Ana sayfa Genel Atom bombası nasıl yapıldı?

Atom bombası nasıl yapıldı?

2279
PAYLAŞ

Çeviren: Prof. Dr. E. Rennan Pekünlü

Okuyacağınız makale, Walter ve Miriam Schneir’in Invitation to an Inquest adlı kitabının (Pantheon Books, New York, 1983) üçüncü ve dördüncü bölümlerinden Türkçeleştirilerek derlendi.

Biliminsanları atom enerjisini özgür duruma geçirmeye çalışırken aynı anda dünyanın büyük ülkelerinin dur durak bilmeksizin savaşa hazırlanması korkunç bir rastlantıydı!

Atom bombasını diğer ülkelerden önce üretmeleri durumunda Nazilerin tüm dünyayı ele geçirme olasılığı korkusuyla güdülen mülteci biliminsanlarından oluşan küçük bir grup, Leo Szilard başkanlığında (diğerleri, Enrico Fermi, Eugene Wigner, Victor F. Weisskopf ve Edward Teller) atom bombasının yapımında öncülüğü Amerika’nın alması için Amerikan hükümetini ikna etme yollarını aramaya başladılar. Bu yöndeki ilk çabaları başarısızlıkla sonuçlandı. Söz konusu biliminsanlarının Amerikalı yoldaşı, Columbia Üniversitesi’nin en kıdemli üyesi George B. Pegram ABD Deniz Kuvvetlerine bir mektup yazdı. Mektubunda Pegram, Enrico Fermi için bir randevu isteminde bulundu. Fermi “uranyumun bilinen patlayıcılardan milyon kez daha fazla enerji salarak patlayıcı olarak kullanılma olasılığını” açıklayacaktı. Buluşma gerçekleşti ancak herhangi bir sonuç alınamadı.

İlginçtir ki mektup, Nazilerin ünlü kaz adımı yürüyüşüyle Çekoslovakya’yı işgal ettikleri 16 Mart 1939 tarihinde yazılmıştı. Çekoslovakya’nın Joachimsthal madenleri -Curie’lerin yaklaşık kırk yıl önce ilk kez radyum cevheri çıkardıkları uranyumlu maden kaynağı- Avrupa’nın en zengin uranyum kaynağıdır. Çekoslovakya’nın işgalinden kısa bir süre sonra kötü bir haber ulaştı: Almanlar Çek uranyumunun satışına ambargo koymuştu.

Joachimstal madenlerinin iç bölgesi.

Aylar sonra Almanya’dan diğer ülkelere sızan haberler, kaygılı biliminsanlarının Almanların da atom bombası üretme programı başlattığı kuşkusuna kapılmalarına neden oldu. Niels Bohr, Szilard ve diğer birkaç biliminsanının önerisi üzerine Amerika’daki ve Batı Avrupa ülkelerindeki biliminsanları, Alman biliminsanlarının atom bombası konusunda ilerlemesini engellemek amacıyla atomun parçalanması deneyleriyle ilgili çalışmalarını bilimsel makale olarak yayımlamama kararı aldılar. Bu karara tepkiler hem olumlu hem de olumsuz yönde oldu ve bir yıl sonra makaleler yayımlanmaya başladı.

Einstein uyarı mektubunu imzalıyor

1939 yılı yaz aylarında Szilard ve birkaç çalışma arkadaşı Einstein’dan yardım istemeye karar verdiler. Einstein’ın büyük saygınlığından yararlanarak hükümetin üst kademe üyelerine ulaşabileceklerine inanıyorlardı. Önceki yıllarda bu konuda pasifist olan ancak Nazi barbarlığını birinci elden yaşayan Einstein, Szilard ve arkadaşlarının önerisini dinledikten sonra, Başkan Roosevelt’i olası çekince karşısında uyaran mektubu imzalamaya karar verdi. O ünlü mektup başkan Roosevelt’e “büyük kütleli uranyumda zincirleme nükleer tepkinin başlatılma olasılığı ve devasa boyutlarda enerjinin üretilebileceği” bilgisini veriyordu.

Mektup bir de uyarıda bulunuyordu: “Bu yeni süreç son derece güçlü yeni bir tür bombanın yapımını da sağlayabilir.”

Einstein’ın mektubuna karşın mülteci biliminsanları Beyaz Saray’a ulaşabilmek için iki ay daha beklemek zorunda kaldılar. Biliminsanlarının iletisi, Başkanın resmi olmayan danışmanı Alexander Sachs’ın da yardımıyla Başkan Roosevelt’e ulaştı. Bu süreç hakkında kaynağı belli olmayan, kuşkulu bir ifadeye göre Roosevelt, mektubu ve Szilard’dan gelen bilgi notunu okuduktan sonra derhal iki milyar doların biliminsanlarına ayrılması emrini verdi. Roosevelt’in gerçek yanıtı daha alçak gönüllüydü. Konuyu incelemek üzere ikisi silahlı kuvvetlerden olmak üzere üç kişilik bir komite kuruldu. Yedi veya sekiz ay sonra araştırma için altı bin dolar ayrıldı. Bu konuda ilerleme en düşük düzeydeydi.

Araştırmanın yavaş ilerlemesi nedeniyle Amerikan bilim dünyasının önde gelen isimleri alarma geçti ve askeri olanaklarla atom enerjisi üretimine ilgi artmaya başladı. 1940 yılı yaz aylarında yeni ve genişletilmiş bir komite kuruldu -komite bu kez tamamen sivil biliminsanlarından oluşmuştu- ve araştırma hızla ilerlemeye başladı. Ancak hükümetin projeye parasal desteği kısıtlıydı; sonraki on sekiz ay için on altı küçük araştırma projesine yaklaşık üç yüz bin dolar ayrıldı.

