na nas i przyznał, że to chyba praca trochę ponad nasze wątłe siły. Po czym dodał: «Columbia ma drużynę piłkarską, około dwunastu silnych chłopców, którzy biorą pracę na godziny, po prostu po to, by zarobić na studia. Dlaczego ich nie zatrudnicie?»” - wspominał Fermi. „I to był świetny pomysł. Kierowanie pracą tych krzepkich chłopców było wręcz przyjemnością” - dodawał. Jednak reaktor, zbudowany przez drużynę futbolu amerykańskiego, znów nie zadziałał. Udało się jednak odkryć, że używany uran był zbyt zanieczyszczony. Wszystko należało więc zacząć od nowa.
Wyścig o wszystko
Najazd III Rzeszy na ZSRR, a pół roku później japoński atak na Pearl Harbor zmotywowały rząd USA do tego, by nie szczędzić środków na Program Manhattan. Pod tą nazwą ukryto prace nad bronią atomową. Jednak, żeby powstała, potrzebowano jak największej ilości plutonu lub wzbogaconego uranu, bo jedynie te dwa pierwiastki dawały szansę na zapoczątkowanie reakcji łańcuchowej, generującej olbrzymią ilość energii.
Aby dostarczyć ich konstruktorom bomby, niezbędny był reaktor. Chcąc przyśpieszyć prace, nadzór nad jego budową powierzono amerykańskiemu nobliście zajmującemu się promieniowaniem rentgenowskim Arthurowi H. Comptonowi. „W styczniu (1942 r. - red.) Compton trzykrotnie zwoływał kierowników podległych mu zespołów w celu dokonania przeglądu badań. Nieporozumienia i dublowanie się pracy dowodziły, że wszelkie badania nad reakcją łańcuchową i chemią plutonu należy skupić w jednym miejscu” - opisuje Richard Rhodes. „Compton proponował Chicago. Nikt nie chciał się przeprowadzić” - dodaje. Użeranie się z grupami uczonych trwało wiele tygodni. „Compton, znany z niezdecydowania, znosił to tak długo, jak mógł” - podkreśla Rhodes. Wreszcie puściły mu nerwy i narzucił wszystkim, że będą budowali jeden, duży reaktor atomowy na Uniwersytecie w Chicago.
Ale kłopoty się mnożyły. Firma budowlana, zaangażowana przez armię USA, przysłała pracowników niemających bladego pojęcia, czym mają się zajmować. To przeraziło naukowców, a po licznych konfliktach inżynierowie i robotnicy ogłosili strajk. Reaktor CP-1 znów musieli własnoręcznie zbudować uczeni oraz wynajęci studenci. Konstrukcję stawiano w sali do gry w squasha, znajdującej się pod trybuną uniwersyteckiego stadionu. „W połowie listopada (1942 r. - red.) Fermi podzielił zespół na dwie grupy, pracujące po dwanaście godzin” - relacjonuje Rhodes. Ludzie układali na podłodze grafitowe cegły, a na nich kostki metalicznego uranu oraz tlenku uranu otoczone grafitowymi cegłami, potem na nich znów cegły. „Wkrótce kładziono przeciętnie dwie warstwy na zmianę. Cegły brano z palet dostawczych i podawano je robotnikom na stosie, dla zabicia czasu wszyscy śpiewali” - opisuje Rhodes.
Musiano przy tym uważać na drożność szczelin dla dziesięciu prętów sterujących, przechodzących przez cały stos. Każdy pręt wykonano z drewnianej listwy, do której przybito kadmową blachę. Dzięki temu, że kadm pochłaniał neutrony, wepchnięcie prętów w głąb stosu blokowało reakcję łańcuchową. Ich wyjęcie oznaczało jej rozpoczęcie. Wyjmowano je ręcznie. Dla bezpieczeństwa, żeby ktoś przypadkiem nie wyciągnął prętów sterujących, zablokowano je skoblami zamykanymi na kłódki.
Budowniczych wkrótce zaskoczył atak zimy. Walter Zinn, późniejszy dyrektor Argonne National Laboratory - pierwszej w USA firmy dostarczającej reaktory atomowe do wytwarzania energii elektrycznej - wspominał ten moment jako najcięższe chwile przedsięwzięcia. „Próbowaliśmy palić węglem drzewnym w pustych beczkach po ropie - za dużo dymu. Potem zdobyliśmy kilka ozdobnych kominków gazowych z imitacją kłód. Podłączyliśmy je do sieci gazowej, ale pożerały tlen” - wspominał. Zmagając się z paraliżującym zimnem, przypadkiem odnaleźli w szatni stadionu zapas płaszczy z futer szopów. Wcześniej nosiła je uniwersytecka drużyna futbolowa. Dzięki opatuleniu się w futra uczeni dali radę dokończyć budowę atomowego stosu. Tworzyło go w sumie 350 ton grafitu, 36 ton tlenku uranu i 6 ton metalicznego uranu.
Wreszcie 2 grudnia 1942 r. na polecenie Fermiego z reaktora wyciągnięto pręty sterujące. Młody fizyk Herbert L. Anderson stał wśród około trzydziestu uczonych na balkonie nad reaktorem, tuż obok Szilárda i Wignera. „Początkowo słychać było trzask licznika neutronów, klik-klak, klik-klak. Potem trzaski stały się coraz częstsze, a po chwili zlały się w ryk; licznik już nie mógł nadążyć” - wspominał moment rozpoczęcia reakcji łańcuchowej Anderson.
Stos pracował przez cztery i pół minuty, osiągając moc zaledwie pół wata, gdy Fermi nakazał zatrzymać reakcję. „Bez regulacji, przy tej szybkości wzrostu, po upływie półtorej godziny stos osiągnąłby moc miliona kilowatów” - pisze Rhodes. To dawało 1 tys. MW, czyli moc przeciętnej elektrowni węglowej. „Od pewnego czasu wiedzieliśmy, że jesteśmy bliscy wyzwolenia giganta. A jednak, gdy już wiedzieliśmy, że dokonaliśmy tego, nie mogliśmy pozbyć się niesamowitego uczucia” - wspominał Eugene Wigner.
Droga do budowy zarówno bomb o ogromnej zdobności niszczenia, jak i elektrowni zasilanych energią uzyskaną z rozbicia jądra atomu stawała przed ludzkością otworem. A okazywało się to w sumie banalnie proste. ©℗
