Pierwsza kontrolowana reakcja łańcuchowa

W środę 2 grudnia 1942 roku, o godzinie 15.25 czasu chicagowskiego, w dawnej hali do squasha pod zachodnimi trybunami nieużywanego stadionu futbolowego Stagg Field na Uniwersytecie Chicagowskim Enrico Fermi ogłosił, że stos z grafitu i uranu osiągnął stan krytyczny. Reakcja łańcuchowa – rozszczepienia jąder uranu, z których każde uwalnia neutrony wywołujące następne rozszczepienia – po raz pierwszy podtrzymywała się sama i po raz pierwszy była pod ludzką kontrolą. Stos, nazwany później Chicago Pile-1 (CP-1), pracował niecałe pięć minut z mocą około pół wata, mniejszą niż moc żarówki w latarce. Wystarczyło to jednak, by dowieść, że reaktor jądrowy jest możliwy, a więc że można w nim wytwarzać pluton – drugi, obok uranu-235, materiał na bombę atomową.

Wiadomość o sukcesie przekazano przez telefon szyfrem ułożonym na poczekaniu: „Włoski żeglarz wylądował w Nowym Świecie”. Chronologie wojny często piszą, że słowa te wysłano prezydentowi Franklinowi Delano Rooseveltowi. To nieścisłość. Zatelefonował fizyk Arthur Compton, szef Laboratorium Metalurgicznego, a odebrał je James Conant, przewodniczący Komitetu Badań Obronnych (NDRC) i jeden z kierowników programu atomowego w Waszyngtonie. Prezydent dowiedział się o wyniku drogą służbową, a nie z tej rozmowy.

Droga do Chicago

Pomysł jądrowej reakcji łańcuchowej przyszedł Leó Szilárdowi do głowy w Londynie we wrześniu 1933 roku, ale dopiero odkrycie rozszczepienia uranu na przełomie 1938 i 1939 roku pokazało, w czym ją wywołać. 25 stycznia 1939 roku na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku powtórzono doświadczenie z rozszczepieniem, a Fermi, świeżo przybyły z faszystowskich Włoch, oraz Leó Szilárd wykazali wkrótce, że przy rozszczepieniu uwalniają się dodatkowe neutrony. Latem 1939 roku Szilárd nakłonił Alberta Einsteina do podpisania listu do prezydenta Roosevelta, od którego zaczęły się amerykańskie prace rządowe nad uranem.

Fermi i Szilárd uważali wtedy, że bomba wymagałaby ogromnych ilości uranu, więc najpierw chcieli zbudować stos, w którym reakcja będzie przebiegać powoli i pod kontrolą. Neutrony z rozszczepienia są zbyt szybkie, by skutecznie rozbijać kolejne jądra rzadkiego uranu-235 w uranie naturalnym, złożonym głównie z uranu-238; trzeba je spowolnić w moderatorze. Szilárd zaproponował grafit. Okazało się, że zwykły grafit przemysłowy zawiera ślady boru, który łapczywie pochłania neutrony; dopiero gdy producenci, przede wszystkim National Carbon, nauczyli się wytwarzać grafit niemal pozbawiony tej domieszki, moderator zaczął działać. Niemieccy fizycy, którzy badali ten sam problem, nie wykryli zanieczyszczeń, uznali grafit za nieprzydatny i postawili na trudno dostępną ciężką wodę – co było jedną z przyczyn, dla których ich program nigdy nie zbudował działającego reaktora.

W latach 1940–1941 zespół Fermiego składał na Columbii coraz większe „stosy wykładnicze”, w których mierzył, ile neutronów przybywa w układzie. Po przystąpieniu Stanów Zjednoczonych do wojny Compton, który w ramach Biura Badań Naukowych i Rozwoju odpowiadał za fizykę programu, postanowił w styczniu 1942 roku skupić wszystkie prace nad reaktorem i plutonem w jednym miejscu – na swoim uniwersytecie w Chicago, w ośrodku nazwanym dla niepoznaki Laboratorium Metalurgicznym. Fermi, który od grudnia 1941 roku jako obywatel Włoch był formalnie „wrogim cudzoziemcem”, przeniósł się tam w 1942 roku wraz z większością swojego zespołu. Od czerwca program przejmowała armia, a we wrześniu na czele Projektu Manhattan stanął płk Leslie Groves.

