كتب السلاح على مبدأ الانشطار النووي

الأبحاث

في سنة 1943 تركزت جهود التطوير على السلاح ذات مبدأ الانشطار النووي باستخدام البلوتونيوم والذي سُمي لاحقاً قنبلة الرجل النحيف. أسماء الثلاث قنابل الذرية التي تم تصميمها كانت (الرجل البدين، الرجل النحيف، الولد الصغير)، تمت تسميتها من قِبل روبرت سيربر، والذي اختار الأسماء بناءً على تصميم شكل القنبلة. قنبلة الرجل النحيف كانت ذات شكل طولي، والاسم اشتق من رواية الرجل النحيف من تأليف داشييل هاميت، وسلسلة الأفلام التي تحمل نفس الإسم. أما قنبلة الرجل البدين فكانت ذات شكل دائري ومنتفخ واشتقت من دور الممثل سيدني غرينستريت في فيلم الصقر المالطي. وقنبلة الولد الصغير وهي الأخيرة، واشتق الاسم من الدور الذي لعبه اليشا كوك الابن في نفس الفيلم، حيثُ كان يطلق عليه همفري بوغارت هذا الاسم.

في عدة مؤتمراتٍ عقدت في أبريل ومايو 1943 وضع فيها خطة المختبر لذلك العام. وقدر أوبنهايمر الكتلة الحرجة لليورانيوم 235، مع صيغة تستند إلى نظرية الانتشار التي وضعها ستان فرانكل وإلدريد نيلسون في بيركلي. حيث وضع احتياج المختبر لكتلة 25 كغم من مادة اليورانيوم 235، ولكن كان ذلك مجرد رقم تقريبي. واستند على تبسيط الافتراضات، خاصة أن جميع النيوترونات لها نفس السرعة، كما أن جميع التصادمات مرنة، وهي متناثرة ومتناحية وأن متوسط المسار الحر للنيوترونات في النواة هي نفسها. وتعمل شعبة هانز بيته وخاصة مجموعة T-2 المتخصصة بنظرية الانتشار، وقسم السيد ريتشارد فاينمان T-4 المتخصص بمشاكل الانتشار على تحسين النماذج النظرية خلال الأشهر المقبلة. كما طور بيث وفينمان صيغة لكفاءة التفاعل.

لم توجد أي صيغة أدق من القيم الموضوعة؛ وكانت قيم المقاطع العرضية مشكوكٌ فيها، ولم يحدد البلوتونيوم بعد. وسيكون قياس هذه القيم من الأولويات، لكن المختبر يملك 1 غرام فقط من اليورانيوم 235، وميكروغامات من البلوتونيوم. لذلك أسقطت كاهل هذه المهمة عن القسم P للسيد باشر. وقام قسم P-2 للسيد ويليامز بتنفيذ التجربة الأولى في يوليو 1943، واستخدم القسم اثنين من أكبر مولدات فان دي غراف لقياس نسبة النيوترونات في انشطار البلوتونيوم بالمقارنة مع اليورانيوم. كما تم التفاوض مع مختبر المعادن للحصول على 165 ميكوغرام من البلوتونيوم، وتم استلام الكمية في 10 يوليو 1943. وقد تمكن السيد باشر من قياس كمية النيوترونات ناتجة عن كل انشطار نووي لمادة البلوتونيوم 239 وكانت 2.64 ± 0.2، أي حوالي 1.2 ضعف مادة اليوانيوم 235. وحاول تيترتون وبويس مكدانيل من قسم السيد ويلسون P-1 قياس الوقت الذي يستغرقه انبعاث النيوترونات من نواة اليورانيوم 235 عند انشطارها. وقد اعتقدوا بأن معظمها ينبعث بأقل من 1 نانوثانية. وأظهرت التجارب اللاحقة أن الانشطار استغرق أقل من نانوثانية أيضاً. ومع ذلك استغرق تأكيد العلماء على أن عدد النيوترونات المنبعثة متساوية في النيوترونات البطيئة والسريعة وقتاً طويلاً، ولم يتأكد تماماً حتى خريف سنة 1944.

زار جون فون نيومان مختبر لوس ألاموس في سبتمبر 1943، وشارك في مناقشات مختلفة حول الأضرار التي ستُحدثها القنبلة الذرية. وأوضح أنه في حين أن الضرر الناجم عن انفجار صغير يتناسب طردياً مع الاندفاع (متوسط الضغط الناتج من مرات الانفجار خلال التفجير)، فإن الضرر الناجم عن الانفجارات الكبيرة مثل القنبلة الذرية سيحدده ضغط الذروة، الذي يعتمد على الجذر التكعيبي لطاقته. السيد بيث أثبت لاحقاً أن 10 كيلوطن من مادة تي أن تي سينتج عنها ضغط يزيد عن (10 كيلو باسكال) في الضروف الطبيعية، وبالتالي يؤدي إلى أضرار جسيمة داخل دائرة نصف قطرها 3.5 كم.

