Tarina on saatavissa kuunnelmana.

Strateginen pommitus – III osa

Tarinamme alkaa Berliinin rautatieasemalta lohikäärmeen vuonna 1832. Preussilainen ammattiupseeri ja sotateoreetikko Carl von Clausewitz julkaisi postuumisti tunnetuimman teoksensa Vom Kriege, ”Sodankäynnistä”. Kirjassaan von Clausewitz kuvaa absoluuttisen sodankäynnin käsitettä: tilannetta, jossa kansakunnan ainoa tehtävä on sodankäynti ja sen voittaminen, eikä siinä tunneta mitään rajoitteita. Tästä epäsuorasti seuraa se, että jokainen kansakunnan jäsen on osallinen sodankäynnissä, vaikkei olisi sotilas tai edes sotateollisuuden palveluksessa. Absoluuttinen sodankäynti on tilanne, missä sota ei voi kehittyä enää syvemmäksi sodaksi.

Von Clausewitzin mukaan absoluuttinen sodankäynti on kuitenkin teoreettinen käsite, sillä todellisuudessa lähes aina ihmiset ja kansat kuitenkin rajoittavat sodankäyntiään. Hyvin harvoin sodan käytännön päämäärä on vihollisen täydellinen tuho, vaan sodalla on jokin muu, käytännöllisempi tavoite. Antiikin suuret valtakunnat hävittivät muita heimoja lähinnä vakiinnuttaakseen voimansa tai kostoretkillä, ja tätäkin tehtiin suhteellisen harvoin verrattuna siihen, miten yleistä sotiminen oli. Varsinainen päämäärä se ei ollut.

Kun ihmisen vuosisata syttyi auringonnousuunsa, syttyi sodista suurin. Suuret miehistötehtaat syöksivät aina vain lisää leijonia aasien johdettaviksi suurten tehtaiden tykkien ruuaksi. Maahan hukkuneiden yllä leijui pilvien imperiumi, eikä teollinen sodankäynti suonut kuoleville rukousta. Maanosia maalattiin uudelleen verellä ja raudalla.

Pilvien valtakunnastaan käsin maailmaa katselivat myös Peter Strasser, Paul Behncke ja Alfred von Tirpitz. He olivat lukeneet Clausewitzinsa: Tirpitzin mukaan ”menestystä ei mitata vain viholliselle aiheutetussa vahingossa, vaan myös kyvyssä nakertaa vihollisen päättäväisyyttä käydä sotaa”. Parhaiten Zeppelinien käyttö strategiseen pommitukseen henkilöitynee kuitenkin kapteeni Peter Strasseriin, jonka julma teutoninen olemus ja vielä teutonisemmat kommentit kuvaavat uuden sodankäyntitavan julmaa luonnetta: ”He sanovat meitä vauvantappajiksi...nykyaikaisessa sodassa ei ole siviilejä. Tämä on totaalista sotaa. Totaalinen sota on pitkälti viimeinen askel ennen absoluuttista sodankäyntiä, ja siitä pidemmälle on vaikea käytännössä enää ottaa seuraavaa askelta. Pian kuitenkin osoittautui, että se oli mahdollista.

Ensimmäisen maailmansodan strateginen pommitus oli kuitenkin lopulta sangen vaatimatonta. Sota vaati 20 miljoonaa sielua. Niistä Zeppeliinit vaativat 557 ja Gothat 835, Ranskan ja Britannian pommitus Saksassa 768. Strateginen pommitus herätti lähinnä psykologisen kauhuvaikutuksen, ja sitoi briteiltä Lontoon ilmapuolustukseen yli 10 000 miestä sekä satoja tykkejä ja hävittäjiä.

Sodan päätyttyä italialainen ammattisotilas Giulio Douhet, joka oli kiihkeästi ajanut laajaa strategista pommitusta jo sodan aikana, kirjoitti aiheesta kirjan Il dominio dell' aria (Ilmojen herruus) vuonna 1921. Douhet vie teoksessaan ajatuksen totaalisesta sodasta huomattavasti lähemmäs absoluuttista sotaa, kuin ensimmäisessä maailmansodassa oltiin tehty. Hänen mukaansa vihollisen moraalinen selkäranka oli murrettava kaupunkien massamaisella hävityksellä ja siviiliuhrien suurella määrällä. 1920-luvulla ei tunnettu myrkkykaasuja voimakkaampia joukkotuhoaseita, joten Douhet ehdotti niiden massamaista käyttöä raskaista suuren kantaman pommikoneista sodan ratkaisemiseksi. Doktriinin ytimessä oli, ettei pommikoneiden torjunta olisi käytännössä mahdollista, mikä 1920-luvulla oli jossain määrin totta kaksi- ja useampimoottoristen lentokoneiden kehittyessä yksimoottorisia nopeammin ja monipuolisemmin. Se myös alleviivasi sitä, miten tällainen sodankäynnin muoto kohdistui puolustuskyvyttömään maaliin.

Douhet ei ollut ainoa ilmastrategiateoreetikko 1920-luvulla. Amerikkalaiset strategit, kuten Billy Mitchell ja Harold L. George, kannattivat strategisen pommituksen doktriiniksi pommittaa hyvässä näkyvyydessä korkealta täsmäiskuin vihollisen infrastruktuuria, kuten liikenteen solmukohtia ja teollisuutta. Näin vihollinen menettäisi kyvyn ylläpitää sodankäyntiä ja joutuisi siksi luopumaan siitä.

Douhetismin ja amerikkalaisten välissä oli brittiläinen Hugh Trenchard, jonka doktriini oli valikoitu massapommitus, jossa kohteina olisivat vain tärkeimmät teollisuuskaupungit, ja vihollisen siviiliväestö vaatisi hallitustaan antautumaan koska kaupunkien ja teollisuuden tuho johtaisi elintason romahdukseen ja massaköyhyyteen. Se kuitenkin jakoi Douhetin kanssa ajatuksen moraalisen selkärangan murtamisesta terroripommituksilla. Amerikkalaisten kantava ajatus taas oli, että sodankäynti oli muuttunut luonteeltaan hyvin teolliseksi, ja vaati siksi runsaasti tarvikkeita, varaosia, polttoainetta ja uusia tuotteita. Tuhoamalla niiden tuotanto ja logistiikka voitaisiin moderni sodankäynti tehdä lähes mahdottomaksi, ja täten vihollinen ajettua teknologisesti vähintään sukupolven alakynteen.

Kaikille yhteistä oli suurten pommikoneiden massamainen käyttö, ja että niiden torjunta olisi käytännössä mahdotonta. Brittiläinen douhetismin kannattaja Stanley Baldwin kiteytti tämän kuuluisassa puheessaan 1932 brittiparlamentissa, jossa hän julisti pommikoneen pääsevän aina läpi, ja että tulevaisuuden sodat ratkaistaisiin polttamalla vihollisen naisia ja lapsia nopeammin, kuin tämä ehtisi.

Douhet tuskin käsitti, millä tavalla hänen teoriansa saattoi toteutua, mutta olisi varmasti tarttunut siihen, jos se olisi ollut saatavilla.

MANHATTANIN PIKAJUNA

1800-luvun jälkipuolisko oli paitsi voimakkaan teollistumisen, myös klassisen fysiikan kulta-aikaa. Wilhelm Conrad Röntgen havaitsi eräänä syksyinä iltapäivänä 1895, että jotkut hänen mineraalinäytteistään hohtivat aavemaista valoa, kun katodisädeputki oli päällä. Katodisädeputki oli pahviin koteloitu, joten sen lähettämä katodisäteily (eli beetasäteily – nopeita elektroneja) ei voinut saada mineraaleja fluoresoimaan. Asetellessaan erilaisia materiaaleja katodisädeputken ja mineraalien väliin, hän näki oman luurankonsa varjon lankeavan fluoresoivalla bariumplatinasyanidilla BaPt(CN)₄ pinnoitetulla pahvilevyllä. Hän oli löytänyt uuden säteilyn lajin, röntgensäteilyn. Kukaan ei tuolloin vielä tarkkaan tiennyt, mitä se oli: 300 PHz ja 30 EHz taajuudella värähteleviä fotoneja.

Röntgenin kuva vaimonsa Annan kädestä 1895, ensimmäinen röntgenkuva.

Henri Becquerel tutki seuraavana vuonna, oliko Röntgenin säteilyllä ja tiettyjen metallisuolojen fosforenssilla yhteyttä. Hän havaitsi, että uraanisuolot saivat valokuvauslevyt tummumaan itsessään, ilman, että niitä oli altistettu katodisädeputkelle. Niiden täytyi siis itse aiheuttaa se. Niiden oli lähetettävä säteilyä, joka toimi samalla tavalla kuin Röntgenin säteily. Becquerel kokeili useita eri uraanin suoloja, ja kaikki aiheuttivat saman tuloksen. Valokuvauslevy tummui. Sen oli oltava siis uraaniatomin ominaisuus.

Luonnonuraanista 99, 27 % on isotooppia U-238. Se alfahajoaa 4,47 miljardin vuoden puoliintumisajalla thoriumin isotoopiksi 234. Monen muun alfahajoavan isotoopin lailla tässä hajoamisessa syntynyt tytärydin Th-234 jää 23% todennäköisyydellä virittyneeseen tilaan, ja purkaa sen suuritaajuisena fotonina – gammasäteilynä. Koska fotoni on lepomassaton hiukkanen, tässä gammapurkauksessa thoriumin isotooppi eli massaluku ei muutu, vaan se purkaa protoniensa potentiaalienergiaa. Tämä tapahtuu 0,37 nanosekunnissa itse alfahajoamisen jälkeen ja tuottaa 50 keV energiaa, mistä syystä uraanin hajoamisketju on jo alkupäässään sekä alfa- että gammasäteilijä.

Tätä ei tiedetty vielä 1896, mutta Becquerelin havaitseman tummuminen valokuvauslevyssä oli tämän gammasäteilyn aiheuttamaa. Becquerelin oppilas Marie Curie taas havaitsi toriumin säteilevän vieläkin voimakkaammin, kuin uraanin. Ilmiö ei siis ollut uraanin yksinoikeus, vaan se oli läsnä joissain muissakin alkuaineissa. Juuri Curie käytti sanaa radioaktiivisuus kuvaamaan uraanin ja toriumin aktiivisuutta. Curie myös löysi 1897 uraanin hajoamissarjasta uuden alkuaineen, jonka nimesi kotimaansa mukaan poloniumiksi. Pian, 1898, Curie ja miehensä Pierre löysivät myös toisen uuden alkuaineen, radiumin.

Marie Curie

Sillä välin Britanniassa fyysikko Joseph John Thomson tutki keväällä 1897 itse katodisädeputkea. Hän laittoi putken toiselle puolelle positiivisesti ja toiselle negatiivisesti varatun metallilevyn, sekä magneetin edelleen molemmin puolin putkea. Putken pää oli maalattu fluoresoivalla maalilla, jonka hehkun siirtymästä Thomson pystyi havaitsemaan, että säde kääntyi kohti positiivisesti varattua puolta – suihkun oli siis oltava negatiivisesti varattu. Magneettikentän muutosta mittaamalla hän taas kykeni mittaamaan sitä poikkeuttavan hiukkasen massan. Tulos oli järisyttävä: hiukkasen massa oli 1/2000 osaa keveimmän tunnetun atomin, vedyn massasta. Thomson kokeili eri materiaaleja putken katodina, ja tulos oli aina sama. Hänen löytämänsä hiukkasen oli siis oltava alkeishiukkanen, joka oli osa kaikkia alkuaineita. Atomi ei ollutkaan atomos, jakamaton. Thomson oli löytänyt elektronin.

