曼哈顿原子弹计划

曼哈顿计划（英语：Manhattan Project）是第二次世界大战期间研发与制造原子弹的一项大型军事工程，由美国主导、英国与加拿大提供相关支援，该计划于1942年至1946年间由美国陆军工程兵团的莱斯利·理查德·格罗夫斯中将领导，美国物理学家罗伯特·奥本海默作为洛斯阿拉莫斯国家实验室的首任主任负责原子弹的制造。曼哈顿计划前期早在1939年即秘密地展开，原名为“代用材料项目发展”（Development of Substitute Materials），后改为“曼哈顿工程区”（Manhattan District）；期间，美方也吸收了较早展开的英国核武器研发计划——“合金管工程”之成果。 1941年12月7日，日本偷袭美国珍珠港，美国随即对日宣战，自此美国正式卷入第二次世界大战。此时，纳粹德国已经开始了德国核武器开发计划“铀计划”（德语：Uranprojekt），目的是制造出核武器并运用在二战之中。因此，包括阿尔伯特·爱因斯坦在内的一些美国及同盟国科学家提出要在纳粹德国之前研发出原子弹，该提议获得时任美国总统富兰克林·罗斯福的支持。曼哈顿计划于1942年8月13日正式命名，雇用了超过13万人员，花费了将近20亿美金（相当于2018年230亿美金），超过90％的费用用于建造工厂和制造核裂变的原材料，用于制造和发展武器的部分仅占不到10％，此一工程在横跨美国、英国和加拿大三国的30多个城市中均有进行。 1942年12月2日，在恩里科·费米的领导下，世界上第一个可控核反应堆在芝加哥大学建成（芝加哥1号堆，Chicago Pile-1），成功实现了可控的核链式反应。1943年春，奥本海默领导科研人员开始在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室进行原子弹的制造工作。1944年，美国田纳西州的橡树岭工厂利用欧内斯特·劳伦斯发明的电磁同位素分离法等方法生产出第一批浓缩铀原材料。1945年7月12日，第一颗实验性原子弹开始最后的装配；7月16日，美国的第一颗原子弹在新墨西哥州的沙漠中试爆成功，史称“三位一体”核试验，爆炸当量大约21,000吨TNT炸弹。 1945年8月6日，美军向日本广岛投放名为“小男孩”的原子弹；8月9日，美军向日本长崎投掷名为“胖子”的原子弹。8月15日，日本宣告无条件投降，第二次世界大战结束。第二次世界大战期间，美军实际研发出两种类型的原子弹：其中一种设计上较简单、使用铀235制成的“枪式（英语：Gun-type fission weapon）”，另一种设计上较为复杂、使用钚元素制成的“内爆式（英语：Implosion-type weapon）”。其中小男孩采用前者的枪式设计，而胖子采用后者的内爆式设计。 由于铀235在天然铀中仅占0.7％，其他绝大部分都是质量相同、难以分离的同位素铀238，故美方以三种分离方式来提高其铀-235的浓度——电磁（“电磁型同位素分离器”）、气体（“气体扩散法”）与热（“索瑞特效应”），大部分工作都在田纳西州橡树岭一地进行（橡树岭国家实验室）。 而钚元素于1940年在伯克利加州大学首次被发现，之后便作为核原料被研究、提纯、使用。1942年初，美国科学家就对制造原子弹的理论，研究方向，预算和时间有大概的估计。在重核元素分离方面，有加州大学伯克利分校的劳伦斯团队研究电磁分离法，哥伦比亚大学的埃格尔·默弗里（英语：Eger V. Murphree）和杰西·比姆斯（英语：Jesse Beams）研究小组研究气体扩散法，华盛顿卡内基研究所的菲利普·阿伯尔森研究热扩散法。 