Reaktor pod trybuną

Doświadczalny stos miał stanąć z dala od miasta, w Lesie Argońskim na południowy zachód od Chicago, gdzie armia i OSRD wybrały w czerwcu 1942 roku teren nazwany „Site A”. Budowa hali przeciągała się jednak z powodu sporów pracowniczych i na początku listopada było jasne, że grafit i uran będą gotowe wcześniej niż budynek. Fermi zaproponował więc Comptonowi, by zbudować stos w hali pod trybunami Stagg Field, gdzie od września zespoły Herberta L. Andersona i Waltera Zinna złożyły już kilkanaście mniejszych, podkrytycznych stosów doświadczalnych. Uniwersytet zrezygnował z futbolu w 1939 roku i stadion stał w dużej mierze pusty.

Uruchomienie reaktora w gęsto zaludnionym mieście było ryzykiem. Fermi przekonywał, że stos da się bezpiecznie opanować dzięki tak zwanym neutronom opóźnionym: część neutronów wylatuje z produktów rozszczepienia dopiero po sekundach lub minutach, co spowalnia narastanie reakcji i daje ludziom czas na reakcję. Compton zaufał tym obliczeniom i podjął decyzję sam, nie pytając rektora uniwersytetu, Roberta Hutchinsa. Później tłumaczył, że Hutchins nie byłby w stanie samodzielnie ocenić zagrożenia, a jako odpowiedzialny za uczelnię mógłby odpowiedzieć tylko „nie” – i byłaby to zła odpowiedź. Groves, powiadomiony 14 listopada na posiedzeniu komitetu wykonawczego S-1, miał poważne wątpliwości, ale nie zaprotestował. Conant podobno zbladł.

Układanie właściwego stosu zaczęło się 16 listopada 1942 roku. Pracowano na dwie dwunastogodzinne zmiany – dzienną prowadził Zinn, nocną Anderson. Warstwy litych bloków grafitowych przekładano warstwami bloków, w których wydrążono gniazda na bryłki tlenku uranu i walce uranu metalicznego, tak zwane „jajka Speddinga”, dostarczane w ostatniej chwili przez Iowa State College, Westinghouse i inne zakłady. Fizyk Leona Woods, jedyna kobieta w zespole, zbudowała liczniki neutronów z trifluorkiem boru. Po każdej zmianie Fermi przeliczał pomiary na wskaźnik, który zbliżał się do jedności w miarę, jak stos zbliżał się do stanu krytycznego. Pierwotnie stos miał być kulą zamkniętą w sześciennym balonie z gumowanej tkaniny, z którego wypompowano by powietrze, ale czystszy grafit i metaliczny uran pozwoliły zrezygnować z około dwudziestu warstw i z wypompowywania. Fermi obliczył, że wskaźnik osiągnie jedność między 56. a 57. warstwą. Anderson przerwał układanie po 57. warstwie, w nocy z 1 na 2 grudnia.

Gotowy stos miał kształt spłaszczonej elipsoidy wysokiej na około 6 metrów, szerokiej na około 7,6 metra w środku, opartej na drewnianej ramie. Nie miał ani osłony przed promieniowaniem, ani chłodzenia. Dane o jego zawartości różnią się w zależności od źródła: według jednego zestawienia było to około 45 tysięcy bloków grafitu o masie 330 ton, 4,9 tony uranu metalicznego i 41 ton tlenku uranu; według innego – 360 ton grafitu, 5,4 tony uranu metalicznego i 45 ton tlenku. Koszt szacowano na 2,7 miliona dolarów. Reakcję hamowały pręty kontrolne: blachy kadmu, silnie pochłaniającego neutrony, przybite do drewnianych listew.