Thomsonin oppilas Ernest Rutherford taas keskittyi Curien havaitsemaan radioaktiivisuuteen. Hän kokeili säteilyn läpäisevyyttä kokeilemalla eri väliaineita, ja havaitsi sen poikkeavan merkittävästi. Ei väliaineen, vaan säteilylähteen mukaan. Säteilyä oli siis oltava useampaa kuin yhtä lajia, ja Rutherford käytti niistä kreikankielisten aakkosten kahta ensimmäistä aakkosta, alfa ja beta. Hän myös mittasi toriumnäytteen emittoiman kaasun (radon) säteilyn ionisoiman ilman virranjohtavuutta, ja havaitsi kaikissa näytteissään sen puoliintuvan samassa ajassa näytteen koosta riippumatta. Rutherford oli määrittänyt puoliintumisajan (aika oli noin yksi minuutti – Rutherfordin mittaama puoliintumisaika oli siis todennäköisesti torium-232:n hajoamistuotteena aktiniumin, jälleen thoriumin ja lopulta radiumin kautta syntyvää radon-220:aa, jonka puoliintumisaika on 55 sekuntia).

Thomsonin atomimalli, rusinapulla.

Thomson oli päätellyt löytämiensä elektronien olevan positiivisesti varatun atomiytimen pinnalla leijuvia negatiivisia hiukkasia. Rutherfordin koe, missä ohutta kultalevyä pommitettiin alfahiukkasilla kuitenkin selvitti 1909, että atomiydin on suurimmaksi osaksi tyhjää – elektronit kiertävät tiheää atomiydintä suhteellisen kaukaisilla kiertoradoilla. Kulta-atomi on suuri ja raskas, joten jos se olisi suuri pulla, jonka pinnalla elektronit velloisivat rusinoina, alfahiukkaset käyttäytyisivät kaikki keskenään samalla tavalla. Pieni määrä alfahiukkasia kuitenkin sirosi eli kimposi takaisin hyvin jyrkällä kulmalla. Atomin keskellä oli siis oltava jotain erittäin tiheää, raskasta ja positiivisesti varautunutta (sillä positiivinen varaus hylkii positiivisesti varautunutta alfahiukkasta), mihin ne törmäsivät, vaikka pääsivät suurimmalta osaltaan kulkemaan häiriintymättä läpi. Atomin massa oli siis sijaittava lähes kokonaan sen ytimessä.

Rutherfordin atomimalli.

Rutherfordin atomimallia tarkensi Niels Bohr 1913, joka selitti kvanttifysiikan keinoin vedyn spektriviivat. Bohrin mukaan atomi emittoi valoa vain, kun elektroni siirtyi ulommalta kiertoradalta sisemmälle – siis purki kvanttimekaanisen potentiaalienergiansa valokvanttina, fotonina. Tällä valokvantilla oli elektronin asemaenergian suuruinen energia, mikä määräsi sen aallonpituuden. Bohr myös kvantittumisen kautta selitti, miksi elektroni ei menettänyt energiaansa pyöriessään vinhaa kyytiä ytimen ympäri kuin undulaatti betonimyllyssä: sen kiertoliike on oikeastaan osa elektronin aalto-hiukkasdualismia, eli se muodostaa kuorellaan seisovan aallon, eikä siis periaatteessa liiku. Tällöin se ei myöskään hukkaa energiaa vaikka varattuna hiukkasena liikkuukin sähkökentässä, ja samasta syystä kullekin atomiorbitaalille eli elektronien kiertoratakuorelle mahtuu rajallinen määrä elektroneja.

Atomimalli tarkentui jälleen 1932, kun James Chadwick tutki Walter Bocken sekä Frédéric ja Irène Joliot-Curien (kyllä: Marie Curien tytär) kokeita, missä berylliumia pommitettiin poloniumlähteen emittoimalla alfasäteilyllä. Beryllium lähetti itse tämän pommituksen seurauksena säteilyä, joka irrotti parafiinivahakalvon vetyatomeista protoneja, joiden energiaksi mitattiin 5,3 MeV. Säteilyä pidettiin aluksi suuritaajuisena gammana, mutta irronneiden protonien energia oli niin suuri, että gammasäteilyn välittäjähiukkasen, fotonin, olisi tullut omata 50 MeV energiaa. Se olisi paljon enemmän kuin mitä oltiin mitattu, joten Chadwick päätteli, että alfapommitus sai berylliumin emittoimaan ytimestään varauksettoman, suurimassaisen hiukkasen. Se myös selittäisi, miksi esimerkiksi heliumin järjestysluvuksi tiedettiin 2 mutta sen massaluvuksi oltiin mitattu 4. Berylliymin emissiolla ei nimittäin havaittu mitään sähkömagneettista vaikutusta, eli sen oli oltava varaukseton.

Bohrin atomimalli.

Chadwick pommitti itse berylliymin säteilyllä eri kohdeaineita, kuten typpeä, happea, heliumia ja argonia. Irronneiden protonien energia oli edelleen aivan liikaa ollakseen fotonien aiheuttamaa, samaten reaktiopoikkipinta-ala oli kertaluokkia suurempi, kuin mihin pienet ja lepomassattomat fotonit kykenivät. Berylliumin oli siis emittoitava massaltaan ja halkaisijaltaan suuri hiukkanen, jolla ei ollut sähkövarausta. Seuraavaksi Chadwick pommitti alfasäteilyllä booria ja mittasi sen emittoimien neutraalien hiukkasten vaikutusta typpikaasuun, sillä sekä typen että boorin atomien massa oltiin mitattu tarkasti. Näin Chadwick pystyi mittaamaan hiukkasten liikemäärän. Seuraavaksi hän pommitti säteilyllä vetyä, joka molekyylin massaksi tiedettiin kaksi protonia ja kaksi elektronia, ja mittasi irronneen protonin nopeuden. Olettaen törmäyksen täysin kimmottomaksi hän tiesi nyt hiukkasen nopeuden ennen törmäystä, ja yhtälössä oli enää yksi tuntematon, joten tuntemattoman arvoksi Chadwick pystyi laskemaan 938 ± 1,8 MeV (arvoksi on myöhemmin mitattu 939,57 MeV). Chadwick oli löytänyt ja määrittänyt neutronin.

Kukaan ei vielä tiennyt mitä tarkkaan ottaen tapahtui. Alfasäteily, eli raskaamman ytimen hajotessaan emittoima nopea heliumatomi (2 protonia + 2 neutronia) fuusioitui beryllium-9 -ytimen (4 protonia + 5 neutronia) kanssa alfakaappausreaktiona: berylliumin vahva vuorovaikutusvoima sieppasi heliumytimen, jolloin järjestysluku kasvoi kahdella ja massaluku neljällä, ja tuloksena oli hiili-13 (6 protonia +7 neutronia), joka sinänsä on vakaa isotooppi. Atomi kuitenkin jäi hyvin ylivirittyneeseen energiatilaan, minkä se purki sekunnin miljardisosassa emittoimalla neutronin, ja jäljelle jäi hiili-12. Kokonaisreaktio oli siis He-4 + Be-9 -> C-12 + n.

Chadwick sai löydöstään fysiikan Nobelin 1935. Kun neutroni nyt oli löydetty, sillä haluttiin pommittaa kaikkea, ja katsoa mihin se johtaa. Enrico Fermi rytkytti neutroneilla uraania 1934, ja tuotti jotain mitä luuli uraania raskaammaksi alkuaineeksi. Uraanin pommitus nimittäin tuotti spektrin alfahiukkasia, protoneja, ja ennenkaikkea betahiukkasia. Betahiukkanen on nopea elektroni (tai positroni), joka syntyy neutronin muuttuessa protoniksi, joten Fermi päätteli löytäneensä epäsuorasti uraania raskaamman alkuaineen. Radioaktiivisten hajoamisten määrä ja laadun variaatio oli kuitenkin selittämätön, eikä uutta alkuainetta onnistuttu eristämään. Kemisti Ida Noddack esitti, että ehkä uraani ei ollutkaan absorboinut neutronia ja muuttunut raskaammaksi, vaan hajonnut. Noddack ei kuitenkaan pyrkinyt sen tarkemmin selittämään ajatustaan, eikä Fermikään.

Sen selitti 1938 Lise Meitner. Otto Hahn ja Fritz Strassmann olivat pommittaneet uraania neutroneilla, ja havainneet hajoamistuotteiden seassa bariumia. Uraanin järjestysluku on 92 ja bariumin 56, eikä mikään tunnettu hajoamissarja voinut selittää näin kevyen alkuaineen olemassaoloa. Kemisti Hahn ei kyennyt selittämään ilmiötä, ja kirjoitti havainnostaan fyysikko Meitnerille.

Lise Meitner. Kuva: Wired.com

Meitner ässehti asiaa siskonpoikansa Otto Frischin kanssa, joka oli joululomalla Niels Bohrin instituutista. Meitner pohti, että voisiko uraani absorboida ytimeensä neutronin siten, että uraaniytimen poikkileikkaus enää olisikaan pallomainen, vaan pisaramallinen – kuten George Gamov ja Bohr olivat aikaisemmin pohtineet - mikä johtaisi sen käyttäytymiseen epäkeskon tavoin.

Klassisen fysiikan tavoin myös hiukkasfysiikassa epäkeskon kappaleen hyrrävoimat saavat sen leviämään pitkin maisemaa. Meitner laski, että epäkeskon uraaniytimen haljetessa Hahnin kuvaamiksi hajoamistuotteiksi, tytärytimet hylkisivät toisiaan noin 200 MeV energialla. Energiaa ei termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan voida luoda tyhjästä eikä hävittää minnekään, joten tämän hylkimisenergian oli tultava jostain. Meitner laski, että kahdella tytärytimellä oli noin 1/5 protonin massaa vähemmän yhteismassaa (massakato tulee ytimen sidosenergiasta) kuin uraaniatomilla, mistä taas Albert Einsteinin kaavalla E=mc² tulokseksi tulee noin 200 MeV. Meitner oli selittänyt ja nimennyt fission.

Fissio.

RADIUMTYTÖT JA HIUKKASTEN TORAHAMPAAT

Curie on myös vanhentunut aktiivisuuden yksikkö: se vastaa yhden puhdistetun radium-226 –gramman aktiivisuutta. Yhdessä grammassa puhdasta radium-226:tta tapahtuu 37 miljardia hajoamistapahtumaa sekunnissa, mikä on siis yksi curie. Yleisimmin käytetty yksikkö on becquerel, 1 hajoaminen sekunnissa. Uraanin isotooppien aktiivisuudet ovat 231 000 becquerelia grammaa kohti U-235:llä ja 12,4 bq/g U-238:lla. Koska luonnonuraani on seos eri isotooppeja, on sen aktiivisuus 25 400 bq/g. Radium-226 on siis 1,456 miljoonaa kertaa aktiivisempaa kuin uraani.

Aktiivisuutensa ansiosta radon-222:ksi alfahajoava radium on erittäin hyvä säteilylähde. Kuten Röntgen oli havainnut, säteily voi tietyissä olosuhteissa aiheuttaa fluoressenssi-ilmiön osuessaan sopivaan väliaineeseen, missä se virittää väliaineatomin elektronin, joka purkaa energiatilansa fotonina palatessaan alemmalle kiertoradalleen. Sinkkisulfidin (ZnS) havaittiin olevan tällainen väliaine, ja hyvin aktiivisen radiumin tanakka rummutus sai sen hohtamaan tasaisesti ja kirkkaasti. Siitä keksittiin siis tehdä rannekellojen itsevalaisevia viisareita.

Yhdysvalloissa alan pioneeri oli United States Radium Corporation, joka toi markkinoille radiumaktivoidun, fluoresoivan maalin, UnDarkin. Ohuiden viisarien maalaaminen kalliilla maalilla oli tarkkaa työtä, joten työhön palkatut nuoret tytöt määrättiin kostuttamaan ohuet pensselit huulillaan, jotta harjakset pysyivät tiukasti nipussa ja pensselin kärki pysyi terävänä. Samalla he saivat radiummaalia huuliinsa, ja ennen pitkää, syvemmälle elimistöönsä.