Hangi ülkeler yapabilir?

Kısa bir süre sonra biliminsanları atom bombasının üretilebileceği uranyum madeninin U-235 olarak bilinen metalin son derece ender biçimi olduğunu öğrendiler. U-235’in doğal uranyum madeninden ayrıştırılmasının çok zor bir iş olduğu anlaşıldı. Atom bombası için patlayıcı bir diğer öğe tamamen yeni bir metal olan plütonyum idi ve fizikçiler bu öğenin henüz kuramsal düzeyde olan zincirleme tepkime makinesinde üretilebileceğini öngörüyordu.

Einstein ve Szilard, Roosevelt’e mektup yazarken.

U-235 veya plütonyumun yeterli niceliklerde üretilmesi devasa boyutta, çok pahalı ve yeni bir üretim fabrikasının tasarlanmasını gerektiriyordu. Açıktır ki, atomun gücünü elde etmede yalnızca endüstrisi gelişmiş bir ülke yarışa girebilirdi.

Hahn-Strassmann’ın bulgusundan sonraki bir yıl içinde atomun parçalanmasıyla ilgili deneyler konusunda tüm dünyada yüzden fazla bilimsel makale yayınlandı. Bu araştırmanın işaret ettiği gerçekler biliminsanları tarafından biliniyordu: Astronomik rakamlarla parasal harcamalar yapmaya hazır bir ülke büyük bir olasılıkla atom enerjisini kullanabilecekti.

“Büyük bir olasılıkla” sözcüğü bu bağlamda önemliydi. Çünkü ünlü biliminsanlarından hiçbiri, hükümetine, milyonlarca dolar harcandıktan sonra araştırma sırasında aşılması imkânsız bir engelle karşılaşılmayacağının garantisini veremezdi. Yine hiçbir biliminsanı atom bombasının yapımının tamamlanacağı süreyi usa yatkın bir doğrulukla söyleyemezdi; projenin toplam maliyeti hakkında da kimse bir şey bilemezdi.

Bu nedenle Roosevelt’in radikal ve başarı şansı belli olmayan bu projeye derhal ve parasal destek vermede isteksiz oluşu hiç de sürpriz değil. Gerçek şuydu ki, herhangi bir atom enerjisi projesi en iyi değerlendirmeyle bir kumar, belirsizliklerle donanmış bir çaba olacaktı. Japonya, Almanya, Fransa, Sovyetler Birliği ve İngiltere gibi ülkelerin de bilimsel ve sanayi kaynakları atom gizilgücüne (potansiyeline) ulaşmayı sağlayabilirdi.

Örneğin, Japon fizikçilerin bu konudaki kuramsal çalışmaları ABD’deki fizikçilerinkine denkti. Japonların laboratuvar olanakları ve aygıtları birinci sınıf niteliğe sahipti. Hideki Yukawa’nın ve diğer Japon fizikçilerin önemli araştırmalarından dünyadaki tüm biliminsanları övgüyle söz ediyordu. Ancak savaş ve savaşa hazırlık nedeniyle Japon ekonomisi zor durumdaydı. Japon biliminsanları ülkelerinin kısıtlı kaynaklarının uzun erimli ve sorunlu bir projeye akıtılmasını isteyemezlerdi.

Açıklaması çok zor olan bir gerçek de, savaş sonunda anlaşıldığı gibi, Nazi hükümetinin atom araştırmalarına diğer ülkelere göre daha az önem vermiş olmasıydı. 1945 yılında Avrupa misyonuna çıkmış olan Amerikan istihbaratı Almanların uranyum zincirleme tepkime makinesi üretmekte olduğunu buldu ancak aygıt henüz kaba bir durumdaydı. Almanya birçok ünlü fizikçisinin dinsel ve politik suçlamayla ülkeden kaçmalarına neden olduğu gibi, ülkede kalan ünlü fizikçileri de Nazi rejiminden hoşlanmadıkları için işbirliğinden kaçındılar. Nazi liderlerinin birçoğunun bilime karşı tavırları mistisizm ve oportünizmden etkilendiği için atom araştırmasında ciddi bir engeldi; azalan kaynaklar Adolf Hitler’in ve bilimle ilgisi olmayan diğer kişilerin saçma projelerine akıtıldı.

Ayrıca Hitler savaşın kısa süreceğine inanmıştı ve üretimi kısa sürede gerçekleşmeyecek yeni silahlarla ilgilenmemişti. Hitler’in hesabı yanlış çıktı; Nazilerin Rusya işgalinin Üçüncü Reich’a ağır maliyeti ve Birleşik kuvvetlerin yoğun hava saldırısı Almanya’da önemli bir atom programının gerçekleşmesini olanaksız kıldı. Alman biliminsanları hükümetteki liderlerine, atom bombası çalışmalarının başarıya ulaşmasının imkânsız olduğu ve Amerika’nın da bu projeyi savaş sırasında gerçekleştiremeyeceği konusunda güvence verdiler.

Atom fiziği tarihinde Fransız biliminsanları öncü rol oynadılar, 1939 ve 1940 yıllarında atomun parçalanması konusunda en önemli deneyleri gerçekleştirdiler. Fransız hükümetinin yardımıyla Joliot-Curie zincirleme tepkime makinesi çalışmalarını yönetti. Ancak, 1940 yılı Haziran ayında Alman ordusu Fransa’yı işgal edince bu çalışma anısızın son buldu. Beş Fransız biliminsanı İngiltere’ye sığındı ve orada yapımı süren atom programına katıldılar.

Lisa Meitner ve Otto Hahn, Berlin’deki Kaiser-Wilhelm Enstitüsü’nde.