التطوير

عُين ويليام بارسونز رئيساً لقسم الذخائر والهندسة في يونيو 1943 بناءً على توصية من بوش وكونت. والسيد تولمان عمل في هذا القسم لجلب القوى البشرية العاملة لتطوي السلاح، لذا جلب جون ستريب وتشارلز كريتشفيلد وسيث ندرمير من المعهد الوطني للمعايير والتقنية. وتم تقسيم هذا القسم إلى 5 مجموعات، وكان قادة المجموعات كالتالي: المجموعة الرئيسية الأولى E-1 بقيادة إدوين ماكميلان، المجموعة E-2 بقيادة كينيث بينبريدج (للأجهزة والمعدات)، المجموعة E-3 بقيادة روبرت برود (تطوير الصمامات الكهربائية)، والمجموعة E-4 بقيادة كريتشفيلد (لعملية القذف، والهدف والمصدر)، المجموعة E-5 بقيادة ندرمير (للانفجار الداخلي). لاحقاً تمت إضافة مجموعتين أو أكثر في خريف 1943، فالمجموعة E-7 بقيادة نورمان رامسي (للتوزيع)، والمجموعة E-8 بقيادة جوزيف هيرسشفيلدر (للمقذوفات الداخلية).

تم تأسيس أرض دائمة عند مزرعة أنشور. للسلاح الذي لن يكون عادياً، وكان لا بد من تصميم الموقع بالرغم من غياب معلومات مهمة جداً مثل الكتلة الحرجة للسلاح. كما كان من معايير التصميم أن السلاح سيكون له سرعة فوهة تُقدر بـ3000 قدم بالثانية (910 م/ث)؛ حيثُ أن الأنبوب سوف يزن (0.91 طن) بدلاً من الوزن السابق (4.5 طن) لكل أنبوب مع نفس الطاقة؛ ولذلك تم تصنيع السلاح من سبائك الفولاذ؛ ليتحمل ضغطاً على مؤخرته يصل إلى 75,000 رطل لكل بوصة مربعة (520,000 كيلو باسكال)؛ ويجب أن يكون السلاح بثلاث مناطق متفجرة. ولأنه سوف يطلق لمرة واحدة فقط، البرميل يجب أن يكون أخف وزناً من السلاح السابق. كما أنها لا تتطلب وجود آليات ارتدادية أو حلزونية. وأشرف على حسابات منحنيات الضغط هيرسشفيلدر في المختبر المختبر الجيوفيزيائي، قبل انضمامه إلى مختبر لوس ألاموس.

في الوقت الذي كان الانتظار حتى يتم تصنيع السلاح في معامل سلاح البحرية، تم اختبار جميع أنواع الاندفاع الذاتي. قام هيرسشفيلدر بإرسال جون ماجي إلى أحد المناجم التجريبية التابعة لدائرة المناجم الأمريكية في منطقة بروسيتون (بنسيلفانيا) لاختبار نظام الدفع والاطلاق. وأجريت اختبارات في مزرعة أنشور على سلاح عيار 3″/50 (76 ملم). مما يسمح بالضبط الدقيق لأجهزة الاختبار. وقد وصلت أول أنبوبتين إلى لوس ألاموس في 10 مارس 1944، وبدأت اختبارات الاطلاق تحت إشراف توماس أولمستيد بشكل مباشر، والذي له الخبرة في مثل تلك العمليات في دالغرين (فيرجينيا). تم اختبار الاطلاق ناشئ عن قوة ضغط تصل إلى 80,000 رطل لكل بوصة مربعة (550,000 كيلو باسكال). وقامت مجموعة برود بالتحقيق في أنظمة الصمامات، واختبار مقاييس الارتفاع للرادار، والصمامات التقاربية، والصمامات البارومترية لقياس الارتفاع.

وأجريت الاختبارات باستخدام مقياس الارتفاع الراداري من النوع الترددي المعروف باختصار AYD ونمط نبض يعرف باسم 718. وقدمت تعديلات على AYD من قِبل شركة مختبرات نوردين بموجب عقد OSRD. وعندما تم تصنيع النمط 718، اتصلت شركة شركة راديو أمريكا لتزويد المشروع بأنظمة بذيل رادار تحذيري جديد (AN/APS-13)، سمي لاحقاً آرشي، وكان ذلك إضافات تحسينية فقط، يمكن أن تساعد أكثر بعمل مقياس الارتفاع الراداري. الأنبوب الثالث وصل إلى لوس ألاموس في أبريل 1944، وتم اختبارها في شهر مايو حيثُ أُطلقت من طائرة بيتشكرافت موديل 18، تبعتها اختبارات إسقاط كاملة النطاق في شهري يونيو ويوليو. كانت الاختبارات ناجحة تماماً، بينما استمرت حدوث المشاكل مع نظام AYD. لذلك تم الاعتماد على نظام الآرشي، على الرغم من النقص الشديد في أنابيب الاختبار في أغسطس 1944، والذي أدى لإعاقة عمل الاختبارات. وقد قامت طائرة فضية اللون من نوع بوينغ بي-29 سوبر فورترس باختبار اطلاق قنبلة رجل نحيف بعد انطلاقها من قاعدة إدواردز الجوية في مارس ويونيو لسنة 1944.