Radiumtyttöjä. Kuva

Radium on saman II ryhmän alkuaine, kuin kalsium. Siksi se käyttäytyy kemiallisesti samalla tavalla, ja kehon aineenvaihdunnassa luun kalsiumatomi voi korvautua radiumatomilla. Näin keho varastoi itseensä voimakasta alfasäteilijää, joka lähetti alfahiukkasensa, nopeat heliumytimet, suoraan kehon sisältä. Ne ovat erittäin voimakkaasti ionisoivia hiukkasia, erinomaisia katkomaan molekyylien välisiä sidoksia soluissa. Erityisesti tämä näkyi suussa ja leuassa, missä radiumin pitoisuus pysyi jatkuvasti korkeana. Radiumtyttöjen hampaat alkoivat pudota, leukaluu mennä kuolioon, ja heillä alkoi esiintyä leukemiaa ja anemiaa. Ensimmäinen oikeusjuttu nostettiin 1925, mutta US Radium Company palkkasi juristeja ja lääkäreitä todistamaan, että naisten vaivat eivät johtuneet radiumista. Kesti vielä kaksi vuotta, ennenkuin radiumtytöt onnistuivat löytämään juristin ajamaan kannettaan, mikä johti sopimukseen ennen tuomiota 1928. Sen mukaan radiumtytöt saivat yhteisen 10 000 dollarin korvauksen, ja 600 dollaria vuodessa kukin loppuelämänsä ajan.

Viimeinen radiumtytöistä kuoli 1930, kaksi vuotta myöhemmin.

Säteily oli näyttänyt tappajaluonteensa. Sen seurauksiin kuolivat myös Marie Curie ja mahdollisesti myös Wilhelm Röntgen ja Henri Becquerel. Siihen kuoli myöhemmin, 1956, myös Curien tytär Irène. Luontoäiti on häijy ämmä, ja siksi se soveltui strategisen pommituksen piiaksi.

POSTIJUNA MANHATTANILLE

Kun fissio oli löydetty ja selitetty, pohdittiin luonnollisesti fissioreaktion kiihdyttämistä, sillä se vapautti paljon energiaa. Jos alkuaine ei fissiossa ainoastaan hajoaisi tytärytimiksi vaan emittoisi myös neutronin, se halkaisisi toisen ytimen samalla tavalla. Jos neutroneja vapautuisi enemmän kuin yksi, reaktio kiihtyisi itsestään. Jos se kiihtyisi hallitsemattomasti, kaikki uraaniytimen sidosenergia vapautuisi käytännössä kertarysäyksellä. Koska yksi mooli on yhden vetygramman (järjestys- ja massaluku on 1) sisältämien atomien lukumäärä, yhdessä grammassa uraanin isotooppia 235 on Avogadron luku jaettuna massaluvulla eli 6,022*10²³ / 235 = 2,56 * 10²¹ atomia, jotka kaikki vapauttaisivat 200 MeV eli 3,20435*10^-11 joulea energiaa, eli yksi gramma uraania tuottaisi 8,21131*10¹⁰ eli 82 gigajoulen mällin. Se on energiamäärä, joka on 19 tonnissa trinitrotolueenia C₆H₂(CH₃)(NO₂)₃. Siitä voisi siis rakentaa hirvittävän suuren pommin.

Fissioketjureaktio

Tähän mennessä Euroopassa oltiin jo näytelty toisen maailmansodan esinäytös, Espanjan sisällissota. Tässä kenraaliharjoituksessa käytettiin strategista pommitusta, Douhetin terroripommitusstrategiaa, kuuluisimmin Guernican pommituksessa. Hitlerin Legion Condor pieksi baskikaupunkia huhtikuussa 1937 moderneilla pommikoneilla, Do 17:llä, He 111:llä ja Savoia-Marchetti 79:llä. Francon joukot valtasivat pehmitetyn kaupungin, ja tämä vain lisäsi hiiliä fasistiblokin ahjoihin.

Albert Einstein ja Leo Szilárd eivät olleet ensimmäisiä, jotka ajattelivat atomipommin mahdollisuutta, mutta 1939 Euroopassa elettiin jo kiihkeitä lopunajan merkkejä. Uudelleenvarustautuva Saksa oli aloittanut vähemmistöjen keskitysleirittämisen Dachaussa jo 1933. Hitlerin Saksa oli anneksoinut Österbaumin ja Tsekkoslovakian länsimaiden hiljaisella hyväksynnällä 1938. Kun vielä fissio oltiin havaittu Saksassa ja kakkuloita piteli käsissään Nobel-palkittu Werner Heisenberg, ei ollut mahdoton ajatus että belliregentissä natsi-Saksassa ajatus toteutettaisiin ensiksi. Siksi Einstein ja Szilárd kirjoittivat kirjeen elokuun toisena 1939 Yhdysvaltain presidentti Franklin Delano Rooseveltille, että atomitutkimus oli saanut uuden käänteen, siitä voitiin rakentaa hirveä pommi ja Saksassa saatettiin olla jyvällä siitä, miten se tehtiin. Tästä alkaa Manhattan-projektin tarina.

Albert Einstein. Toisin kuin usein luullaan, Einstein ei osallistunut Manhattan-projektiin, vaan kannusti Rooseveltia tekemään sen ennenkuin Hitler ehtisi.

Franklin Delano Roosevelt käynnisti uraanineuvostokomitean, joka pian päätyi tulokseen, että uraanin fissiolla olisi mahdollista rakentaa tällainen pommi, ja se oli mahdollista myös käytännössä, ja että hallituksen oli erittäin suositeltavaa hankkia ainakin 50 tonnia uraanioksidia ja neljä tonnia grafiittia. Ohjelmalle myönnettiin ensi kertaa julkista rahoitusta -6000 dollaria – ensimmäisen koelaitteen, eli Fermin-Szilárdin pinon, rakentamiseen. Rahat käytettiin lähinnä grafiitin ostamiseen hiiliyhtiöiltä, sillä Einstein ja Szilárd olivat päätelleet jo aiemmin, että neutronin tuli menettää liike-energiaa voidakseen tarttua uraaniytimeen ja tehdäkseen siitä epäkeskon. He olivat havainneet, että vesi väliaineena kyllä hidasti neutroneita, mutta sillä oli myös paha tapa absorboida niitä. Mitä kevyempään aineeseen neutroni törmää, sitä paremmin se menettää liikemääräänsä, koska törmäyksen voi silloin ajatella klassisen dynamiikan tavoin kimmoisena – eli törmäyksenä, missä liikemäärää siirtyy törmääjältä törmättävään. Szilardin ja Fermin oli siis keksittävä mahdollisimman kevyt alkuaine, joka ei kuitenkaan absorboisi neutronia. Lähin käytännön esimerkki oli alkuaine numero 6, hiili. Pino rakennettiin itseään ylläpitävän ketjureaktion tutkimiseen, pommina se ei voinut mitenkään toimia.

Sillä välin Kaliforniassa, Berkeleyn yliopistossa keväällä 1940 Edwin McMillan ja Philip Abelson tutkivat uraania syklotronissa, hiukkaskiihdyttimessä. Neutroneilla örnötetty uraaninäyte lähetti kahta beetahajoamisen puoliintumisaikaa: 23 minuuttia ja 2,3 päivää. 23 minuuttia tunnistettiin uraani-239:ksi, mutta toinen oli tuntematon. Jos uraani oli beetahajonnut, kyseessä voisi olla uusi alkuaine 93, ja lopulta kokeet kemiallisilla reaktioilla osoittivat, että näyte ei käyttäytynyt minkään tunnetun alkuaineen tavalla ja muistutti eniten uraania. Samalla jaksollinen järjestelmä meni osin uusiksi (1945 lisättiin aktinoidien ryhmä), sillä sen mukaan ennustettiin alkuaineen 93 käyttäytyvän rheniumin tavoin.McMillan ja Abelson olivat löytäneet neptuniumin, joka nimettiin Neptunus-planeetan mukaan, kuten uraani oli nimetty Uranuksen mukaan.

Neptunium kuitenkin beetahajosi itsessään 2,3 päivän puoliintumisajalla, eli järjestysluku muuttui jälleen kerran yhdellä massaluvun pysyessä samana. McMillanin kokeissa sitä ei kyetty havaitsemaan, sillä näyte oli liian pieni. Glenn T. Seaborg örnötti deuteronipommituksella (deuterium on vedyn raskas isotooppi H-2) 16 MeV energialla luonnonuraania Berkeleyn syklotronissa, jolloin U-238 korvasi yhden neutroneistaan vedyn protonilla, jolloin sen järjestysluku nousi yhdellä. Seurannut Np-238 ässehtii 2,12 päivän puoliintumisajalla beeta^- hajoamisella, jolloin yksi neutroni muuttuu protoniksi ja emittoi nopean elektronin. Järjestysluku nousi jälleen yhdellä, ja beetahajonnut tuote eristettiin kaliumpersulfaatilla K₂S₂O₈, sillä se hapetti hajoamistuotteen muttei muita reaktioyhtälön tuotteita. Hajoamistuote oli alfahajoava 90 vuoden puoliintumisajalla, joten se oli helppo tunnistaa ja eristää liuoksesta sen säteilyprofiilia seuraamalla. Seaborg oli löytänyt plutoniumin isotoopin 238 (Pluto oli Neptunusta seuraava planeetta; se oltiin löydetty 1930).

Glenn T. Seaborg

Seuraavaksi Seaborg pommitti uraanin isotooppia 238 neutroneilla. Fermin ajatusten mukaisesti vuorovaikutustodennäköisyys kasvoi käyttämällä neutronihidastinta (parafiinivahaa), jolloin neutroni ei liian nopeana vain kimmonnut uraanista, vaan myskäisi tiensä ytimeen, jolloin massaluku nousi yhdellä, ja syntyi U-239. Se beetahajosi neptunium-239:ksi ja edelleen plutonium-239:ksi. Koe oli oikeastaan sama, kuin McMillanin, mutta hidastimen käyttö tehosti neutroniabsorptiota merkittävästi.

Tämän jälkeen Seaborg pommitti neutroneilla nyt tuottamaansa plutonium-239:ää, ja se läpikävi fission. Seaborg toisti kokeen uraani-235:llä, jonka tiedettiin olevan fissioituva. Myös se halkesi, mutta noin puolet hitaammin kuin plutonium. Syntyi heti ajatus käyttää uraanin kontrolloitua fissiota plutoniumin tuottamiseen, josta edelleen voitaisiin rakentaa pommi. Anhiton syklotroni ei kyennyt tuottamaan edes riittäviä määriä perinteisiin fyysisten ja kemiallisten ominaisuuksien määrittämiseen, joten Fermin-Szilárdin pino nousi arvoon arvaamattomaan.

Pommiin arveltiin vaadittavan kymmenisen tonnia luonnonuraania tai noin puolet tästä plutoniumia, mutta tämä muuttui, kun isotooppien hyvin erilainen fissioituvuus (kyky haljeta, fissioitua, neutroniabsorption vuoksi) ja fissiiliys (kyky jatkaa ketjureaktiota, eli emittoida useampi kuin yksi neutroni jokaisessa fissiossa) alettiin ymmärtää. Britanniassa paikallisen atomitutkimusryhmän, Tube Alloysin Otto Frisch ja Rudolf Peierls laskivat maaliskuussa 1940, että vaadittava määrä uraani-235:ttä olisi vain muutama kilo (jopa 600 grammaa; tämä tosin johtui väärin määritetystä U-235:n fissiopoikkipinta-alan arvosta, joka oli laskettu kymmenen kertaa liian suureksi. He tiesivät, että suureet olivat lähinnä hyviä arvauksia, ja päättelivät että noin 10 kiloa olisi käytännöllinen pommin ytimen massa). Tämä löytö mullisti koko ajatuksen atomipommista: sen ei tarvinnut olla vihollissatamaan ajettu itsemurhalaiva, vaan oli mahdollista kehittää siitä lentopommi. Ennenkaikkea se tapahtuisi myös nopeilla neutroneilla; niitä ei tarvinnut hidastaa (korkearikasteisessa U-235:ssä neutroneilla ei kertakaikkiaan ole muuta vaihtoehtoa kuin törmätä lopulta fissiiliin uraaniin. Lisäksi U-238 on herkempi absorboimaan nopeita neutroneita, joten sen puuttuessa neutronivuo ei vaimentunut). Britit tiesivät, että Saksassa tutkittiin uraania, asialla ei ollut kuka tahansa tenttinsä prujannut teekkarin nilkki vaan Werner Heisenberg, ja että anneksoidussa Tsekkoslovakiassa oli hyvälaatuista uraanimalmia tuottava kaivos. Nyt atomipommin realiteetti iski kasvoille kuin sukallinen ohrapuuroa, ja Churchillin kabinetti polkaisi pystyyn MAUD-komitean (nimi tuli Niels Bohrin epäselvästä sähkeestä, missä hän viittasi taloudenhoitajaansa Maud Rayhyn). Pommi piti saada aikaiseksi ennenkuin Hitler saisi. Brittitutkimus olikin tässä vaiheessa amerikkalaisia edellä, niin vaatimattomat resurssit uraanineuvostokomitealla oli.