Sovyetler Birliği’ndeki çalışmalar

Sovyetler Birliği’nde atom enerjisinin özgür duruma geçirilmesine olan ilgi çok büyüktü. Uranyum atom çekirdeği parçalanmasının daha iyi anlaşılması yönünde yapılan araştırma çalışmaları Sovyet fizikçileri tarafından coşkuyla karşılandı. Ruslar bilimsel seminer ve toplantılarda olduğu gibi popüler bilim yayınlarında da yeni bulguyu tartışıp değerlendirdiler.

1939 yılında Sovyet fizikçileri Batı’da gerçekleştirilen çalışmaların çoğunun aynısını yaptılar ve bu konuda kendi önemli katkılarını da sundular. Örneğin, iki Sovyet fizikçisi, Georgii Flerov ve Konstantin Petrzhak, dahiyane bir deneyle atomun kendiliğinden parçalanmasını gerçekleştirdiler ki benzer bir deneyi Amerikan fizikçi Willard F. Libby başaramamıştı.

1940 yılı baharında Sovyet Bilimler Akademisi uranyum sorunsalı için özel bir komite kurdu. Komitede Sovyetlerin on dört önde gelen biliminsanı vardı. Uranyum üzerine çalışma konusunda bilimsel araştırma programının ayrıntılı planı yapıldı. Program U-235’in uranyum madeninden ayrılması ve denetimli zincirleme tepkime üzerine yoğunlaştı. Programın başında bir Sovyet yerbilimcisi vardı ve uranyum araştırmasını amaçlıyordu.

Bu bilimsel etkinliklerin hiçbiri gizli yürütülmüyordu; araştırma sonuçları ve geleceğe yönelik planlar özgür bir biçimde bilimsel dergilerde yayımlanıyordu ancak Batılı biliminsanlarından çok azı bu çalışmalarla ilgileniyordu. Yıllar sonra RAND Korporasyon kamuya açık olan bu Sovyet araştırmalarını ABD Hava Kuvvetleri için araştırdı ve şu sonuca vardı: “Uranyum izotopunun ayrıştırma sorunsalı ABD ve Sovyetler Birliği’nde aynı zamanda araştırıldı; ancak bu yöntemlerin kuramsal çalışmalarında Sovyetler daha ileri düzeydeydi.”

Almanya 1941 yılı Haziran ayında Rusya’yı işgal edince Sovyetlerin atom enerjisi programı bir veya iki yıl yavaşladı; Sovyetlerin atom araştırma lideri Igor Kurchatov çalışmasına kısa bir süreliğine ara verdi ve Karadeniz bölgesine giderek Rus gemilerinin Alman mayınlarına karşı korunması çalışmasına başladı. Sovyet biliminsanları, dünyadaki diğer biliminsanları gibi, atom enerjisinin askeri potansiyeli konusunda bilinçliydiler. Örneğin, 13 Ekim 1941 tarihinde hem Pravda hem de Izvestia gazeteleri fizikçi Peter Kapitza’nın bilimsel araştırıcılara yaptığı bir konuşmadan alıntılar verdi: “…son yıllar yeni olasılıklara kapılarını açtı; şöyle ki, atomun içindeki enerjinin kullanımı. Kuramsal hesaplamalar büyük bir patlama gücüne sahip bir bombanın bir kenti tamamen yok edebileceğini gösteriyor. Eğer üretilebilirse, küçük çapta bir atom bombası birkaç milyon nüfusu olan büyük bir kenti yeryüzünden kolayca silebilir.”

İngiltere Amerikan projesine katılıyor

Nükleer fizik alanına İngiltere’den daha fazla katkı yapan bir ülke belki de yok; bu alandaki bilimsel çalışmalar Rutherford, J. J. Thomson, Chadwick ve John D. Cockcroft ve İrlandalı yardımcısı E. T. S. Walton tarafından yapıldı. Ancak ABD’de olduğu gibi İngiltere’de de atom enerjisi programını teşvik edenler sığınmacı biliminsanlarıydı -özellikle Rudolph Peierls ve Otto Frisch- ancak Chadwick gibi bazı İngiliz biliminsanları da aynı araştırmaları bağımsız olarak yürütüyorlardı.

İngiliz hükümeti büyük parasal destekler sağladı ve savaş başladıktan sonra biliminsanları çalışmalarını askeri amaçlara göre yönelttiler: Atom bombası. İngilizler plütonyum bombası olasılığının ayırtında olmalarına karşın çabalarını bölmeme kararı alıp tamamen U-235’den üretilecek bombaya yoğunlaştılar.

1941 yılının geri kalan bölümü Amerikan atom projesi konusunda karar vermeye ayrıldı. Hükümetin oluşturduğu komitede yer alan önemli kişilerden bazıları, çok spekülatif ve uzun erimli olduğunu ileri sürerek projenin ertelenip ulusal savunmayla ilgili çalışmalara odaklanılmasını istediler. Komitedeki diğer kişiler de projenin büyük gayretle devamını savundular. Özel komitenin başında fizikçi Arthur Compton vardı. Compton’dan bir rapor hazırlaması ve izlenecek yolu önermesi istendi.

İki Sovyet fizikçisi, Georgii Flerov (solda) ve Konstantin Petrzhak, dahiyane bir deneyle atomun kendiliğinden parçalanmasını gerçekleştirdiler.

Bu aşamada, o dönemde daha ileri olan İngiliz programı önemli ve belki de belirleyici bir etki yaptı. ABD’de 1940 yılında biliminsanlarının gönüllü olarak onadığı bilimsel dergileri sansür kararına karşın Amerikalı ve İngiliz biliminsanları, kendi hükümetlerinin bilgileri ve onayı ile atom enerjisi araştırmaları konusunda fikir ve bilgi alışverişinde bulundular. Bu işbirliği sonucunda İngilizler 1941 yılı ortalarında atom bombası için gerekli olan U-235 niceliğinin daha önce Amerikalıların çalışmasında belirlenen nicelikten çok daha az olabileceğini gösterdiler. Ayrıca, U-235 bombası yapımına ilişkin İngilizlerin iyimser raporu Amerikan projesi başkanları James B. Conant ve Vannevar Bush’a gönderildi.