2 grudnia 1942 roku

Rano w hali zebrało się 49 osób. Z kierownictwa programu był tylko jeden gość z zewnątrz, zaproszony przez Comptona Crawford Greenewalt z koncernu DuPont, który miał budować przyszłe zakłady plutonowe; obecni byli też Szilárd, Eugene Wigner i chemik Frank Spedding. Fermi, Compton, Anderson i Zinn stanęli przy przyrządach na balkonie, pierwotnie przeznaczonym dla widzów. Na podłodze przy stosie był tylko jeden człowiek – fizyk George Weil, który ręcznie wysuwał ostatni pręt kontrolny.

Zabezpieczenia były proste i dobitnie pokazywały, że wszyscy działają na granicy wiedzy. Zinn wyciągnął i przywiązał „zip”, awaryjny pręt kadmowy zawieszony na linie; Norman Hilberry stał z siekierą, gotów przeciąć linę, by pręt sam wpadł do stosu. Samuel Allison trzymał wiadro stężonego roztworu azotanu kadmu, którym w razie wypadku miał zalać stos. Według wspomnień uczestników na szczycie stosu czuwała dodatkowo trzyosobowa grupa młodych fizyków z wiadrami tego samego roztworu, nazywana z wisielczym humorem „oddziałem samobójców”. Leona Woods głośno odczytywała wskazania licznika neutronów.

Próbę rozpoczęto o 9.54. Fermi kazał Weilowi wysuwać ostatni pręt stopniowo, po około 15 centymetrów, i po każdym kroku sprawdzał, czy natężenie neutronów rośnie dokładnie tak, jak wynikało z jego obliczeń, liczonych na suwaku logarytmicznym. Około 11.30 automatyczny pręt bezpieczeństwa, ustawiony na zbyt niski próg, sam wpadł do stosu. Fermi spokojnie ogłosił przerwę na obiad. Po wznowieniu prób o 14.00 Weil wysunął pręt jeszcze dalej, a o 15.25 Fermi stwierdził, że natężenie neutronów rośnie wykładniczo i nie wyrównuje się – stos osiągnął stan krytyczny. Fermi chciał jeszcze sprawdzić obwody sterujące, ale po 28 minutach rozległy się dzwonki alarmowe, bo strumień neutronów przekroczył ustalony próg bezpieczeństwa, i Fermi kazał Zinnowi zwolnić „zip”. Reakcja natychmiast wygasła. Samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa trwała około czterech i pół minuty, z mocą około pół wata.

Wigner wyjął wtedy butelkę włoskiego wina Chianti, kupioną na tę okazję, i wszyscy wypili po łyku z papierowych kubków. Na słomianej oplocie butelki uczestnicy złożyli później podpisy; przechował ją fizyk Albert Wattenberg. Szilárd został po wszystkim w hali sam z Fermim. Uścisnął mu dłoń i – jak wspominał – powiedział, że ten dzień przejdzie do historii jako czarny dzień ludzkości.

Compton zadzwonił do Conanta na Uniwersytet Harvarda. Nie mieli umówionego szyfru, więc – jak Compton opisał to w swoich wspomnieniach – mówili aluzjami. „Jim, zainteresuje cię wiadomość, że włoski żeglarz właśnie wylądował w Nowym Świecie” – powiedział Compton, nawiązując zarazem do Kolumba i do Fermiego, i dodał, że Ziemia okazała się mniejsza, niż szacowano, więc żeglarz przybył wcześniej, niż się spodziewano – stos zadziałał przy mniejszej liczbie warstw, niż przewidywano. „Jak przyjęli go tubylcy?” – zapytał Conant. „Bardzo przyjaźnie” – odpowiedział Compton.

Co udowodnił Chicago Pile-1

Pół wata mocy nie miało żadnego praktycznego znaczenia. Znaczenie miało to, że stos w ogóle zadziałał i że dał się wyłączyć. Doświadczenie potwierdziło obliczenia Fermiego, czystość grafitu i uranu oraz rolę neutronów opóźnionych, dzięki którym reaktorem można sterować zwykłymi prętami kontrolnymi zamiast reagować w ułamkach sekundy. Tym samym okazało się, że da się budować reaktory przemysłowe, w których uran-238, pochłaniając neutrony, zamienia się w pluton. Było to ważne, bo rozdzielanie izotopów uranu – drugą drogą do bomby – zapowiadało się jako niezwykle kosztowne i niepewne.