¡VOLARE!

Roosevelt lisäsi vauhtia rattaisiin, ja MAUD-komitean raporttien pohjalta alettiin todella suunnitella uraanin massamaista rikastamista puhtaaksi isotoopiksi 235. Tässä vaiheessa uraanikomitea muuttui toimeenpanevaksi (uraani)komiteaksi S-1, jonka teoreettisen tutkimuksen johtoon asetettiin Enrico Fermi ja isotooppiseparaation johtoon Harold Urey. Arthur ”sironta” Compton taas raportoi MAUD-komitean tuloksista, että U-235:ttä tarvittaisiin jotain 2 ja 100 kg väliltä yhteen pommiin, ja että tähän vaadittaisiin 50-100 miljoonaa dollaria. Pian tämän jälkeen Japani hyökkäsi Pearl Harboriin, ja USA oli toisessa maailmansodassa. Ohjelma sai nyt todella vauhtia alleen, ja taloudelliset resurssit muuttuivat muutaman askeleen kautta lähes rajattomiksi.

Pommin rakentamiseen oli edelleen kaksi tietä, uraani ja plutonium. Uraanin haasteena oli isotooppirikastus (luonnonuraanista vain 0,7 % on U-235:ttä) ja plutoniumin taas sen synnyttäminen atomimiilussa (Uraanin isotoopista 238). Jälkimmäinen työ nakitettiin Chicagon yliopiston metallurgiseen laboratorioon. Sinne siirrettiin myös Enrico Fermi ja Glenn Seaborg. Atomimiilua, Fermin-Szilárdin pinoa, alettiin kasata yliopiston kössihalliin. Plutoniumpinon lisäksi kolmea eri uraanin rikastustapaa – kaasudiffuusoria, sentrifugia ja sähkömagneettista erotinta – päätettiin käyttää ja jatkokehittää, sillä kukaan ei tiennyt, millä niistä saataisiin paras saanto ja tehtäisiinkö pommi uraanista vai plutoniumista. Keväällä 1942 projekti siirrettiin armeijan pioneerijoukkojen hallintaan. Homman sai eversti James C. Marshall, joka lähes välittömästi nimesi johtamansa osaston Manhattanin pioneeripiiriksi (Manhattan Engineer District) salaussyistä, kuten britit olivat nimenneet oman tutkimuksen putkilejeeringiksi ja epämääräisesti MAUD-komiteaksi.

Epäonnistumisen todennäköisyys on tunnetusti suuri, kun kyvytön neuvoo halutonta tekemään tarpeetonta. Marshallilla, kuten juuri kellään ammattiupseerilla, ei ollut luonnontieteellistä koulutusta. Lisäksi Marshall esimiehineen halusi liikkua varovaisesti heille tuntemattoman projektin parissa, jolla vieläpä oli siviilitieteellinen luonne, ja niin tärkeiden materiaalien ja infrastruktuurin hankkiminen takkuili. Syksyyn mennessä armeijakin päätyi sille kannalle, että toimiin oli saatava enemmän pontta, ja Marshallin tilalle nimettiin pioneerijoukkojen eversti Leslie R. Groves, joka oli koulutukseltaan insinööri. Groves hankki välittömästi tutkijoiden suositteleman tontin Tennesseen Oak Ridgestä, määräsi toimittamaan Manhattan-projektille (miksi Manhattanin pioneeripiiriä nyt jo kutsuttiin) kaikki sen tarvitsemat tarvikkeet ja siirsi sen päämajan pääkaupunki Washingtoniin. Julius Robert Oppenheimer ehdotti Grovesille, että tutkimustyön pääresurssit keskitettäisiin yhteen, syrjäiseen paikkaan, mikä olisi tehokkuus- ja turvallisuussyistä järkevintä. Grovesin määräyksestä pian perustettiinkin Los Alamosin laboratorio. Groves myös totesi, että uraanin rikastukseen ei voitu käyttää kaikkia ehdotettuja menetelmiä yhtäaikaa, vaan vuoden loppuun mennessä niistä olisi valittava lupaavin ja keskityttävä siihen. Tutkijoiden myös tulisi siirtyä laboratorioistaan kehitystyöhön, ja mutkia jouduttaisiin vetämään suoriksi. Groves myös ylennettiin prikaatikenraaliksi, ja hän taas nimitti Oppenheimerin tutkimuslaitoksen johtoon.

Julius Robert Oppenheimer

Syrjäiseksi paikaksi valittiin poikakoulun tontti Uuden Meksikon Jemezvuorilla, ja laboratorioprojektille annettiin mielikuvituksellinen nimi projekti Y. Se tunnettiin kuitenkin paremmin koulun nimellä Los Alamos. Laitoksen johtajana Oppenheimer vakuutti Grovesin siitä, että laboratorio tulisi pitää siviililaitoksena (vaikkakin armeijan hallitsemana), sillä tutkijoista ei olisi jäykkään sotilaalliseen organisaatioon eikä heitä voitu sellaiseen houkutella, eikä teoreettisilla fyysikoilla ylipäätään ollut ~~kolmannen~~ minkään valtakunnan upseerin pätevyyttä. Tieteellinen työ myös vaatisi vapaata ideoiden, tietojen ja ajatusten vaihtoa, mikä ei sotilasorganisaatiossa ollut mahdollista. Groves suostui tähän, ja niin Los Alamosiin nousi oikea norsunluutorneista koottu uudisraivaajakylä: sinne rahdattiin hiukkaskiihdyttimiä, van der Graffin generaattoreita, Cockcroft-Waltonin generaattoreita, syklotroneja ynnä muuta 1940-luvun high techiä. Majoituskanta olikin sitten askeettisempi: laudoista koottuja rivitaloja hiililiedellä, vesipumppujen teho ei tahtonut riittää kotitaloustarpeisiin ja sähkön käyttöä oli säännösteltävä. Rakennustyöt alkoivat joulukuussa 1942, ja vuoden 1943 loppuun mennessä Los Alamosissa oli Manhattan-projektin henkilöstöä 3500 ja vuoden 1945 loppuun mennessä 8200 päätä, joista neljällä oli fysiikan Nobel (Bohr, Chadwick, Fermi ja Isidor Rabi). Sellaista aivotrustia ei oltu nähty sitten Platonin bakkanaalien.

SE SUURI SEPARAATTORI

Talven 1942 koittaessa oli edelleen myös auki, että tulisiko pommi rakentaa uraani-235:llä vai plutonium-239:llä. Molemmissa oli valtavat haasteensa, uraani vaatisi erittäin korkeaa rikastusastetta (U-238 vain syö neutroneja ja fissioituu, muttei vapauta neutroneja jatkamaan ketjureaktiota) tavalla, mitä oltu koskaan kokeiltu, ja plutonium piti polttaa neutronipommituksessa uraanin isotooppi 238:sta. Groves nimitti isotooppiongelmaa tutkimaan MIT:n Warren Lewisin, jonka raportti esitti kaasudiffuusorin nostamista tutkimus- ja kehitystyön kärkeen. Sähkömagneettisen separaattorin tutkintaa suositeltiin jatkettavaksi, mutta alemmalla prioriteetillä – se ei todennäköisesti pystyisi tuottamaan suuria määriä U-235:ttä, mutta sillä saatiin nopeasti pieniä näytteitä koetarkoituksiin. Presidentti Roosevelt hyväksyi suunnitelman, jonka mukaan Manhattan-projekti rakentaisi kaasudiffuusorin, täysikokoisen Fermin-Szilárdin pinon sekä keskikokoisen sähkömagneettisen erottimen. Rahoitusta se sai 500 miljoonaa dollaria.

Uraanitutkimus johti Oak Ridgeen, Tenneseehen. Uraanin sähkömagneettinen erotus perustui siihen, että kevyempi isotooppi U-235 taipuisi magneettikentässä jyrkemmin kuin U-238. Vastaavasti kaasudiffuusio perustui siihen, että kevyempi U-235 pääsisi helpommin läpi reikämuureista. Oak Ridgeen rakennettiin siis kaksi laitosta, sähköerotinlaitos Y-12 ja kaasudiffuusorilaitos K-25. Projekti oli massiivinen: Clinton Engineering Worksiksi nimettyä laitosta rakentamassa oli suurimmillaan 75 000 känsäkouraa.

Sähköerotin eli kalutroni on oikeastaan massaspektrometri. Siinä uraani ionisoidaan jotta sitä voidaan kiihdyttää sähkökentällä ja sen lentorataa taivuttaa magneettikentällä. Varautunut hiukkanen, eli ioni nimittäin liikkuu magneettikentässä vastakkaisesti varattua napaa kohti. Koska hiukkasilla myös on klassisen fysiikan mukainen massa ja siten myös inertia, raskaampi isotooppi 238 taipuu suuremmalla kaarresäteellä kuin kevyempi isotooppi 235, ja näin ionisäteet osuivat eri paikkoihin kohtiolevyssä. Kuitenkin juuri ionisoitumisen eli sähkövarauksen vuoksi isotooppikasat alkoivat nopeasti hajaantua, sillä samannapaisesti varautuneet hiukkaset hylkivät toisiaan, ja tämän vuoksi sähkömagneettinen erottelu ei voi rikastaa kuin hyvin pieniä määriä kerrallaan. Ainoa tapa lisätä tuottoa oli rakentaa valtava määrä kalutroneja toimimaan rinnakkain: niitä rakennettiin noin kaksi tuhatta, mihin vaadittiin mm. 85 000 elektroniputkea ja 4500 tonnia kuparia (sähkönjohtavuus 5,96*10⁶ S/m), joka oli kriittinen sotamateriaali ja josta oli huutava pula. Siksi se päätettiin korvata hopealla, mitä ei sotatoimissa tarvittu, mutta millä oli vielä parempi sähkönjohtokyky (6,3*10⁶ S/m), ja hopeaa vaadittiin vain magneettien käämeiksi – se ei siis kulunut prosessissa. USA:n valtionvarainministeriö tyhjensi maan hopeavarannot, 14 700 tonnia hopeaa, arvoltaan yli miljardi dollaria, mikä sulatettiin, valettiin, vedettiin 12 m mittaisiksi nauhoiksi ja vedettiin kalutronien käämitykseksi.

Kalutronin toimintaperiaate.Kuva: osti.gov

Kaasudiffuusorissa taas uraani on muokattu luonnon uraanioksideista fluorivetyhapolla HF uraaniheksafluoridiksi UF₆, joka sublimoituu kaasuksi suhteellisen matalassa lämpötilassa 56,5 °C. Lisäksi fluori esiintyy vain yhtenä isotooppina ¹⁹F, joten ainoa mahdollinen massaero yhdisteessä syntyy uraanin isotoopeista. Kaasu pumpataan suuressa paineessa säiliöön, jossa on seinää vasten puoliläpäisevä kalvo, ja kaksi matalapaineista poistoputkea, reunalla rikastetun ja keskellä köyhdytetyn kaasun. Kevyempi U-235 nimittäin liikkuu nopeammin pienemmän inertiansa ansiosta, ja tulee todennäköisemmin kosketuksiin säiliön seinämien ja edelleen puoliläpäisevän kalvon (nikkeliä tai alumiinia, reikäkoko noin 25 nm) kanssa kuin raskaampi U-238, sillä kaasujen molekyylit värähtelevät aina. Kalvon läpi siis liikkuu, diffundoituu, tilastollisesti enemmän U-235:ttä sisältävää uraaniheksafluoridia, mutta ero on vähäinen – onhan isotooppien välisessä massassa eroa vain noin 1 %. Siksi näitä säiliöitä, diffuusoreita, täytyy kytkeä suuri määrä kaskadiksi eli sarjaan, missä kunkin diffuusorin rikastetun kaasun poistoputki on kytketty seuraavan diffuusorin syöttöaukoksi ja köyhdytetyn kaasun taas edellisen vaiheen syöttöpumppuun. Yhteensä vaiheita saattaa olla sarjaankytkettynä tuhansia.