Bush İngilizlerin raporunu başkan Roosevelt’e gösterince Roosevelt projenin tüm hızıyla devam etmesini onayladı. Başkanlık özel fonundan derhal dört veya beş milyon dolarlık destek sağlandı. Anlaşmaya göre, kurulacak olan devasa fabrikasyon gerçekleşirse ve gerçekleştiği anda projeyi ordu üstlenecekti. Başlangıç aşamasında proje tamamen biliminsanlarının denetimindeydi.

Compton komitesi kendi raporunu 1941 yılı Kasım ayının başlarında sundu ve bombanın yıkıcı gücüne ilişkin değerlendirmeler İngilizlerinkine kıyasla tutucu olmasına karşın sunduğu sonuçlar İngilizlerinki gibi olumluydu.

Compton da dahil olmak üzere küçük bir biliminsanları grubu kararı öğrenmek ve işi örgütlemek için 6 Aralık 1941 tarihinde Washington’da buluştu. Ertesi gün, Pazar günü, Compton projeyi Fermi, Szilard ve diğer Columbia’lı biliminsanlarıyla görüşmek üzere trenle Washington’dan New York’a giderken trene Washington’da binen bir yolcudan Pearl Harbor’a yapılan saldırı haberini aldı.

Tam o zaman diliminde -diğer büyük güçler arasında- atom bombası üretme gücüne sahip tek ülke olan ve projesi ABD’den daha hızlı gelişmekte olan İngiltere, kendi programını erteleme ve biliminsanlarını Amerikan projesine gönderme kararı aldı.

ABD atom projesi, kaderin cilvesiyle, en parlak biliminsanlarının ABD’ye gelişiyle zenginleşti. Hem büyük bir savaşı hem de büyük ve belirsiz bir atom projesini destekleyecek yeterli sanayi kaynaklarına sahip olan ABD, hava saldırısından ve işgalden göreli olarak bağışık bir durumda olduğu için atom gücünü ilk kez açığa çıkarabilecek bir ülke durumundaydı.

İlginçtir ki, projeyi ön plana çıkaranlar ve projeye destek sağlayanlar askerler veya politikacılar değil sivil biliminsanlarıydı. Olası Nazi zaferi kâbusuyla kaygılanan biliminsanları öncülüğü sağlamışlardı. Yıllar sonra bu biliminsanları hâlâ vicdanlarını yokluyor ve yaptıkları işin doğruluğunu sorguluyorlar.

Hahn ve Strassmann ürkütücü raporu Lise Meitner’e üç yıl önce göndermişlerdi. Gezegenimizde birkaç kişiden başka kimsenin bilmediği o projenin gerçekleşmesi an meselesi olmuştu.

 MANHATTAN PROJESİ

Savaş zamanı yürütülen atom bombası projesindeki temel sorunsalın yanıltıcı bir basitliği vardı: uranyum-235 veya plütonyum gibi iki parçalanabilir (fissionable) elementten birini üretme yolunu bulmak. Biliminsanları matematiksel hesaplamalar ve deneyler temelinde, yeterince büyük niceliklerde (o zamanlar gerçek miktar bilinmiyordu) U-235 veya plütonyumun zincirleme tepkime sonucunda kendiliğinden patlayacağını savunuyorlardı.

Aslında bu iş kuşkusuz bu denli basit olmaktan çok uzaktı. 1941 yılı Aralık ayında, duyarlı laboratuvar testleri bu iki elementin varlığına işaret ediyor olmasına karşın henüz hiç kimse sözü edilen o iki metali görmemişti. Bugün biliyoruz ki, U-235 ve plütonyum en azından görünümde son derece masum elementler; kendilerine özgü yıkıcı potansiyellerine karşın bildiğimiz kimyasal elementlere çok benzer yanları vardır. Her ikisi de parlak, kolayca kararabilen, renk açısından gümüş veya nikele benzeyen ve ağırlıkları kurşunun yarısı kadar olan elementlerdir. Yirmi beş kiloluk plütonyum veya U-235 bir beyzbol topu denli küçük bir hacme girebilir.

Igor Kurchatov, Nükleer Güç Enstitüsünde.

Ancak bilinen diğer elementlerle olan benzerlikleri burada biter; bu parçalanabilir elementler büyük bir kentteki insan topluluğunu tamamen yakıp kül edebilir.

İki ayrı proje

Atom bombası projesini planlayanlar tüm çabalarını atom bombasının patlayıcı merkezi için en uygun elementler olan plütonyumun veya U-235’in üretimine yönlendireceklerdi. Ancak biliminsanları henüz bilinmeyen bir yoldaydılar; beklenmedik zorluklarla karşılaşabilirlerdi. Nazi Almanya’sı ile ölümcül bir yarışın ortasında bulunanlar tüm atom projesinin başarısını veya başarısızlığını henüz denenmemiş bir tek üretim süreciyle riske atmaya cesaret edemezdi. Bu nedenle, güvenlik açısından birbirinden tamamen farklı iki programı yaşama geçirdiler. Birisi plütonyumun diğeri de U-235’in üretimini amaçlıyordu.

Plütonyum programının -kod adı Metalürjik Proje (Met Lab)- merkezi Chicago Üniversitesi’ydi ve projenin başında Arthur Compton bulunuyordu. Tasarlanan görev, zincirleme tepkime makinesi üretilmesi veya doğal uranyum yığınının yeni bir metale, plütonyuma dönüştürülmesiydi. Önce Enrico Fermi ve çalışma arkadaşları Columbia’da çekirdek tepkimesi (atomic pile – atomik yığın) oluşturma girişiminde bulundular; daha sonra bu ekip Chicago’ya taşındı ve içine düzenli bir biçimde serpiştirilmiş doğal uranyum metali bulunan büyük siyah grafit külçeler oluşturmaya başladı.