Sukces przyszedł w chwili, gdy zapadały największe decyzje programu. Groves już wcześniej przekonał koncern DuPont do zaprojektowania i zbudowania zakładów plutonowych; Greenewalt, naoczny świadek próby, zawiózł do Wilmington przekonanie, że reaktor jest rzeczywistością. W następnych tygodniach DuPont przyjął ostatecznie zlecenie, a w styczniu 1943 roku wybrano na zakłady produkcyjne odludny teren nad rzeką Columbia w stanie Waszyngton – przyszłe Hanford Site. Wigner zabrał się do projektowania wielkich reaktorów chłodzonych wodą.

Dalsze losy stosu

12 grudnia 1942 roku moc CP-1 zwiększono na krótko do 200 watów, ale stos bez osłony był groźny dla wszystkich w pobliżu, więc dalsze pomiary prowadzono przy pół wata. Pracę zakończono 28 lutego 1943 roku. Stos rozebrano i przeniesiono do Lasu Argońskiego, gdzie z tych samych materiałów, już z osłoną, zbudowano Chicago Pile-2. Obok powstał reaktor CP-3 na ciężką wodę. Badano w nich pochłanianie neutronów przez dziesiątki pierwiastków i materiałów potrzebnych do budowy reaktorów przemysłowych. Z placówki w Lesie Argońskim wyrosło w 1946 roku Argonne National Laboratory, którego pierwszym dyrektorem został Zinn. Oba reaktory wyłączono w 1954 roku, a ich pozostałości zakopano na miejscu.

Projekt reaktora przez dekadę pozostawał tajemnicą. Fermi i Szilárd zgłosili go wspólnie do opatentowania w grudniu 1944 roku jako „reaktor neutronowy”. Trybuny Stagg Field rozebrano w 1957 roku. Na miejscu dawnej hali stoi dziś rzeźba Henry’ego Moore’a „Energia jądrowa”, a obok tablice pamiątkowe; miejsce wpisano na listę Narodowych Pomników Historycznych Stanów Zjednoczonych.

Miejsce w wojnie

2 grudnia 1942 roku był jednym z tych dni, w których bieg wojny zmieniał się poza polem bitwy. W tych samych tygodniach pod Stalingradem zaciskał się pierścień wokół okrążonej 6. Armii, a w Afryce Północnej alianci walczyli o Tunezję; w podziemiach chicagowskiego stadionu zapadło natomiast rozstrzygnięcie, które wpłynęło na koniec wojny na Pacyfiku i na cały powojenny świat. Bez działającego reaktora nie byłoby plutonu, a bez plutonu – bomby zdetonowanej w lipcu 1945 roku na pustyni w Nowym Meksyku w próbie Trinity i bomby zrzuconej 9 sierpnia 1945 roku na Nagasaki.

Amerykanie spieszyli się, bo bali się, że Niemcy ich wyprzedzą. W rzeczywistości niemiecki program atomowy, rozproszony między kilka instytutów, pozbawiony wsparcia przywódców Rzeszy i oparty na ciężkiej wodzie z norweskiej fabryki w Vemork, do końca wojny nie doprowadził do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. Brytyjczycy, którzy pierwsi wykazali w 1941 roku, że bomba jest możliwa, przyłączyli się do amerykańskiego programu dopiero w 1943 roku. Związek Radziecki uruchomił swój pierwszy reaktor w grudniu 1946 roku.

Słowa Szilárda o czarnym dniu ludzkości okazały się zapowiedzią sporu, który towarzyszył nauce jądrowej przez resztę stulecia. Ci sami ludzie, którzy w grudniu 1942 roku pili Chianti z papierowych kubków, w 1945 roku spierali się, czy bombę należy użyć przeciw Japonii, a po wojnie – czy budować bombę wodorową. Reaktor Fermiego był zarazem początkiem energetyki jądrowej. Dla historii drugiej wojny światowej pozostaje jednak przede wszystkim chwilą, w której ludzkość zdobyła środek zdolny ją zniszczyć, a program, który zaczął się od listu Einsteina jako cichej obawy uczonych, zyskał podstawę do budowy broni, która miała zakończyć wojnę.