Kaasudiffuusorin toimintaperiaate.Kuva: osti.gov

ATOMITAKOMO

Kun isotooppirikastamoita vielä myskettiin pystyyn, Chicagon metallurgisessa laboratoriossa (Met Lab) oltiin kasattu yliopiston kössihalliin Fermin-Szilárdin pino Chicago Pile 1. Tähän kokoon oltiin kasattu tiilipalikoista luolamiehen piirtämäksi palloksi 330 tonnia ultrapuhdistettua grafiittia, viisi tonnia pelkistettyä uraania ja 41 tonnia uraanioksidia. Kukaan ei tiennyt, miten ydinreaktori edes tulisi rakentaa, saati käyttää, joten makarooni ja maguaari joutuivat keksimään koko hökötyksen. Alkajaisiksi he päättelivät, että uraani tulisi panostaa hidastinpatteriin tasaisesti laskostamisen sijaan paikallisesti kerääntyneinä möykkyinä, jotta neutronivuon tiheys kasvaisi eikä U-238 parasiittisesti söisi yhtä suurta määrää neutroneita, kuin tasaisessa jakaumassa. Kyse oli nimenomaan pinosta, missä grafiitti- ja uraanitiilet vuorottelivat. Rakenteen keskellä kulki reiät kolmelle kadmiumtangolle, jotka voimakkaina neutroniabsorbaattoreina toimivat säätösauvoina. Pinon rakentaminen oli tarkkaa puuhaa, sillä tutkijoiden oli valvottava neutronivuon tiheyttä – oli vaarana, että reaktorista tulisi vahingossa kriittinen, eli fissioreaktiota itsestään ylläpitävä sitä kasattaessa, sillä kukaan ei tiennyt tarkkaan millainen polttoaine-hidastinpanoksen tulisi olla. Neutronivuon tiheyttä tarkkailemalla voitiin kuitenkin pian poissulkea tällainen lopputulos, ja päinvastoin kun vuo hitaasti tiheni sitä mukaa kun pino kasvoi, se lähestyi kriittistä pistettä. Tällöin säätösauvat laskettiin pinon sisään, ja sen kasaaminen suoritettiin loppuun.

Pinolle tehtiin kriittisyyskoe, missä kaksi sauvaa vedettiin ulos. Toinen asetettiin syöksymään sisään reaktoriin automaattisesti, kun kriittisyys ylitti tietyn tason, toinen ripustettiin hätäseis-kytkimeksi köysitaljan varaan, jolloin se putoaisi painovoimaisesti sisään, kun köysi katkaistaisiin kirveellä. Kolmatta sauvaa käytettiin käsin. Sitä vedettiin ulos hitaasti, pykälä kerrallaan, ja tarkkailtiin hyvin tarkasti neutronivuota. Se tiheni tihenemistään, mutta saavutti aina tietyn tason, missä se pysyi. Fissio oli siis käynnissä, muttei ollut saavuttanut kriittisyyttä – se kävi vakioteholla, ja kun otetaan huomioon uraanin hajoamistuotteiden viivästetty hajoaminen ja neutronituotto, uraanin itsensä fissio ei ollut vielä itseään ylläpitävää. Kun säätösauvaa vedettiin lisää ulospäin, saavutettiin piste, missä Fermi lopulta mittasi neutronivuon lähtevän hitaasti kiihtymään sen ensin hypättyä säätösauvan vetämistä vastaavalle tasolle. Oli joulukuun toinen 1942, ja niin syttyi Chicagossa maailman ensimmäinen atomimiilu.

Chigago Pile. Kuva: Kuva: osti.gov

Antamalla uraanin ässehtiä grafiittihidasteen keskellä ja örnöttämällä hidastinsauvoja kyettiin geigermittareilla tarkkailemaan neutronivuota ja määrittämään reaktion k-arvo, fissiossa syntyvien neutronien määrä (miinus hävikki hidastimeen, epäpuhtauksiin ja pakenemiseen). Tulokseksi saatiin k = 1,0006. Minkäänlaista säteily- tai muutakaan suojausta ei ollut, lukuunottamatta suorakaiteen muotoista kumisäkkiä hökötyksen ympärillä, sillä se pidettiin tiukasti hiilidioksidikaasussa. Tämä ei ollut ongelma, sillä reaktori kävi erittäin matalalla teholla - noin ½ wattia – ja anteeksi on helpompi saada kuin lupa. Fermi ei kertonut Chicagon yliopistolle rakentavansa helvetinkonetta keskelle USA:n toiseksi suurinta kaupunkia.

CP-1 oli kuitenkin koelaitos, jolla lähinnä tutkittiin olosuhteita, missä voitiin saavuttaa kriittisyys ja mitattiin k-arvo. Sitä seurasi pian tuotantokelpoinen reaktori, ja Leslie Groves piti aikaa tärkeämpänä kuin rahaa. Siksi Manhattan-projekti tutki rinnakkain erilaisia reaktorityyppejä, hidastimia ja niiden jäähdytysmenetelmiä. Ilmajäähdytteinen oli nopein rakentaa, ja siitä voitaisiin suhteellisen helposti siirtyä heliumjäähdytteiseen, joten Oak Ridgeen alettiin rakentaa helmikuussa 1943 betonibunkkeriin ilmajäähdytteistä grafiittireaktoria X-10. Sen grafiittilohkossa oli satoja putkia, joihin työnnettiin luonnonuraanipellettejä alumiinikanistereissa (alumiini on hyvä lämmönjohde, muttei juurikaan absorboi neutroneita). Putkiin työnnettiin pikkuhiljaa uusia kanistereita ässehtimään otsapinnalta, jolloin putken toisesta päästä putoili vesialtaaseen kriittisessä fissiossa örnötettyjä tölkkejä. Niiden annettiin muhia muutama viikko tytärytimien hajoamisketjuja – reaktorin jälkilämpöä – kunnes ne vedettiin vedenalaista kanavaa pitkin ulos ja edelleen kemialliseen separaattorilaitokseen, missä etäkäytetyillä työkaluilla kanisterit avattiin ja plutonium separoitiin uraanista. 7,3 metriä kanttiinsa oleva kuutio oli ilmajäähdytteinen, mitä ylläpidettiin suurilla puhaltimilla, ja ulosvirtaava ilma suodatettiin paperisuodattimilla ja edelleen 61-metrisestä piipusta ulos. X-10 saavutti kriittisyyden 4. marraskuuta 1943. Se kävi 500 kW teholla, ja tuotti kuun loppuun mennessä 500 mg plutoniumia, joka erotettiin polttoainepelletistä vismuttifosfaatilla BiPO₄.

X-10:n lataamista.Kuva: osti.gov

Oak Ridgen X-10 oli vielä pilottilaitos, jolla tutkittiin plutoniumtuotannon toimintatapoja ja teknologiaa. Seuraavaksi piti rakentaa teollisen mittakaavan reaktori ja plutoniumin erottelulaitos. Oak Ridge soveltui tarkoitukseen kehnohkosti, sillä se oli turvallisuusmielessä epämiellyttävän lähellä – noin 40 kilometrin päässä - Knoxvillen 100 000 asukkaan kaupunkia, eikä alueen infrastruktuuri taipunut toisen suurlaitoksen tarpeisiin. Jo rikastamoiden ja pilottilaitosten rakentaminen kaikkine tilpehööreineen vaati kymmenientuhansien ihmisten työpanosta, ja operointi lähes saman verran, ja ennenkaikkea Tennesseen sähköverkosta olisi loppunut mehu kesken. Groves ja Oak Ridgen laitoksia operoiva DuPont-yhtiö päättivät siksi rakentaa kokonaan uuden laitoksen Hanfordiin Washingtonin osavaltioon, missä asutus oli harvaa, mutta Columbiajoen voimalaitokset takasivat vakaan sähkönsaannin.

Vesijäähdytteisen Hanfordin B-reaktorin (ensimmäisen kaikkiaan kolmesta) maanrakennustyöt alkoivat 27. elokuuta 1943, ja 1200 tonnin painoinen möliskö 1000 tonnin painoisine 200 mm valurautasuojarakennuksineen alkoi kohota Kalliovuorille. 13. syyskuuta 1944 Enrico Fermi myskäisi ensimmäisen alumiinikuorisen uraanitölkin reaktorin uumeniin. Keskiyöllä syyskuun 27. se kävi jo suuremmalla teholla kuin X-10, mutta teho alkoi selittämättömästi laskea kolme tuntia myöhemmin, kunnes fissio lakkasi tykkänään 28. päivän illalla. Seuraavana aamuna reaktio lähti uudelleen käyntiin, saavutti edellispäivän lukemat, ja sammui jälleen.

Hanfordin reaktori B rakenteilla. Kuva: osti.gov

Uraani-235:n fissiossa 3,3 % halkeamisista tuottaa tytärytimeksi telluuri-135:n, joka beeta-miinuspuoliintuu 19 sekunnissa jodi-135:ksi, joka edelleen beetahajoaa 6,6 h puoliintumisajalla xenon-135:ksi. Lisäksi 3,1 % fissioituvasta uraanista tuottaa suoraan jodi-135:ttä ja 0,25% xenon-135:ttä (eli kokonaisosuus fissiotuotteista on 6,3 %). Xe-135 on erinomainen neutroniabsorbaattori, sillä sillä on suuri efektiivinen poikkipinta-ala (2,6 miljoonaa barnia; U-235:n arvo on 507 barnia, eli ero on 5128-kertainen). Siksi sen kertyminen reaktoriytimeen johtaa fissiotehon laskuun, kun Xe-135 sitoo ketjureaktion kannalta välttämättömän neutronivuon kriittisyysrajan alapuolelle. Matalatehoisissa CP-1:ssä ja X-10:ssä sen vaikutus jää käytännössä matalan konsentraation takia olemattomaksi, mutta Hanford B:n tehon pikkuhiljaa kasvaessa se saavutti tilan, missä xenonpitoisuus saavutti suhteellisen maksimiarvonsa ja veti neutronivuon tiheyden kriittisyysrajan alle. Xe-135 kuitenkin myös puoliintuu 9,2 tunnissa cesium-135:ksi, joten yön aikana käytännössä kylmillään ässehtivä reaktori lähti jälleen örnöttämään, sillä fission katkettua uutta xenonia ei enää syntynyt. Ketjureaktion saavutettua jälleen edellispäiväisen tasapainotilan ilmiö toistui, ja reaktori jäi oskilloimaan tämän tehotason ja tyhjäkäynnin välille. Hanfordin reaktori B oli kokenut xenonmyrkytyksen.

Xenonmyrkytys. Reaktoritehon lakatessa xenonin synty hajoamisketjussa jatkuu, mutta sen "Palaminen" pois neutronivuossa päättyy. Näinollen reaktiivisuus on vastavaiheessa xenonpitoisuuden kanssa.

Tilanteen pelastivat DuPontin insinöörit, jotka olivat ylimitoittaneet reaktorin kanavoinnin, sillä sen käynnistyttyä siihen ei voinut radioaktiivisuuden takia enää kajota, joten rakenteessa oltiin pelattu varman päälle. Ylimääräisiin kanaviin ängettiin lisää uraanitölkkejä, joilla reaktorin teho saatiin nostettua niin korkeaksi, että Xe-135 ”paloi” pois, sillä se kuluu absorboidessaan neutroneita ja muuttuu Xe-136:ksi, joka taas ei helposti absorboi uusia neutroneita, sillä sen reaktiopoikkipinta-ala on paljon pienempi (0,26 barnia, eli 0,26*10^-28 m². Barni kuvannee todennäköisyyttä osua ladon seinään sen sisäpuolelta). Reaktio saavutti uuden tasapainotilan korkeammalla tehotasolla, ja niin ensimmäiset neutroneilla muhitetut polttoainemukit pukattiin ulos reaktorista joulupäivänä 1944. Ne pukattiin edelleen sarjaan kemiallisia erotusaltaita vismuttifosfaattikäsittelyyn. Joulukuussa 1944 myös D-reaktori myskäistiin kriittiseksi helmikuussa 1945, ja plutoniumnitraattikuljetukset Los Alamosiin alkoivat.