Binlerce Met Lab çalışanı kısa bir süre sonra çok çetin araştırma göreviyle boğuşmaya başladılar. Çalışmanın her aşaması başarının önünde aşılması güç engeller oluşturuyordu: Büyük niceliklerde ve daha önceden hiç duyulmamış saflıkta doğal uranyum ve grafit elde etmek için birçok biliminsanı ve teknisyen çaba harcıyordu. Met Lab’deki bazı sıradan işler az sayıdaki biliminsanı tarafından birkaç ay içinde çözülebiliyordu; labirent karmaşıklığına sahip bazı işler de tamamen yeni araştırma alanlarını oluşturuyordu ve zamanın boşa harcanmaması koşuluyla yıllarca sürebilirdi.

ABD’deki yetmiş araştırma grubundan çoğu plütonyum programında görev aldı. 1942 yılında Met Lab çalışanları birbirinden çok farklı bulguları içeren dört yüz bilimsel makale yayımlattı. Güvenilir kaynakların değerlendirmesine göre, Met Lab’in denetimi altında yapılan araştırmaların toplam raporu 30 ciltten az olmayacaktı.

Bu arada, diğer laboratuvarlardaki araştırmacılar gerek duyulan U-235 niceliğini elde etme yollarını arıyorlardı. Bu konuda çalışma yapan iki merkezden birisi Harold Urey başkanlığındaki Columbia, diğeri de Ernest Lawrence’ın yönetimindeki California Üniversitesi Radyasyon Laboratuvarı idi.

İş müthiş bir şekilde zordu. Uranyum 235 doğal uranyumla birlikte karışım halindeydi ve karışımda çok az niceliklerde bulunuyordu: 50 kg ağırlığındaki doğal uranyum kayaç içinde yaklaşık 284 gram U-235 bulunuyordu. Sorunun kilit noktası, her iki metal de bir nokta hariç tamamen aynı özelliklere sahiptir: Sayıların da işaret ettiği gibi, U-235 metali U-238’den biraz daha hafiftir. Ağırlıklardaki bu küçük fark onların birbirinden ayrıştırılmasını olası kılıyordu.

Dünyadaki tüm biliminsanları, mikroskobik niceliklerdeki U-235’in doğal uranyumdan en az dört farklı yöntemle ayrıştırılabileceğini uzun zamandan beri biliyorlardı. Atom projesinde çalışan biliminsanlarının önündeki en zor sorunsal büyük niceliklerde U-235 üretimini sağlayacak yöntemlerden birisini veya birkaç tanesini seçmekti.

Seçim çok kolay olmayacaktı; her bir yöntem bir dizi engeller içeriyordu ve hepsi de çok pahalıydı. U-235 üretimi için en çok ümit veren yöntemlerden birisi gaz difüzyonu (gaseous diffusion) ve elektromanyetik süreçlerdi (electromagnetic processes) ve sonunda her iki yöntem de kullanıldı. Bir diğer yöntem, ısısal difüzyon süreci (thermal diffusion process) de sınırlı ölçülerde geliştirildi.

Zincirleme tepkimeyi başlatacak olan materyalin kritik niceliğine ilişkin hesaplama başlangıçta kesin değildi, 1 kg – 100 kg arasında değişiyordu. Bu kritik nicelikten daha az olan parçalanabilir (fissionable) materyal kararlı kalıp zararsız olacaktı; zincirleme tepkime başlayamayacaktı.

Maddenin doğasına ilişkin bu herkesçe bilinen gerçek -zincirleme tepkimenin başlayabilmesi için belli nicelikte minimum materyale olan gereksinim- yalnızca Amerika’nın bilgisi dahilinde değildi ve bu nedenle atom bombasının patlaması için gerekli koşullar da yalnızca Amerika’nın elinde değildi. Küçük niceliklerde iki veya daha fazla U-235 veya plütonyum parçası birleştirildiğinde bu parçalar ölümcül kritik kütleye ulaşmış olur. Bu iki parçayı hızlı bir biçimde bir araya getirirseniz, sonuç öngörülemeyecek denli büyük niceliklerde enerji açığa çıkaracak olan hızlı bir zincirleme tepkimenin başlamasıdır.

2 Aralık 1942 tarihinde Chicago Üniversitesi’nde Enrico Fermi ve çalışma arkadaşları atom çağında dönüm noktası oluşturacak bir başarının sinyalini verdiler. Deney sonucu kriptolu biçimde “İtalyan kaptan yeni dünyaya indi” diye iletildi.

Başlangıçta, bu ilkeyi kullanacak olan atom bombası tasarımındaki gerçek çaba proje liderleri tarafından ikincil öneme sahip olarak değerlendirildi; birincil öneme sahip çabaysa atom bombasının yapılacağı materyali üretmekti. Onlarca üniversitede az sayıdaki deneysel fizikçiler atom bombası tasarımı için gerekli olan teknik verileri biriktiriyorlardı. 1942 yılı ortalarına gelindiğinde bu görevin başına California Üniversitesi profesörü, otuz sekiz yaşındaki J. Robert Oppenheimer getirildi.

Plütonyum ve U-235 programlarının her ikisi de devasa boyutlarda üretim fabrikalarının yapımını gerektiren aşamaya gelince biliminsanları projenin yönetimini ABD Ordusundaki mühendislere devrettiler. Manhattan Bölgesi olarak bilinen bu bölgede kurulacak devasa üretim kurumunun başına General Leslie R. Groves getirildi. Kısa bir süre sonra devasa endüstriyel çalışmalar başlayacaktı.