在核反应堆技术方面，哥伦比亚大学的哈罗德·尤里研究重水，阿瑟·康普顿则指导他手下的科学家在哥伦比亚大学、芝加哥大学和普林斯顿大学建设的冶金实验室研究用钚和石墨作为中子慢化剂的反应堆。 但是这个项目整体过于庞大远远超过了美国科研机构的能力范围，唯有使其转向军事研究且赋予最高优先级，才有可能在战争结束前完成原子弹制造。 1942年3月9日布什和科南特向美国顶级决策小组呈交了一份总值为9000万美元的计划预算（5400万美元用于美国工程兵部队修建实验设施，3100万美元用于OSRD进行的研究，500万美元的1943财政年的紧急拨款），该报告被呈至罗斯福总统并被立即批准执行。以现在来的眼光来看，原子弹的设计原理是使处于亚临界状态的裂变装料瞬间达到超临界状态，有两种基本方式，即内爆式和枪式。内爆式是依靠处于亚临界质量的裂变装药外层的重元素反射层（主要为铀-238）外层高能炸药爆炸产生的内轰聚爆波压缩内层使其密度骤然增大达到超临界质量。而枪式是将2-4块处于亚临界状态的裂变材料通过化学炸药爆炸而迅速合拢达到超临界状态。而在1943年，枪式和球形原子弹的设计理念已经被格伦·西博格和他的团队探讨过了，而且奥本海默等人也开始对快中子计算法计算临界质量的研究，同时奥本海默和伊利诺伊大学的罗伯特·瑟伯尔也研究了关于中子如何进入核链式反应以及由链式反应产生的爆炸冲击波的具体形式。可见，曼哈顿计划开始之前，计划的各种前沿研究已经展开而且各方面都有进展，除了一些需要进一步实验进行验证和研究的理论以外，大部分策划都已经完成，因此从可行性层面上讲曼哈顿计划是完全没问题的。1942年6月的这一计划工程中，军力部分的主要是由工程师尤金·雷博尔德准将，陆军上校的詹姆斯·马歇尔领导。马歇尔在华盛顿建立了一个联络部，他把临时的指挥部设在纽约。在那里他可以得到北大西洋陆军工程师的行政支持。与他一同合作的中校肯尼斯·尼科尔斯，后来成为了他的副将。与马歇尔一起合作的还有少将托马斯·罗宾斯，莱斯利·格罗夫斯上校，尤金·雷博尔德准将，索穆威尔和斯太尔。经过商榷，1942年8月13日，这一项目名正式启用了‘曼哈顿工程’。韦伯斯特的调查组首先选定了美国战时生产委员会曾提议的爆炸性试验基地。它是临近诺克斯维尔、田纳西州的一个隔离区，因为在那里田纳西州流域管理局可以提供充足的电力，然而那里的水源也可以为反应器提供冷却水。经过基地对比，调查组选了靠近田纳西州的这个地方。马歇尔和尼克尔斯也开始收集需要的资料。首先他们为这个项目订了高级优先权的级别。这个项目的优先等级从大到小是从AA-1到AA-4，但也有一个特殊的优先等级AAA，这是是为紧急情况设定的。等级AA-1和AA-2是属于重要武器和装备。由于马歇尔在短时间内没有迅速发展这个项目，再加上没有成功收购田纳西，而且把这个项目交给军队和他在纽约的指挥部这些低优先级负责，这令布什感到非常不满。因此，布什把这个项目交在高级政策委员会中有威望的斯太尔负责，任命他为这个项目的总指挥。经商议，斯太尔和索穆威尔把马歇尔提升为准将，希望他能在曼哈顿计划的学术科研工作中起到更大的作用。格洛夫斯在华盛顿建立了他的指挥部，也在那里为马歇尔设立了联络处。他出席并且参与设立了军事政策委员会（the Military Policy Committee），这个会议是对最高政策集团负责，包括布什，海军少将威廉·珀内尔，后来任命托尔曼和柯南特为格洛夫斯的在科学方面的顾问。