¡HILADO!

Samaan aikaan Oak Ridgessä oltiin saatu uraanin rikastusprosessi ruotuun. Siihen myös lisättiin uusi prosessi, terminen erotin S-50. Se ei erikoista kyllä ollut Manhattan-projektin peruja, vaan laivaston jo 1940 aloittama tutkimus jonka sen johtaja, fyysikko Philip Abelson oli saanut hiottua tuotantovalmiiksi kevättalvella 1944, jolloin siihen tutustunut Julius Robert Oppenheimer esitti kenraali Grovesille teollisen mittakaavan laitoksen rakentamista Oak Ridgeen. Terminen separaattori käyttää hyväkseen termoforeesia, ilmiötä, missä lämpötilaeron (gradientin) läsnäollessa raskas kaasu pyrkii konsentroitumaan kylmälle pinnalle, ja kevyt vastaavasti kuumalle. Koska lämpölaajenemisilmiön vuoksi kuumempi kaasu myös on kevyempää, tämä johtaa raskaamman kaasun rikastumiseen korkean astian pohjalle. Abelsonin separaattorissa oli koottu pystyyn kolme sisäkkäistä putkea, joista sisimmässä nikkeliteräksisessä putkessa virtasi höyryä 282 °C lämpötilassa ja 690 kPa paineella. Sen ympärille vedetyssä kupariputkessa kulki uraaniheksafluoridia, ja uloimmassa teräsputkessa taas vettä 68 °C lämpötilassa.

Termisen diffuusorin toimintaperiaate. Kuva: osti.gov

Groves hyväksyi suunnitelman ja antoi sen toteutukseen aikaa 4 kuukautta. Se oli kunnianhimoista, sillä Ablesonin laivastolle rakentamassa koelaitoksessa oli 100 putkea, ja Oak Ridgeen piti pystyttää 2142. Rakennustyöt alkoivat kesäkuussa 1944, ja jo lokakuussa ensimmäiset näytteet, 4,8 kg 0,852 % U-235:ttä, rykäistiin putkista ulos. Koko patteri oli käytössä maaliskuuhun 1945 mennessä, jolloin saanto oli 5770 kg. Maaliskuussa 1945 myös päätettiin kytkeä kaikki eri tuotantolaitokset sarjaan: Luonnonuraani kulki termiseen separaattoriin S-50, missä sen U-235-pitoisuus nostettiin 0,71 %:stä 0,89%:iin. Se syötettiin kaasudiffuusoriin K-25, missä rikastusaste nousi noin 23 %:iin. K-25:n tuotto syötettiin sähköerotin Y-12:een, ja tuloksena oli 90 % rikastusasteen uraanin isotooppia 235.

Paino-ongelmia

1943 uraanin sekundääristen, eli fissiossa vapautuvien, neutronien määräksi tiedettiin keskimäärin 2,2. Plutoniumin ominaisuudet sensijaan olivat vielä avoinna, sekundääristen neutronien lisäksi erityisesti reaktiopoikkipinta-ala. Avoinna oli myös kriittinen massa, pienin mahdollinen massa missä fissiili materia ylläpitää itsessään kiihtyvää ketjureaktiota, eli sen kriittisyys on suurempi kuin 1. Lisäksi sen piti olla myös efektiivisesti kriittinen, eli että se ehtisi vapauttaa gargantuaanisen määrän energiaa ennenkuin tämä energian vapautuminen itsessään hajottaisi massan levälleen pitkin maisemaa, ennenaikainen detonaatio eli tila, joka tunnetaan nimellä nuclear fizzle eli ydinhumahdus. Sen klassisen fysiikan analogia on kemiallisen räjähdysaineen räjähdysnopeuden jääminen alle 2000 m/s raja-arvon, jolloin detonaation sijaan puhutaan deflagraatiosta eli humahduksesta, räjähtävästä palamisesta.

Mikä tahansa määrä fissiiliä materiaalia taas ei läpikäy fissioketjureaktiota, sillä suuressa määrässä fissiilejä atomeja on fissiossa vapautuneella neutronilla suurempi todennäköisyys törmätä uuteen fissiiliin atomiin kuin pienessä. Kriittisen massan yläpuolella tämä todennäköisyys on noin 100 %, ja massaa voidaan pienentää lisäämällä pommiytimen ympärille neutroniheijastin, joka heijastaa ytimestä paenneet neutronit takaisin ytimeen, nostamalla fissiilin materiaalin puhtautta, muuttamalla kappaleen pinta-ala-tilavuussuhdetta suuremmaksi tai nostamalla ytimen (efektiivistä) tiheyttä.

Kriittinen massa myös saneli pommin rakenteen. Sen tuli olla erillään pommia kannettaessa, mutta yhdessä voidakseen laueta. Yksinkertaisin tapa toteuttaa tämä on tehdä pommin ydin kahdesta massaltaan alikriittisestä osasta, joiden summa ylittää kriittisen massan tietyllä marginaalilla. Ne tulisi ampua yhteen suurella nopeudella, jotta spontaanin fission kiihtyvä neutronivuo ei ehtisi kappaleiden lähestyessä toisiaan aiheuttaa humahdusta. Tunnettujen muuttujien valossa tällainen, tykkityyppinen, pommirakenne sopi korkearikasteiselle uraani-235:lle, mutta plutonium oli vaikeampi tapaus.

Plutoniumia tuotetaan örnöttämällä luonnonuraania hidastetuilla neutroneilla ydinreaktorissa sen rikkaasta osuudesta uraania 238. Kun tässä prosessissa syntyy plutonium-239:ää, se on koko ajan tässä samassa hidastettujen neutronien vuossa, missä Pu-239 on jatkuvassa neutronipommituksessa itsekin, ja sen absorboidessa neutronin on sillä noin ¾ todennäköisyys hajota fissiossa tai ¼ todennäköisyys pitää tämä aarre itsellään, muuttua plutoniumin isotoopiksi 240. Pu-240 taas on 11363 kertaa alttiimpi spontaanille fissiolle, kuin Pu-239. Se siis simahtaa itsestään 11363 kertaa todennäköisemmin, mikä riittää ylläpitämään pientä neutronivuota plutoniummällissä. Se riittäisi humauttamaan reaktiotasapainon ylikriittiseksi niiden millisekuntien aikana kappaleiden lähestyessä toisiaan, ennenkuin efektiivisesti kriittinen massa olisi kasassa.

Plutoniumpommi oli siis rakennettava imploosiotyyppiseksi (”Fat Man”; tykkityyppinen ”Thin Man” unohdettiin): sen kriittinen massa olisi onttona pallona, jota ympäröivät vuorottelevat kiilat hidasta ja nopeaa kemiallista räjähdettä. Nämä räjähdelinssit kohdistettiin kaikki pallon origoon ja ajastettiin sytytyslangoillaan laukeamaan samalla hetkellä, jolloin räjähdelinssien valtava paine musertaisi plutoniumin yhteen kasaan, missä neutroneilla ei ollut mitään muuta tietä, kuin törmätä plutoniumatomeihin, ja seuraisi hallitsematon fissio. Kun Los Alamosissa saatiin mitattua Pu-239:n reaktiopoikkipinta-alaksi 781 barnia ja kriittiseksi massaksi 9,685 kg, voitiin pommi suunnitella laukaisukuntoon. Plutoniumin kiderakenteista deltafaasi, eli pintakeskeinen kuutiollinen kide on tihein, joten metallurgia suositti sen käyttöä. Kuten teräksen vastaava austeniittifaasi stabiloidaan nikkelillä, plutonium seostettiin galliumilla (1 massaprosentti) kiderakenteen säilyttämiseksi jäähtymiskäyrää pitkin. Plutoniumista kuumapuristettiin kaksi puolipalloa, jotka passivoitiin nikkelipinnoituksella.

Puolipallojen väliin asetettiin pommin sytytystulppa, ontto kullalla pinnoitettu beryllium-9-pallo, jonka ympärille vedettiin polonium-210:sta valmistettu holkki, joka taas ympäröitiin beryllium-9-holkilla, joka oli jälleen kullalla pinnoitettu. Näiden ympärillä on itse ontto plutoniumpallo, jota ympäröi luonnonuraanista veistetty massiivinen (111 kg) vaippa, jonka tehtävä on toimia lähinnä hidastimena – siis klassisen fysiikan merkeissä hidastaa inertiallaan plutoniumin lentämistä ulos fission käynnistyessä. Lisäksi U-238 on fissoituvaa, muttei fissiiliä – neutronivuossa sekin fissioituu, vaikkei ylläpidäkään ketjureaktiota. Uraanikuoren pinnalla on boorivaippa, joka toimii neutronikaivona, sitoo spontaanin fission vapauttamat neutronit, jotteivat ne pääse etenemään räjähdelinssien vetyyn ja palaamaan hidastuneina takaisin – se on siis jälleen yksi mekanismi estämässä predetonaatiota. Boorivaipan ympärillä ovat huolellisesti suunnitellut ja valmistetut heksogeeni- ja trinitrotolueenilinssit.

Imploosiopommin rakenne. Kuva.

Pommin räjähdelinssit musertavat koko rakenteen yhtä pistettä kohti, jolloin polonium ja beryllium pääsevät kontaktiin toistensa kanssa. Po-210 on voimakas alfasäteilijä (puoliintumisaika 138 päivää), ja rakenteen romahtaessa ohuet kultakalvot ratkeavat päästäen alfahiukkaset berylliumiin, joka tekee eräänlaisen fuusion – alfakaappauksen. Be-9 sieppaa alfahiukkasen, ja muuttuu hiili-12:ksi, ja emittoi ylimääräisen neutronin. Nyt kasaan romahtavan pommin ytimessä on aggressiivinen neutronilähde, ja neutronivuo ylikriittisessä plutoniumissa on rikkaampi kuin teekkari tilipäivänä.

Uraanipommin rakenne lyötiin lukkoon helmikuussa 1945, ja sen toiminnasta oltiin täysin varmoja; koelaukaisua ei tarvittaisi. Plutoniumpommin kohdalla tilanne oli edelleen mutkikkaampi: imploosiorakenne oli monimutkainen eikä sen toiminnasta voitu olla täysin varmoja. Reaktorit kuitenkin tuottivat plutoniumia hyvää tahtia, paljon nopeammin kuin uraani-235:ttä ehdittiin rikastaa. Oli siis varaa tehdä koeräjäytys, Trinity.

PYHÄ KOLMINAISUUS

Oppenheimer valitsi koepaikaksi Jornada del Muerton, pommikoneiden maalialueen 340 kilometriä etelään Los Alamosista; ”Kuolleiden päivämatka” oli nimenä enteellinen. Paikalle rakennettiin räjäytystornin lisäksi mittava mittalaitepatteristo, jota koeponnistettiin räjäyttämällä 81 tonnia trinotrotolueenin ja heksogeenin (O₂N₂CH₂)₃ seosta toukokuun seitsemäntenä 1945. Perjantaina 13. heinäkuuta imploosiopommi sytytysjärjestelmineen koottiin ja nostettiin 30-metrisen tornin huipulle. 5:30 aamulla 15. heinäkuuta 1945 sytyttimen virtapiiri sulkeutui, räjähdelinssit detonoivat, plutonium sulki sytytystulpan inertiallaan kuristajan kouriinsa, ja neutronivuo kiihtyi nanosekunneissa alkeishiukkasten hirmumyrskyksi. Ja niin alkoi atomiaika, kun Uuden Meksikon autiomaassa syttyi raskaan metallin myrsky.