“İtalyan kaptan yeni dünyaya indi”

2 Aralık 1942 tarihinde Chicago Üniversitesi’nde Enrico Fermi ve çalışma arkadaşları atom çağında dönüm noktası oluşturacak bir başarının sinyalini verdiler. Dört yıl sonra tüm dünyadaki biliminsanları zincirleme tepkimenin kuramsal bir olasılık olduğunu anladılar. Fermi, dikkatli bir biçimde ayarlanmış olan kontrol çubuğunu grafit külçeler yığını ve doğal uranyum yığınından yavaşça çektikten sonra olasılığı gerçeğe dönüştürdü. Gizemli bir biçimde suskun olan külçe içindeki yarılmış olan U-235 atomlarından çıkan nötronlar etrafta bilardo topları gibi zıplamaya başladılar, nötronların bazıları diğer U-235 atomlarını parçalayıp zincirleme tepkimenin sürmesi için ek nötronların özgür duruma geçmesini sağladılar, diğer nötronlar da doğal uranyuma çarparak onları plütonyuma dönüştürdüler.

Heyecandan uçan Compton projenin önemli kişilerinden Harvard Üniversitesi’ndeki James B. Conant’a telefon ederek deney sonucunu iletti. Gizliliğin korunması amacıyla kriptolu konuştu: “…İtalyan kaptan yeni dünyaya indi”.

Kendi kendini ayarlayabilen denetimli zincirleme tepkimeyi başarmış oldukları bilgisiyle donanmış olan Manhattan Projesi liderleri dünyanın ilk denetimsiz zincirleme tepkimesini, atom bombasını üretmenin planlarını kendilerinden emin bir biçimde yapmaya başladılar. Önde gelen ünlü Amerikalı biliminsanları, dört tanesi Nobel ödüllü olan, İtalya, Danimarka, Almanya, Macaristan, Kanada, Avustralya ve özellikle İngiltere’deki yabancı biliminsanlarıyla birlikte çalışmaya başladılar. Amaçlanan görev için devasa korporasyonların kuruluşu ve önemli personel alımı başladı. Sonraki birkaç yıl içinde projeye devasa kaynaklar ve 2 milyar dolar ayrıldı. Yüzlerce, binlerce kişi -belki de beş yüz bin kişi- projenin tamamlanmasına katkıda bulundu ancak birkaç kişi dışında bütün bu çabaların amacını yalnızca birkaç kişi biliyordu.

Plütonyum üretim alanı

1943 yılı ilkbahar aylarında Washington eyaletinde, Tennessee ve New Mexico’da üç gizli kent kurulmaya başlandı. Washington’un güney merkezi bölgesinde Columbia nehrinin batı yakasında ada çayına benzer kokulu bitkilerin bulunduğu ovada, sere serpe yatılan bir bölgede, binlerce işçi, hızlı bir şekilde fabrika yapılarını dikmeye başladılar. En sonunda altmış bin kişinin barınacağı bir konut alanı yapıldı. Kısa bir süre sonra çorak, karanlık tepelere karşı üç tane devasa atomik yığın yapıldı. Böylece Hanford Mühendislik Çalışma Alanı -plütonyum programı kapsamında üretim alanı- yapımına başlandı.

Biliminsanları ilk atomik yığını Chicago Üniversitesi’nde gerçekleştirmişlerdi ancak bu küçük yığın yarım kiloluk plütonyumun üretimini yüzyıllar sürecek olan bir zaman diliminde gerçekleştirebilirdi. Hanford’da gerçekleştirilen devasa yığının ve diğer olanakların tasarımını ve yapımını esas olarak mühendisler yaptı, biliminsanları da yalnızca salık verme görevini üstlendiler. İlk zincirleme tepkimenin hemen sonrasında yapılan 350 milyon dolarlık bu endüstri kompleksi büyük riskler taşıyan bir girişimdi. Mühendisler bu özgün görevlerini şaşırtıcı bir hızla tamamlamışlardı. 1944 yılı sonbaharında Hanford’da ilk atomik yığın işleme sokuldu, ertesi yılın başlarında da diğer iki yığın işleme girdi.

Bir yıldan daha kısa bir süre sonra Nagasaki kentini yıkacak plütonyumun gerçek üretimi başlamış oldu. Kutu şeklinde ve iki apartman katı yüksekliğindeki üç grafit yığınları veya reaktörleri işçilerin öldürücü radyoaktiviteye karşı korunması amacıyla kalın beton ve kurşun duvarlarla kapatıldı. Grafit yığını, çapları bir metal dolar denli olan yüzlerce tünel ile göz göz oluşturulmuştu. Grafit tünellerinin doldurulma zamanında teknisyenler binlerce küçük uranyum külçe madenini tünellere mekanik olarak doldurdular.

Zincirleme tepkime tutuşturulduktan sonra reaktör içinde parçalanmaya başlayan milyarlarca atom devasa niceliklerde ısı yaymaya başladılar; yapının erimemesi veya patlayıp çok geniş bir alana öldürücü radyoaktivite yaymaması için sürekli olarak soğutulması gerekiyordu. Reaktörler işleme başladığında böylesi bir felaket korkusu Hanford ve Columbia nehri boyunca 15 mil ötedeki Richland’da oluşturulan yeni kentlerdeki işçilerin barınma alanları boşaltıldı. Reaktörleri soğutmak için devasa önlemlerin alınması gerekiyordu: Grafit yığınındaki küçük tünellere Columbia nehrinden suların pompalanması için Grand Coulee barajından büyük niceliklerde güç kullanıldı.