9月19日，格洛夫斯拜访战争生产委员会的董事唐纳德·尼尔森，他要求尼尔森给予他在AAA行使上的广泛权力。经过长期竞争，格洛夫斯终于在1944年7月1日获得了AA-1的权威。项目初期，格洛夫斯遇到的问题是找一组设计和制做原子弹的指挥。奥本海默精通原子弹设计概念，但缺乏行政经验。在1942年10月奥本海默说服了格洛夫斯和尼克尔斯。格洛夫斯只好冒险一试，在1943年7月20日宣布奥本海默为指挥。刚开始英国和美国是在核能方面有信息交流，但并没有合作。1941年，布什和柯南特邀请英国加入以加强这个项目的力量，但英国果断拒绝了。因为他们不愿与美国分享自己领先的技术，也不愿帮助美国去发展他们的核武器。但是由于英国没有美国那么足够充裕的人力和物力，亦不甘落伍于美国之后。在1942年7月30日，两国领导人丘吉尔和罗斯福在原子合作上做了一个非正式、不成文的协议。然而这种平等的伙伴关系没有持续多久。1942年8月，英国在没有支付任何资金的情况下要求实质性控制这个项目，遭到美国拒绝。1943年，英美两国之间的关系发生了逆转。英国的谈判地位恶化，美国科学家也决定不再接受任何的外来帮助。美国核政策委员也担心英国会制造战时的核武器。1943年3月，柯南特冒着会暴露武器设计机密的风险去邀请詹姆斯·查德威克和其他几位英国科学家来洛杉矶参与原子弹设计，因为这个项目非常需要他们这类技术人员。1943年8月，丘吉尔和罗斯福签订了魁北克协定，这个协议恢复了双方的科学家在科研问题上互相合作的问题。1943年， 美国在这个项目上已经投入了超过10亿美元， 而英国的投入仅50万英镑。1944年6月，联合政策委员会建立了联合发展信托，格洛夫斯为首领。负责从国际市场采购铀和钍矿。英国同意把大部分的比利时矿石给美国。格洛夫斯对早期英国在曼哈顿计划上对原子研究和科学家方面给予的支持与帮助深表谢意。由于核武器的强大威力以及战争的紧迫局势，这不得不要求该计划必须做到绝对保密以免刺激到德国人加速发展他们的“曼哈顿计划”，而这项计划的保密形势是很严峻的。对于曼哈顿计划的民间猜测甚至开始于计划之前，因此在1939年二战爆发之后，美国政府便停止了所有公共媒体对于核研究计划的刊载和讨论，并要求国家科学院以及其他媒体驳回前先所刊登的关于原子理论及核研究的讨论，并避免了一切含有类似“铀”、“中子”、“原子武器”等字眼的文章。曼哈顿计划的规模巨大，参与人员众多，光是前后参与计划的美国人总数都高达六十万，而且计划分散在田纳西州，俄亥俄州，新墨西哥州和华盛顿等地秘密进行。如此庞大而且分散的计划，光靠限制媒体的措施肯定是远远不够的。参与人员人多口杂，如何使德国和前苏联情报机构一次次无功而返，或者是受到蒙蔽，美国人也下足了功夫。首先，每位计划的参与者都签署了严格的保密协议，甚至当地人也被告知此地所发生的一切禁止外传，同时他们也互相鼓励为国家而沉默。美国人组织了一批十分尽职的保密人员队伍，他们彼此之间通过暗语交流，小到记录数据的纸片和每一位计划内成员的心理状态，事无巨细地进行着监察和记录，并一一处理，以达到机密不外泄。由于参与计划的许多科学家都是国际社会知名的原子物理学家，为了蒙蔽德国情报机构，他们甚至为每一位核心研发人员都取上了代号，其行动由情报部门周密安排，并派警卫人员随时护卫，以至在行动上隐藏其端倪。计划的保密工作的严密程度甚至到了连盟友英国都要提防的地步，甚至于有人说连工人们都从来不知道他们在这占地若干平方英里的庞大工厂里制造的是什么东西。他们只知道有少量的东西从大量的铀矿中提炼出来。