曼哈顿工程

曼哈顿工程由一系列决策促成。1939年10月12日，美国成立铀咨询委员会（Advisory Committee on Uranium），负责研究铀问题。1941年11月，美国科学家得出可在3至4年内制造出原子弹的结论。12月6日，美国对原子弹的理论研究、钚和铀的分离和生产等进行部署。1942年6月，美国决定由陆军全面负责实施原子弹计划。随即，将研制原子弹研究基地、生产原子弹原材料与零部件的各种工厂等统称为“代用材料实验室”（Laboratory for the Development of Substitute Materials）。8月13日，改称“曼哈顿工程区”（Manhattan Engineer District; MED）。9月中旬起，称作“曼哈顿工程”（Manhattan Project），用以指称整个美国原子弹计划。3年后的1945年7月，美国制成1颗铀弹、2颗钚弹共3颗原子弹。1945年7月16日凌晨5时30分，美国在新墨西哥州南部的阿拉莫戈多（Alamogordo），成功进行第一颗内爆式原子弹（钚弹）试验。

美国的核物理研究基础与原子弹计划的酝酿

20世纪20年代，欧洲的科学和技术发展水平仍然领先于美国。当时，美国的一些青年学生，如犹太人I.I.拉比（Isidor Isaac Rabi，1898～1988）、J.R.奥本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904～1967）等，前往英国、德国和丹麦等欧洲国家学习后，返回美国。30年代，德国、意大利等国家实行排犹政策，大批欧洲物理学家前往美国，如J.弗兰克（James Franck，1882～1964）、E.费米（Enrico Fermi，1901～1954）、E.维格纳（Eugene Wigner，1902～1995）、L.西拉德（Leo Szilard，1898～1964）等，成为美国核物理研究的中坚。

第二次世界大战爆发前，美国的核物理研究已经具备一定的基础，主要包括：以拉比为首的哥伦比亚大学物理系建成回旋加速器，费米、H.尤里（Harold Urey，1893～1981）、物理学家J.R.邓宁（John Ray Dunning，1907～1975）、西拉德、H.L.安德孙（Herbert L.Anderson，1914～1988）等在这里做中子物理实验。维格纳等在普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study; IAS，又译高级研究院）做类似实验。A.H.康普顿（Arthur H.Compton，1892～1962）领导的芝加哥大学物理系和以E.O.劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901～1958）为首的加利福尼亚州立大学伯克利分校辐射实验室，也在进行核物理研究。1939年秋冬，美国的科学家做了大量核裂变的实验，邓宁、西拉德和W.辛恩（Walter Zinn，1907～2000）的研究小组、费米和C.D.安德孙（Carl David Anderson，1905～1991）以及H.汉斯泰因（H.Hanstein）的实验，分别独立地证实物理学家猜测的核裂变链式反应，即一个中子引起一个铀原子核裂变后，可产生更多的中子，引起更多的裂变，形成连锁反应，释放出巨大的能量。

1939年3月6日，德国入侵当时世界上最大的铀供应国捷克斯洛伐克。在哥伦比亚大学的西拉德呼吁下，美国科学家几个月内成立了一个专门审查自己成员文章的委员会，不再公开发表有潜在军事用途的研究文章。一些物理学家担心德国会首先研制出原子弹，敦促美国政府采取行动，支持核研究。 哥伦比亚大学的邓宁等小组不断提高铀材料中铀-235的含量，逐步确认只有铀-235才能产生裂变，大致地估计了铀-235的裂变截面，及其与入射中子的能量关系。邓宁、尤里、费米、西拉德等科学家，还对铀同位素的工业分离、利用缓冲剂减缓裂变产生的中子速度、实现核的自持式链式反应等进行探索。