Reaktörde aylarca “pişirildikten” sonra uranyum maden külçeleri -her biri çok az nicelikte plütonyuma gebe olan külçeler- grafit yığınından diğer tarafa doğru itilirler ve soğumaları için suyla dolu bir kanala düşürülürler. Daha sonra, büyük çekincelerle dolu olan işlerinin her aşamasında görevlerini özel olarak tasarlanmış olan periskoplar, mekanik aygıtlar ve diğer uzaktan kumanda aygıtlarla yürüten teknisyenler, yeni oluşan plütonyumu uranyum külçelerinden kimyasal yolla ayrıştırırlar; bu oldukça karmaşık bir süreçtir.

Plütonyum büyük çabalarla ve adım adım biriktirilir. 1945 yılı bahar ve yaz aylarının erken döneminde silahlı muhafızlar gizemli ve mini minnacık kargoları Hanford’dan New Mexico’daki gizli kuruma taşıdılar. Bu kurumda plütonyum saflaştırıldı ve atom bombası merkezi için uygun şekillere sokuldu.

Ve sonuç…

U-235’in doğal uranyumdan ayrıştırılması

Doğal uranyumdan U-235’in büyük ölçeklerde ayrıştırılması için seçilen bölge, Tennessee eyaletinin doğusundaki ağaçlıklı dağ sırtları ve ıssız vadinin olduğu, soğutma suyunun sağlanmasına uygun olan ve bol niceliklerde güç bulunan Clinch nehrinin yanı idi.

Oak Ridge, Hanford’dan daha büyük daha ayrıntılı ve daha büyük maliyetle yapılmıştı. Çamur denizi ve toz bulutu içinde zor nefes alarak çok zahmetli bir işe girişen on binlerce işçi -Oak Ridge’in toplam nüfusu seksen bin idi- atom bombası üretiminde kullanılacak olan U-235’in üretimi için 500 milyon dolara mal olan gaz difüzyon ve 350 milyon dolara mal olan elektromanyetik birim yaptılar.

Eğer iki gaz karışımı oldukça ince bir elekten veya gözenekli bir engelden sızdırılırsa (difüzyon) iki gazdan daha hafif olan elekten veya gözeneklerden daha çabuk geçer. Gaz difüzyonun genel ilkesi budur ve 1896 yılında ünlü İngiliz biliminsanı Lord Rayleigh tarafından bulunduğundan beri tüm dünyadaki biliminsanları tarafından biliniyordu. Bu ilkeyi kullanarak daha hafif olan U-235’i doğal uranyumdan ayrıştırmak oldukça zor bir işti.

Önce uranyum gaz haline dönüştürülmeliydi. Hiç de basit bir iş değildi. Daha sonra bu uranyum gazının bir kısmı bir odaya pompalanır ve yarısı gözenekli bir engelden ikinci odaya sızdırılır. Sızdırılan bu gaz daha hafif olan zenginleştirilmiş U-235’dir; geri kalan gaz ilk odaya geri pompalanır ve yeniden çevrime sokulur.

Bu süreç çok zor, zahmetli ve zaman alıcı bir süreçti. Her bir aşamada çok az ilerleme kaydediliyordu. Atom bombası için uygun saf U-235 üretimi için belli nicelikteki gazın haftalar boyunca hemen hemen binlerce aşamadan geçirilmesi gerekiyordu. Sonunda gazın, kuşkusuz, yine katı hale döndürülmesi gerekiyordu.

Mühendisleri ve biliminsanlarını afallatan, kaygılandıran sorunsal şuydu: gaz difüzyon ile üretilen U-235, işlemin yapıldığı odalardan dışarıya sızmamalıydı; özel olarak tasarlanmış binlerce pompaya gereksinim vardı; uranyum gazının yeğin bir aşındırıcı olması nedeniyle çok özgün plastiklerin, yağların ve parafinlerin geliştirilmesi gerekiyordu. Özellikle çok zor olan işlem hektarlarca büyük olan ve genişlememesi, tıkanmaması gereken gözenekli engellerin üretimiydi.

U şeklindeki gaz difüzyon işletmesi -üç kat yüksekliğinde, 400 metre genişliğinde ve 1600 metre uzunluğunda- dünyanın sürekli işlem yapan en büyük işletim merkeziydi. Bu aç dev her gün New York kentinin tükettiği elektriğe denk nicelikte elektrik; Washington DC’nin tükettiği suya denk nicelikte su tüketiyordu ve bugüne dek yapılmış en büyük termal tesisin ürettiği buhara denk niceliklerde buhar üretiyordu.

Oak Ridge’deki elektromanyetik ayrıştırma işletmesi gaz difüzyon işletmesi denli büyük olmasa da maliyeti tüm Hanford projesinin maliyeti denli büyüktü. Projenin tasarlanması, yapımı ve işletimi beş büyük endüstri korporasyonundaki mühendisler tarafından, bilimsel araştırmalar da Berkeley’deki California Üniversitesi’nde gerçekleştirildi.

Basit bir örnek görevin boyutunu gösterebilir: Elektromanyetik işletim biriminde devasa mıknatıslar kullanıldı -dünyanın en büyük mıknatısları- bu mıknatıslarda kullanılan bakır kabloların maliyeti savaş zamanı ekonomisinin karşılayabileceğinden çok fazlaydı. Bu geçici acil iş için ABD Hazinesinden 15 bin ton metale denk gümüş borç alındı.

Aslında tüm Manhattan projesinin en pahalı birimi olan gaz difüzyon işletmesi 1945 yılı yaz aylarına dek tam olarak işleme girmemişti; ölümcül ürününü savaş çabasına katmada çok gecikmişti. Hiroşima bombasının özeği için gerekli olan U-235’in çoğunu elektromanyetik süreç sağlamıştı. Ancak bu süreç gaz difüzyon sürecine göre daha az etkindi ve savaştan sonra elektromanyetik işletme kapatıldı ve aygıtlar söküldü.