从历史结果上看，曼哈顿计划的保密工作自然是相当成功的。首先对于德国情报部门，曼哈顿计划做到了绝对的完全隐身，它不仅研究计划和进度未被对方察觉，甚至于其存在都未被发现。然后对于前苏联情报机构，曼哈顿计划虽然被部分渗透，但仍保持高度的隐蔽性，前后接近10年，仅有个位数的间谍渗透进计划内部获取了部分资料。尽管这些绝密材料（共6000页资料，25件样品）对于美国的对手-苏联的核计划有不可磨灭的影响。1942年，前苏联通过其驻英国大使馆武官秘书的军事侦查员С. Д.克列梅尔通过招募英国方面的核物理学家了解到英国正在进行大量原子能军事应用研究，并通过调查发现，美国很可能也在进行同样的研究，并且该类研究极其敏感。1943年夏天，苏联军事侦察部门获得了美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔8月19日在加拿大魁北克秘密会谈的内容：经过高层会议评估后,两巨头签定了共同研制原子弹的秘密协议。1944年二月，苏联武装力量总参谋部情报总局运用其在美国潜伏的地下间谍亚瑟·亚当斯（英语：Arthur Adams (spy)）招募了一位名为坎普的美国化学家，后者向其提供了许多有用情报：⑴美国已秘密斥资10亿美元进行铀的研究和生产技术开发；⑵数千名工程师和技术人员正在从事这一工作。数百名高级医生正在研究放射性辐射对人体的影响，在从事这项研究的芝加哥大学和哥伦比亚大学成立了专门实验室，由军方领导人和科学家组成一个专门委员会领导这项工作；⑶美国正在设计空投型（核）炸弹，其爆炸产生的辐射和冲击波能杀死数百英里范围内的所有生物。1944年5月，亚当斯又从坎普那获得了2500页美国核计划资料和核材料样品，并呈报莫斯科。苏联在美国的间谍还有乔治·科瓦尔，代号德尔马，他成功地打入了美国橡树岭核中心，在其中一个研究室工作，获取了非常多有价值的情报，并了解到橡树岭三个浓缩铀项目：K-25、Y-2和X-10。美国在1943年也侦查到了苏联间谍开始对计划进行渗透，在同年成立了一个特殊的反情报总队处理间谍事务。1944年，奥本海默向反间谍总队队长帕什报告，加州大学放射实验室的哈康·莫里斯有意接近他并要求其向苏联提供情报。英国核计划参与者克劳斯·富赫斯被查出，曾向苏联情报部门提供多项研究情报，他在1950年一并供出了其他间谍，并导致对哈利·金，大卫·格林格拉斯，朱利叶斯和埃塞尔·罗森堡等人的逮捕，而苏联间谍乔治·科瓦尔和核物理专家西奥多·霍尔则侥幸逃脱。1945年5月，过渡时期委员会成立，用来管理原子能使用，委员会由多人领导，有詹姆斯·弗朗西斯·伯恩斯、亨利·刘易斯·史汀生、Bard、威廉·克莱顿、万尼瓦尔·布什等等，这些人中有后来的国务卿，也有助理国务卿。过渡时期委员会还邀请了阿瑟·康普顿、费米、劳伦斯、奥本海默等科学家协助处理科学事务。在德国召开的波茨坦会议上，杜鲁门总统被告知，核试验已经成功。他告诉苏联领导人斯大林，美国已经拥有了新的超级武器，但是没有透露具体的细节。这是美国第一次与苏联有关核弹进行的交流，但苏联已经通过自己的间谍得知了这一情况。在日本拒绝接受波茨坦公告后，美国决定对日本使用新研制的原子弹。广岛是日本的军事重镇，还是重要的装载港口，是美国轰炸日本的首要目标。1945年8月6日早晨，天气晴朗，气候闷热。上午7时9分，数架美国飞机飞入广岛上空，盘旋几圈，便即离去。8时整，393d轰炸机分队的B-29又从高空进入广岛上空。外面广岛市民有人未进入防空壕，而是在仰头看美机。