1939年3月7日，美国核物理学家首次与政府官员正式接触。在一次会议上，费米与美国海军军官见面，在介绍用链式反应做能源或炸弹的可能性后，获得1500美元资助。西拉德对于用核变制造威力巨大武器的可能性更为警觉，感到有必要让美国政府重视此事，认为需要通过享有盛誉的科学家爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955），对时任美国总统罗斯福（Franklin D.Roosevelt，1882～1945）施加影响。在拜访爱因斯坦后，西拉德为爱因斯坦起草了一封给罗斯福的信，8月2日爱因斯坦在信上签名。信中明确说明，铀元素可能即将成为一种新的重要能源。最近4个月在法国和美国的研究进展表明，有可能在大量的铀当中实现链式反应，释放出巨大能量，产生大量放射性元素，可以用来制造威力极强的新型炸弹。用船只装载这种新型炸弹，可以摧毁港口及其周边地带。但过于沉重，难以空运。建议美国政府与核物理学家建立长期而持续的联系，关注美国的铀供应安全，提供资金以加速核物理实验研究。爱因斯坦在信中还提醒罗斯福，德国已经停止从被占领的捷克斯洛伐克出售铀，可能柏林也在进行同样的研究。

美国原子弹计划的形成

1939年10月11日，萨克斯（Alexander Sachs，经济学家，罗斯福的朋友和私人顾问）在与美国总统罗斯福会面时，递交了爱因斯坦签名的信，并解释铀裂变的应用价值，建议罗斯福任命专人或委员会负责美国政府与科学家之间的联络。罗斯福责成其军事顾问E.M.沃森（Edwin Martin Watson，1883～1945）将军组织一个委员会负责此项事务。10月12日，美国成立铀咨询委员会。10月19日，罗斯福给爱因斯坦回信，告诉这位物理学家，已经成立一个由陆海军代表组成的委员会来研究铀问题。 1940年6月27日，美国成立国防研究委员会（National Defense Research Committee; NDRC），由华盛顿卡内基大学校长布什（Vannevar Bush，1890～1974）担任委员会主席，负责支持和协调可能具有军事用途的科学研究。铀咨询委员会隶属国防研究委员会。布什随即改组铀咨询委员会，以强化美国的核研究计划。

1940年初，E.麦克米伦（Edwin McMillan，1907～1991）和P.艾贝尔森（Philip Abelson，1913～2004）发现第94号元素钚239存在的迹象。同年，洛克菲勒基金会资助劳伦斯（美国国防研究委员会雷达小组的成员，关注核研究的军事应用）100多万美元，在加州大学伯克利分校辐射实验室建造重达4900吨的回旋加速器。1941年2月，伯克利的化学家G.T.西博格（Glenn T.Seaborg，1912～1999）从化学上证实钚239的存在，对其性质展开系统研究。3月，证实钚239可以裂变。 裂变现象能否用于制造实用的原子弹，这是至关重要的问题。1941年春，铀咨询委员会的工作被指责进展缓慢、保守，而德国的核研究被认为很活跃。4月19日，布什决定由美国国家科学院（National Academy of Sciences; NAS）组织一个委员会来评估核裂变的军事应用前景。5月17日，康普顿任主席的委员会提交第1份NAS报告，列举铀裂变3种可能的军事应用：作为强放射性物质、作为舰艇动力和作为烈性炸弹，建议此后6个月大力加强裂变军事应用问题的研究。

鉴于国防研究委员会虽然能够有效协调核科学研究，但难以组织工程实施。1941年6月28日，美国成立科学研究发展办公室（Office of Scientific Research and Development; OSRD，又译科学研究发展局），布什任主任。原国防研究委员会成为科学研究发展办公室的一个组成部分，由J.B.科南特（James Bryant Conant，1893～1978）负责。铀咨询委员会升级为科学研究发展办公室的分部——S-1委员会，核研究成为美国最重要的军事科研项目之一。 1941年7月11日，康普顿的委员会提交第2份NAS报告，将劳伦斯的一份报告作为附录。劳伦斯在报告中回顾了5月17日第1份报告以来核研究的新发现，提出在大量的钚239中，快中子也可造成链式反应，释放出来的能量可用于制造“超级炸弹”。 1941年夏，英国的莫德委员会（The MAUD Committee）——MAUD正式写作M.A.U.D.，源自对N.玻尔（Niels Bohr，1885～1962）1940年4月的一封电报的猜测与误解——提交的原子弹报告表明，当时英国对原子弹已经形成比较清晰的理解，远远走在美国前面。10月3日，英国将莫德报告复件交给布什和科南特。英国的莫德报告，对美国国家科学院的第3份报告产生重要影响。