Trinity

Aamuyö välähti valkoisen valon vaippaan, kun se sanomaton kirkkaus joka ulos loisti syöksyi fissiopuurosta taivaalle. Pommia pidellyt 30-metrinen torni vaporisoitui millisekunneissa, fission suunnaton voima sulatti 300 metrin päähän saakka aavikon hiekkapohjan, joka oli jähmettyessään muuttuva tykkänään uudeksi mineraaliksi, trinitiitiksi. Näyttösuojissa 10 kilometrin päässä silminnäkijät tunsivat valon polttavan kuin avatun uunin luukusta. Valon valtameren vaimentuessa kirkkaanoranssi valopallo kohosi kohti taivaita muuttuen pikkuhiljaa oranssiksi, sitten violetin verhon peittoon ionisoituneen ilman purkaessa varauksensa. Tulipallo veti perässään valtavaa savupilaria, joka muuttui suureksi valkoiseksi sieneksi ja työnsi edellään renkaanmuotoisen aukon pilviin. Kaikki tapahtui täydessä hiljaisuudessa, sillä äänellä kesti 40 sekuntia edetä näyttösuojaan. Saapuessaan se heitti hatut päästä ja kuului mahtavana ukkosena 160 kilometrin päähän. Oppenheimer katsoi majesteetillista näytelmää mykistyneenä. Myöhemmin hän kertoi ajatelleensa tuolloin erästä hindujen pyhää kirjaa, Bhagavad Gitaa: ”Jos tuhannen auringon säteet räjähtäisivät kerralla taivaalle, se olisi kuin mahtavan loisto..” ja toista kohtaa : ”Nyt minusta on tullut Kuolema, maailmojen tuhoaja”.

Giulio Douhetin haamu oli saanut rakkaimpansa. Yhdysvaltain presidentti Harry S Truman kertoi Potsdamin konferenssissa viikkoa myöhemmin Josif Stalinille, että hänellä oli käytössään pommi, jolla voisi kerralla lakaista maan päältä kokonaisen kaupungin. Liittoutuneet allekirjoittivat 26. heinäkuuta Potsdamin julistuksen, jossa he vaativat Japanin ehdotonta antautumista, tai sitä uhkaisi nopea ja syvä tuho.

Japani pyysi Neuvostoliittoa toimimaan välittäjänä Japanin omille rauhanpyrkimyksille, jotka sinänsä hyväksyivät asevoimien täyden antautumisen, mutta vaati takeita keisarillisen monarkian jatkumisesta. Lisäksi Japanin armeija painosti hallitustaan ja vaati taistelua loppuun asti, eikä Japanin kansa välttämättä hyväksyisi rauhanehtoja – olihan se pidetty salassa tilanteen toivottomuudesta, vaikka tiesikin sodan sujuvan huonosti. Asia ylipäätään eteni vain, koska keisari Hirohito ajoi sitä arvovallallaan. Japani ei siis vastannut julistukseen, ja Neuvostoliitto pysyi itse täysin vaiti niin Japanin kuin USA:n suuntaan, joten USA katsoi Japanin hylänneen julistuksen, ja 5. elokuuta 509. lentorykmentti Tinianin saarella vastaanotti määräyksen n:o 35. Se oli valtuutettu vapauttamaan ydintuulen puhaltamaan ikiunihiekkamyrskyn japanilaisten silmille.

ATOMIPOMMIPAINAJAINEN

Se oli kuulas aamuyö, elokuun kuudes kukon vuonna 1945. Kellon lähestyessä puolta kolmea Tinianin saarella pohjois-Mariaaneilla rauhallisen yön rikkoi ryske ja pauke. Karkea kolina yltyi muutamissa sekunneissa vielä karkeammaksi murinaksi. Kahdeksantoistasylinterinen Duplex Cyclone heräsi käyntiin B-29 –pommikoneen oikean siiven alla. Pian yön täytti toisen, kolmannen ja neljännenkin mörön örinä. Se jatkui vain hetken, sillä moottorit kaipasivat käynnistyttyään ahnaasti jäähdytysilmaa, joten ohjaaja Paul Tibbets aloitti heti rullaamisen kiitoradalle. Öljyt saisivat luvan lämmetä ja lentomekaanikko tehdä tarkistuksensa nousukiidossa. Nokan osoittaessa kiitorataa pitkin hän käänsi kaasuvivut auki, ja ruiskutuspumput tekivät karkeasta korinasta pehmeää, mutta raivoisaa kehräämistä kuin virkaintoisella kissalla. 8 800 hevosvoimaa repi 60-tonnista pommikonetta taivaalle, ja niin kello 2:45 alkoi kaikkien aikojen verisin lento.

Maali koneen nokassa oli vielä kosteaa. Tibbets oli määrännyt ilmavoimien mortin maalaamaan siihen äitinsä, Enola Gay Tibbetsin etunimet. Nimi oli sangen ironinen, sillä edes eversti Tibbets itse tuskin oli käsittänyt, mitä Enola Gay kantoi uumenissaan. Tämän äidin kehdossa uinui Little Boy, neljä ja puoli tonnia atomipommia, josta 64 kiloa oli uraanin isotooppia 235. Tykkityyppinen pommi ampuisi kaksi massaltaan alikriittistä uraanikappaletta, pallon ja vastaanvankokoisen kupin, yhteen ylikriittiseksi kappaleeksi. Juuri B-29:n moottoriongelmien takia pommin sytytinjärjestelmä asennettiin vasta lennossa. Enola Gay ylitti Iwo Jiman ennen kuutta aamulla, ja sen seuraan liittyi kaksi muuta B-29:ää, jotka oli varustettu mittalaittein tarkkailemaan pommin vaikutuksia. Kaikki kolme konetta lensivät mudoostelmassa kohti Japania, minne oli niiden edeltä lentänyt kolme säätiedustelulaittein varusteltua B-29:ää. Vasta seuraavien parin tunnin aikana selviäisi, lentäisikö Enola Gay Hiroshiman, Kokuran vai Nagasakin ylle. Kello 07:09 Enola Gay sai radioviestin, jonka mukaan Hiroshiman yllä taivas oli poutainen. Muodostelma kääntyi sitä kohti.

Se oli kirkas aamu, kuudes elokuuta kukon vuonna 1945. Hiroshiman kaupungin pommitussireenit olivat soineet ennen seitsemää yhden pommikoneen lentäessä kaupungin yli. Yön pommitukset olivat ottaneet kohteekseen muita Japanin kaupunkeja, ja kun uusia koneita ei näkynyt tutkassa, sireenit antoivat vaara ohi-merkin kello 07:09. Kaupunki alkoi herätä arkisiin askareisiinsa. Raitiovaunut kulkivat, miehet matkasivat töihinsä, lapset myivät heille tupakkaa, postikortteja tai mitä nyt vain kykenivätkään kodeissaan väkertämään myytäväksi maassa, jossa vuosien sotimisen jälkeen oli pulaa kaikesta. Aurinko paistoi ja lämmin päivä nousi nousemistaan kaupungin ylle, joka oli säästynyt pommituksilta koko sodan ajan. Kun kolme pommikonetta seurasi yhtä, jo tunti sitten mennyttä konetta, ei kukaan kiinnittänyt niihin juuri huomiota. Tutka näki ne klo 8:00, ja radioasemat esittivät kehotuksen siirtyä pommisuojaan, mutta kukaan ei pitänyt kolmea konetta uhkana.

Kello oli 08:09, kun Tibbets aloitti pommihyökkäyksen, ja luovutti koneen ohjaimet pommittaja majuri Ferebeelle. Hän otti pommitustähtäimen kohteeksi Aioin sillan keskellä kaupunkia, ja kun tähtäinristikko oli sillan kohdalla kello 8:15, hän painoi pommin laukaisinta. Gargantuaaninen pommikone hyppäsi kolme metriä pommin irrotessa ripustimesta. Little Boy syöksyi jarruvarjon varassa 9000 metriä, kunnes saavutti asetettu 600 metrin korkeuden, missä sytytysjärjestelmän ilmanpainemittari kytki sytyttimen virtapiirin. 24 voltin tasavirtapiikki eteni kolmeen merivoimien tykistön sähkönalliin, jotka laukaisivat neljä kiloa kordiittia. Uraanikuula syöksyi uraanikuppiin, kriittinen massa ylittyi, ja neutronivuon tiheys kasvoi hallitsemattomaan uraanin fissioon. Ja niin Hiroshiman kaupungin yllä syttyi raskaan metallin myrsky.

Se oli suuri aamu, kirkkaan valon juhla. Tuhannen auringon valo välähti kaupungin yllä. Se kirjaimellisesti oli sitä. Se poltti kaiken paljaan ihon karrelle, ja naisten kukkamekkojen kuviot varjokuvina heidän ihoonsa. Valon kirkkaus poltti Sumitomo-pankin portailla istuvan ihmisen varjon pysyvästi kiinni portaisiin. Se myös hitsasi sillankaiteiden varjot asvalttiin. Suoraan pommin alapuolella, hyposentrumissa, lämpötila ylitti 3000 Celsiusastetta, atomipommiytimen ympärillä vallitsi miljoonia asteita. Valon perässä seurasi atomipommin paineaalto, räjähdyksen paineen tieltään puhaltaman ilman rintama, ja tästä eteenpäin kaikki on klassisen fysiikan korutonta tarinaa.

Syy siihen, miksi atomipommi halutaan räjäyttää maanpinnan yläpuolella, on käyttää sen energiaa tuhon aikaansaamiseksi. Maan pinnalla räjähtävä pommi vaporisoisi maata aivan turhaan, kun ylhäällä räjähtävä pommi tuottaa energiallaan paineaaltoa. Aalto etenee sinänsä vakionopeudella kaikkiin suuntiin, mutta se heijastuu maasta takaisin – edelleen kehämäisesti hajoten. Koska äänennopeus ilmassa on vakio, näille aalloille tulee kulma, joissa tietty räjäytyskorkeus johtaa ylhäältä alaviistoon etenevän ja alhaalta yläviistoon heijastuvan aallon kohtaamiseen, konstruktiiviseen interferenssiin.
Aallot yhdistyivät, joten paineaallon voimakkuus kasvoi. Se eteni pitkin Hiroshimaa lähes äänennopeudella, repien puurakenteisen kaupungin seinät mukaansa. Puunsäleet ja naulat silpoivat valon sokeisemat asukkaat, ja tiilinen, jo valopilven puusosistaan sytyttämä katto romahti heidän päällensä. Paineaalto sammutti tulen hetkeksi, mutta pian seurasi tulipallo, karanneen fission miljooniin asteisiin kuumentaman kaasun aalto.

Tämä nainen oli elosssa kuvan ottohetkellä. Kasvojen palovammojen hirvittävyyttä ei voi sanoin kuvailla. Kuva: HBO.

Tulipallo etenee paineen ja inertian funktiona maahan, missä se alkaa levitä rengasmaisesti. Etäisyyden kasvaessa paine eli lämpötila myös laskevat, ja hehkuva tulirengas jäähtyy näkyvään muotoon. Nyt syntyy myös suurelle räjähdykselle tyypillinen sienipilvi, kun ylipaineaaltoja seuraa alipaineen vyöhyke, mikä ilmee maan tomua taivaalle. Alipaineen tilalle syöksyvä ilmakehän staattinen paine luo keskelle jälleen konstruktiivisen interferenssin, ja keskeltä nousee korkea painepilari täynnä kaikkea sitä, minkä pommi juuri korvensi. Se nousee ylemmäs, missä paineaalto alkaa hajaantua matalapaineisempaan ilmaan, ja jäähtyä. Kun torni hidastuu ja hajaantuu kärjessään, muodostuu sienipilvi. Tulipallo myös maata pitkin kiitäessään välittää siihen lämpöenergiaansa, sillä voidakseen sen jäähtyä pitää maan kuumeta. Viimeistään tämä sytytti kaiken, mikä vain syttyvissä oli.

Noin 20 minuuttia atomidetonaation jälkeen tulipalot yltyivät tulimyrskyksi. Tulipalot synnyttävät pluumin kuumaa palokaasuaan ylleen, ja imevät viileää ilmaa ympäriltään. Kuuma nouseva kaasu synnyttää alipaineen taakseen, minne samalta korkeudelta ja ylempää syöksyy viileää, tiheää ja ennenkaikkea happirikasta ilmaa. Kaupunki muuttui tohisevaksi ahjoksi, kun ilmavirrat yhdistyivät.