8时15分，一架美机投下降落伞，伞上携带的原子弹在空中爆炸，形成一个直径1750英尺（约530米）以上的大火球。火球放出的热只有不到一秒，但热度高达摄氏30万度。大火球立即发生令人眼花目眩的强烈白色闪光，随即市区上空发生了震耳欲聋的大爆炸。顷刻之间，城市卷起巨大的蘑菇状烟云，广岛遂化为一片火海。日本政府宣称，广岛69%的建筑被彻底摧毁，还有6-7%的建筑被毁坏。大约7-8万人在爆炸时立刻死亡，这大概是广岛30%的人口，还有7万人受伤。1945年8月9日早晨，B-29博克斯卡轰炸机在393d轰炸机分队的长官决定将原子弹投向小仓。但当抵达小仓时，发现天空浓云密布，难以投弹，在城市上空盘旋数圈后燃料吃紧，遂飞往长崎这一备选目标。原子弹“胖子”被投向城市的工业区。这次爆炸相当于两万余吨三硝基甲苯（TNT）炸药，城市的44%被摧毁，三万五千人死亡，六万人受伤。在两次爆炸之后，Groves希望在8月19日以及9、10月份使用更多的原子弹，而这些原子弹已经准备就绪。但是，在日本签署无条件投降书之后，这些计划便搁浅了。这个项目截止1945年10月1日的总共花费是18.45亿美元，相当于交战时九天的花费。据美国原子能委员会1947年1月1日的报道，消费已达21.91亿美元，配额总量为24亿美元。其中，90%以上的开销都是用在建筑和生产可核裂变材料上，还不到的10%的开销则是用在研发核武器上。总共的四个核武器（小工具、小男孩、胖子和一个未使用的核弹）是在1945年底才研发出来的。以当时的价格来说，在每个核武器上的花费大约是5亿美元。相比之下，这个项目在1945年年底的总花费几乎是美国用于轻武器（不包括军火）总花费的90%和当时用于美国坦克总花费的34%。核武器的产生不论是在政治上还是文化上都带来了深刻而广泛的影响。威廉·劳伦斯见证了三位一体核试和长崎原子弹爆炸，在纽约时报中他首先用了“原子时代”这一词。后来他还发布了一系列的文章来赞扬新武器的优越。在文章中，他通过对比原子核爆炸前后的两个时间段来刺激公众对核能技术的潜力，也激发其在美国和苏联的发展。在交战时，曼哈顿工程的国家实验室以网状形式留在了那里，其中包括劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和埃姆斯实验室。战后不久格洛夫斯又建立了两个以上的试验的，一个是在纽约，厄普顿的布鲁克海文国家实验室，另一个是在新墨西哥阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室。据1946-1947的财政年度的公布，格洛夫斯在研究方面用了7200万美元。这个项目可以对于橡树岭国家实验室的总指挥阿尔文·温伯格来说可是一个大项目了，也称为需耗费巨资的‘大科学’。美国海军研究实验室很早就希望他们自己能在海上作战的时候用上原子弹，这样不仅可以推广军舰的实力，也可以创造属于他们自己的原子弹项目。1946年月，当任海军指挥的尼米兹认为海军也应该为曼哈顿计划献出自己的一份力量。所以当时的很多海军军官都投身于原子弹的研究，他希望能为发展核动力式军舰打下良好的基础。同时，也有一些空军人员在1946年9月份到达橡树岭，他们的目标是发展核动力式飞机。但是他们研究的核能推动式飞机NEPA项目因为遇到了严重的技术困难，所以只能以取消告终。从1946年中旬，橡树岭开始在一些医院和大学分发放射性同位素。大多数的订单订的都是用于诊断和癌症治疗的碘-131和磷-32。除了医学应用，还用于生物，工业和农业方面的研究。