Özel ve gizli görev

Hızla gelişen bu ayrıştırma etkinliğiyle eş zamanlı olarak Washington ve Tennesee’de J. Robert Oppenheimer New Mexico’daki Santa Fe’de bir grup biliminsanına önderlik yaptı. Los Alamos’da Oppenheimer atom bombası tasarımı için bir düzine biliminsanını bir araya getirmeyi planladı. Ancak işin boyutunu yanlış hesaplamıştı: İki yıl sonra dış dünyadan tamamen yalıtılmış sarp yamaçlı yayladaki gizli kentte altı bin kişi konuşlanmıştı.

Amerika’nın önde gelen üniversitelerinden ödünç alınan heybetli aygıtlar kısa bir süre sonra Los Alamos’a -Y Sitesi olarak biliniyordu- taşındı ve yeryüzündeki bilim cennetinde (Shangri La) dünyanın en iyi donanımlı fizik laboratuvarı oluşturuldu. Laboratuvar olanakları ince tellerle çevrilmiş olan Kutsal Teknik Alan’a (Sacrosanct Technical Area) yerleştirildi ve içeriye yalnızca özel rozeti olan kişiler alınıyordu. Bu Teknik Alan’da Niels Bohr, James Chadwick, Enrico Fermi, Harold Urey, Otto Frisch, Hans Bethe ve diğer ünlü biliminsanları gibi tam zamanlı çalışanlar veya danışmanlar bulunuyordu.

Çok çeşitli işlerde biliminsanlarına yardımcı olma amacıyla Özel Mühendislik Kıtası’ndaki (Special Engineer Detachment) binlerce genç asker de savaş döneminde sivil işgücünün yeterli olmaması nedeniyle görevdeydi. Bu genç askerlerin görevleri, üniversite eğitimi olanlar bilimsel çalışmalarda, diğerleri teknisyen ve mekanik işlerde olmak üzere ayrılıyordu. Bu genç askerler işlerini yapacak kadar bilgilendiriliyor ancak projenin amacının ne olduğundan habersiz bırakılıyorlardı.

Los Alamos’daki çalışanların özel görevi Hanford ve Oak Ridge’de üretilen U-235 ve plütonyumu kullanarak atom bombası tasarlamak ve üretmekti. Başlıca sorun fizyona girebilen iki veya daha fazla elementleri hızla bir araya getirip etkin bir patlamanın sonuçlandırılmasıydı. Bu bağlamdaki çaba iki yığının zincirleme tepkime başlamadan önce birbirinden ayrılmasını ve bombanın başarısızlığa uğramasını önlemekti. Kısacası, biliminsanlarının amacı fizyona uğrayabilen ender nicelikteki materyalleri bir araya getirip en büyük patlamayı gerçekleştirmekti.

Bomba tasarımları

Birkaç ay içersinde bombanın iki farklı tasarımı yapıldı. Birisi silah benzeri aygıttı; fizyona uğrayabilen iki materyalden birisi kapalı bir tüpün uçlarından birine yerleştirilecekti. Bomba, konvansiyonel bir patlayıcı dolguyla, yani fizyona girebilen bir materyalin diğeri üzerine gönderilmesi suretiyle kritik kütleye ulaşılması ve zincirleme tepkimenin hemen başlamasıyla patlatılacaktı. Bu, Hiroşima’da patlatılan bombanın tasarımıydı.

İkinci tasarım iç patlama veya basınç bombasıydı. Bu, fizyona uğrayabilen materyali barındıran küresel bir hacme sahip aygıttı. Top şeklindeki aygıtın dış kabuğu bir düzine özel şekilli konvansiyonel patlayıcı maddelerden oluşuyordu. Bu patlayıcı maddeler aynı anda patlatıldığında oluşan kuvvetin bir kısmı kürenin merkezine doğru yöneliyordu. İç patlama fizyona uğrayabilen materyali kürenin merkezine doğru sıkıştırıp kritik kütleye ulaşmasını ve zincirleme tepkimenin başlamasını sağlıyordu. Bu da Nagasaki’ye atılan bombanın tasarımıydı.

Bombanın gerçek tasarımı kuşkusuz yukarıdaki kısa betimlemeden çok daha karmaşıktı: Anlaşılması güç olan binlerce hesaplama, çetrefilli ve çekinceli deneyleri gerektiriyordu. Ancak, sayısız yeni ve zor sorunların varlığına karşın -Los Alamos’da yapılan çalışmaların önemi ve başarısını hiç küçümsemeden- şunu söyleyebiliriz ki, bombanın tasarımı tüm Manhattan Projesi’nin en kolay ve en ucuz kısmıydı. Soruna yabancı olmayan ünlü biliminsanlarından hiçbiri, yeterli nicelikte fizyona uğrayabilen materyal elde edilirse atom bombasının yapılabileceğinden kuşku duymadı. Tüm projenin en kesin yanı buydu.

Plütonyum ve U-235’in biriktirilme süreci çıldırtıcı yavaşlıktaydı. Uranyum içeren doğal madenin her bir tonu ancak 10-15 gram fizyona girebilen materyal içerir. Ancak, 30 Aralık 1944 tarihinde General Groves ordunun Kurmay Başkanı General George C. Marshall’a gönderdiği iletide atom bombasının yapımının tamamlanacağı tarihe ilişkin bir öngörüde bulundu.

Çok gizli iletide ilk atom bombası için şöyle bir saptama vardı: “Şimdi oldukça kesin olarak söyleyebilirim, 1 Ağustos 1945 tarihinde hazır olacak.”

Kaynak: Bilim ve Gelecek, Sayı:171, Mayıs 2018, s.17-25