Ahjoa oli mahdoton sammuttaa. Valon valtameri, paineaalto ja tulipallo ahmaisivat yli 70 000 sielua muutaman sekunnin aikana. 90 % Hiroshiman lääkäreistä ja sairaanhoitajista oli kaupungin keskustassa, jonka tilalla oli nyt aavaksi maaksi silattu liekkien valtameri. Pommi oli pudotettu Aion silta tähtäimessä, mutta tuuli ehti ajaa sitä 240 metriä koilliseen, lähes suoraan Shiman sairaalan päälle. Se, mikä ei vaporisoitunut säteilypommityksessa, murskautui ilmavasaran lyödessä höyryvasaran voimalla. Sairaalan tukipylväätkin upposivat syvälle maahan.

Kuva: AtomicAnalyst

Eloonjääneet raahustivat palavasta kaupungista ulos, useimmat hirvittävästi palaneina ja silpoutuneina. Heidän päälleen alkoi sataa mustaa sadetta, kun sienipilvi jäähtyi, ja sen mukana noussut vesihöyry tiivistyi noen ja radiopartikkelien ympärille. Se oli ainoaa vettä ,mitä tarjolla oli, joten korventuneet joivat sitä ahnaasti. Samalla he myrkyttivät itsensä, sillä uraani ja useimmat sen hajoamistuotteista ovat alfahajoavia. Nopeat heliumytimet ovat voimakkaasti ionisoivia eli kaikkein tehokkaimpia katkomaan biologiselle elämälle tärkeitä orgaanisia sidoksia, ja ennenkaikkea alfahiukkasia emittoi valtava määrä uraanin hajoamistuotteita, jotka on helppo vetää henkeen tai juoda veden mukana. Tämä alfapommitus korvensi kymmeniätuhansia, jotka olivat juuri heränneet katselemaan lähietäisyydeltä hirvittävintä väkivaltanäytelmää, mikä kahdennellakymmenennellä vuosisadalla oli tarjota.

Pommia seuranneiden muutaman kuukauden sisällä kuoli yhtä monta, kuin elokuun kuudentena. Tarkkaa lukua ei tiedä kukaan, sillä niin monet ja heidän paperinsa katosivat niin atomi- kuin terroripommituksissa. Tulipallon ahmimien ja paineaallon silpomien lisäksi on valtava määrä näihin vammoihin seuraavien viikkojen aikana kuolleita, ja tähän joukkoon sekoittuvat säteilysairauteen kuolleet, joiden elintoiminnot vain haihtuvat. Rehellinen arvio on Little Boyn vaatineen 150 000 sielua. Niitä satoja tuhansia, jotka eivät atomipommeihin kuolleet, kutsuttiin Japanissa nimellä Hibakusha - pommin koskettamat. Useimpien vammat saatiin hoidettua vasta 60-luvulla, eivätkä kaikki parantuneet koskaan. Jos silpominen, myrkyttyminen ja polttaminen ydininfernossa ei riittänyt, heitä katsottiin parhaaksi syrjiä Japanin tappion symbolina. He olivat likaisia. Tieteen suurimman keksinnön saastuttamia. Heitä oli kohdannut raskaan metallin myrsky.

Nagasakin pommin aiheuttamat vammat Taniguchi Sumiterun selässä tammikuussa 1946

Kolme päivää myöhemmin sama kohtalo odotti Nagasakia, tällä kertaa imploosiotyyppisellä plutoniumpommilla. Tuhannen auringon valtakunta oli vallannut nousevan auringon valtakunnan. Tämä oli jo argumentti, joka ei sietänyt vastaansanomista. Samalla se vapautti hallituksen vaikeasta arvovaltalukosta: sen ei tarvinnut enää selittää armeijalle ja kansalle, miksi antautumiselle ei kertakaikkiaan ollut vaihtoehtoja. Keisari Hirohito teki jotain ennenkuulumatonta: piti koko kansalle radiopuheen 15. elokuuta 1945. Japani oli hyväksynyt Potsdamin julistuksen, ehdottoman antautumisen (tosin yhdellä ehdolla: keisarin oli säilyttävä koskemattomana. Tähän suostuttiin). 2. syyskuuta nouseva aurinko laski, kun taistelulaiva USS Missouri lipui Tokionlahdelle, ja japanilaiset diplomaatit astuivat kannelle allekirjoittamaan antautumispöytäkirjan.

Toinen maailmansota oli päättynyt. Se oli vaatinut 75 miljoonaa sielua.

DEMONIYDIN

Elokuun 13. Los Alamosissa koottiin kolmas plutoniumydin (Harry S Truman puhe, jossa hän uhkasi tuhota japanilaisen kaupungin joka viikko antautumiseen saakka oli bluffia – Nagasakin muuttuessa ydintuulen hiiltämäksi erämaaksi hänellä ei ollut kolmatta pommia). Se oltaisiin voitu toimittaa Los Alamosista aikaisintaan 4 päivää myöhemmin, mutta Japani antautui jo kaksi päivää myöhemmin. Kolmatta ydintä ei siis tarvittu akuutisti, joten sitä käytettiin kriittisyyskokeisiin Los Alamosissa.

Koottu, Rufukseksi nimetty atomipommiydin oli hyvin lähellä kriittisyyttä: sen k-arvo oli todennäköisesti noin 0.95, eli 100 neutroniemissiota vapautti 95 uutta neutronia. Nuori fyysikko Harry Daghlian kokosi ytimen ympärille volframkarbiditiiliä, jotka ovat neutroniheijastimia, näin pikkuhiljaa kiihdyttäen fissiota kohti kriittisyysrajaa, missä jokaista neutroniemissiota seuraa yksi vapautunut neutroni. Elokuun 21. 1945 Daglian oli koonnut tiiliä jo neljä kerrosta, kun geigermittari räsähti asetetulla kriittisyysrajalla. Daghlian säikähti ja pudotti tiilen käsistään. Se putosi suoraan plutoniumytimen päälle, jolloin neutronivuo heijastui ylikriittiseksi – itse asiassa kärkkäästi ylikriittiseksi, jolloin se ollut enää riippuvainen viivästyneistä neutroneista, jotka vapautuvat uraanin fissiosarjassa alempana. Fissioreaktio kiihtyi heti useita magnitudeja, ja ydin olisi lopulta sulanut vapauttamansa lämpöenergian vaikutuksesta ja valunut lattialle neutroniheijastimen ulottumattomiin jäähtyäkseen kuvottavaksi plutoniumlaavaksi, mutta Daghlian tempaisi heti volframitiilen pallon päältä lattialle. Hän sai sinä aikana noin 200 radia neutroneita ja 100 radia gammaa, eli yhteensä 6,1 Sievertin säteilyannoksen. 5 Sv annosta pidetään säteilymyrkytyksen LD50-annoksena, joten Daghlianin mahdollisuudet olivat heikot. 25 päivää kärsittyään Daghlian kuoli todennäköisesti ensimmäisenä tarkasti dokumentoituna akuutin säteilysairauden uhrina (hän teki kriittisyyskoetta, joten säteilymittarit olivat päällä koko ajan).

Daghlianin oikea käsi, jolla hän oli heittänyt volframitiilen lattialle.

Rufus ei sulanut, koska Daglian oli heittänyt volframitiilen sen päältä. Se jäi Los Alamosin laboratorioon, missä sillä keväällä 1946 toinen fyysikko Louis Slotin ryhmineen teki samanlaisia kokeita. Ytimen ympärille oli nyt rakennettu turvajärjestely, missä irtonaisia tiiliä ei käsitelty, vaan pallon päälle laskettiin berylliumkupua, jonka alle plutoniumpallon kehälle oli asetettu prikkoja, jotka estivät kupua laskeutumasta niin alas, että sen heijastama neutronivuo olisi ylittänyt kriittisyysrajan. Slotin, todellinen cowboytiedemies, joka työpaikallaan pukeutui lähes aina cowboybootseihin, -hattuun ja farkkuihin, ei moisesta välittänyt. Hän piteli toisella kädellään heijastinkupua, toisella ruuvitalttaa, joka piti kuvun muutaman sentin irti ytimestä, kuunnellen geigermittarin rätinää ja säädellen fissionopeutta. Slotin toisti tempun ainakin tusina kertaa tarkkailijoiden järkytykseksi, ja Enrico Fermi varoitti tiukasti Slotinia, että tämä olisi kuollut vuodessa, jos jatkaisi temppuiluaan. Richard Feynman kutsui tapaa nukkuvan lohikäärmeen hännän kutitteluksi.

Fermi oli oikeassa. Toukokuun 21. koiran vuonna 1946 Soltinin käsi lipesi, ja ruuvitaltta taittui. Berylliumkupu putosi pari tuumaa plutoniumpallon päälle, ja sininen valo täytti huoneen ilman ionisoituessa säteilypommituksessa. Slotin vippasi ruuvimeisselikädellään kuvun lattialle, valo katosi ja fissio päättyi, mutta Soltin tiesi jo kuolleensa. ”No, se oli sitten siinä”, loihe 35-vuotias Slotin lausumahan. Slotinin maallinen tomumaja suojasi useimpia huoneessa olleita, mutta hän itse sai noin 1000 radia neutronisäteilyä ja 110 radia gammaa – yhteensä siis noin 51 sievertiä. Se oli suurin koskaan saatu säteilyannos, ja akuuttiin vomissioon vajoava Slotin kiidätettiin sairaalaan. Mies oli sekavassa tilassa, eikä ole varmuutta johtuiko tämä akuutista säteilymyrkytyksestä vai siitä järkytyksestä, että Slotin tiesi miten tuskallisesti tulisi kuolemaan lähipäivien aikana – hän tiesi hyvin, mitä Daghlianille oli käynyt.

Slotinin ruuvimeisselitemppu.

Aamuun mennessä Slotin oli sangen hyvinvoivan oloinen. Tämä oli kuitenkin vain suvantovaihe, kävelevän haamun päivä. Akuutit oireet olivat lakanneet, mutta säteilypommituksen korventamat solut ja niiden katkenneet DNA-ketjut alkoivat romahtaa. Slotinin vasen käsi, joka oli ollut lähinnä ydintä, alkoi pistellä voimakkaasti. Vähitellen se muuttui siniseksi ja siihen alkoi kasvaa suuria rakkuloita. Viidentenä päivänä Slotinin veren valkosolujen määrä romahti, ja mies oli tuskissaan. Luuydin oli kuollut. Slotin muuttui uniseksi, ja kärsi kovista vatsakivuista sekä hyvin rajusta ripulista. Lääkäreiden mukaan hänen sisäelimensä olivat saaneet eräänlaisen laajan, kolmiulotteisen palovamman. Seitsemäntenä päivänä mies oli täysin sekavassa tilassa, huulet muuttuivat siniseksi ja keho alkoi lakata toimimasta kauttaaltaan. Suolisto halvaantui, ja koko iho punoitti. Hän vajosi koomaan, ja 30. toukokuuta 1946 35-vuotias Louis Alexander Slotin potkaisi tyhjää. Rufus oli vaatinut toisen uhrinsa.

Nyt kriittisyyskokeet ydinpommiytimillä laboratoriossa kiellettiin kokonaan. Kokeiden suorittamiseen rakennettiin TV-kameroiden avulla kauko-ohjattu automatiikka, jota käytettiin suojabunkkerista neljännesmailin päästä. Oak Ridgen laboratorio ei enää sallinut cowboytiedemiesten elkeitä. Rufus sai uuden nimen Demon Core, Paholaisydin, ja koska se oli saastunut fissiotuotteista, se sulatettiin puhdistettavaksi ja käytettäväksi uudelleen uusissa ydinkärjissä. On sangen ironista, että se nimettiin näin dramaattisesti sen vaadittua kaksi sielua, kun leppoisasti nimetyt Little Boy ja Fat Man olivat vaatineet satoja tuhansia.

Douhetin ja von Clausewitzin teoriat olivat toteutuneet. Maailma oli astunut uuteen aikakauteen, atomiepookkiin, missä strategisen pommituksen teoriat saattoivat toteutua ennenäkemättömällä tavalla. Tämä epookki johti uuteen maailmantilaan, jäätyneeseen konfliktiin, joka ohjasi seuraavan sukupolven koko elämää.