1941年10月9日，在布什向美国总统罗斯福、副总统H.华莱士（Henry Wallace，1888～1965）报告核研究进展时，罗斯福决定由他自己、副总统、战争部长H.史汀生（Henry Stimson，1867～1950）、陆军参谋长G.C.马歇尔（George C.Marshal，1880～1959）、布什和科南特组成6人小组，决定美国原子弹政策，这个小组后来被称为最高政策小组（The Top Policy Group）。 1941年11月6日，康普顿在第3份也是最后一份NAS报告中估计，50万吨TNT才能摧毁的军事和工业目标，1至10吨U-235裂变弹即可完成。原子弹的临界质量为2至100千克，美国3至4年可以制造出原子弹。认为美国实施原子弹计划紧急而又重要。布什接到康普顿的报告后，立即报告美国罗斯福总统。罗斯福认为如果研制原子弹可行，美国必须第一个制造出来。 研制原子弹的另一个关键是核材料的生产。对于铀-235，当时美国的科学家在研究3类不同的铀同位素分离方法。①扩散法：包括热扩散法（利用克劳修斯热平衡原理分离质量不同的同位素，但效率太低）和气体扩散法（利用不同质量的气体穿过某些多孔膜时的透过系数差异分离同位素）；②离心法：利用不同质量的气体在旋转时受的离心力不同分离同位素，效率高，但材料和离心泵的问题需要解决，扩散法和离心法均由尤里负责；③电磁分离法：由劳伦斯负责，利用不同质量的带电粒子在磁场中的偏转不同，分离铀同位素。

生产裂变材料钚239，需要实现自持式链式反应堆，并设法将钚-239从铀中分离出来。费米在哥伦比亚大学用石墨作缓冲剂的“晶格式”指数实验反应堆，中子增殖系数已高于0.9；对用重水作缓冲剂的反应堆，也在进行研究。 至于核原料的供应，1941年初，美国、加拿大等地存放有约2000吨氧化铀，两国的铀矿每月还能提供几百吨铀产品。S-1委员会估计，最小的原子弹只需不到10千克的铀-235，提炼每千克铀-235需要的氧化铀少于1吨。一个反应堆只需要几百吨氧化铀，氧化铀的供应不成问题。 1941年12月6日，布什将美国总统罗斯福对于美国必须第一个造出原子弹的考虑告知康普顿等人。科南特随即召开S-1委员会会议，决定同时推进3类铀同位素分离方法，确保为原子弹研制提供所需核材料，确定了原子弹的研究和设计、核材料的生产以及相关工程等的分工。其中，康普顿负责反应堆的研制以及钚的分离、生产和快中子和原子弹的理论研究——半年后的1942年6月，康普顿指定未来的美国原子弹之父奥本海默负责研究和设计原子弹。

曼哈顿工程的实施

1942年初美国原子弹研究的进展情况，在布什的一份报告中体现出来。1942年3月9日，在给罗斯福、史汀生、马歇尔和华莱士的报告中，布什称美国的原子弹研制正在全速进行，所需的裂变材料的数量原先设想的要少，预期威力更大，制造出原子弹的可能性更加明确。同时，布什认为美国正在就制造原子弹与德国展开竞赛。预计到1942年夏季，原子弹计划将进入建设试验工厂的阶段，需要由军队统一协调，才能迅速生产出足够的核原料，制造出原子弹。建议届时把全部的研制和生产管理移交给军队。6月17日，布什又提交了一份将原子弹计划全部移交美军领导执行的详细报告，罗斯福立即批准。美军接手原子弹计划后，同时建设采用不同方法的铀同位素分离工厂，以及其他研制、生产基地，并将研制原子弹研究基地、生产原子弹原材料和零部件等的各种工厂统称“代用材料实验室”，最初由军事工程部J.C.马歇尔（James C.Marshall）上校负责整个计划。8月13日，为避免人们好奇，“代用材料实验室”更名为“曼哈顿工程区”——因其总办公室最初拟设在美国纽约而得名。马歇尔上校难以与科学顾问们合作，又延误计划优先权的升级和气体分离工厂的选址达两个月。

1942年9月，美军决定让陆军工程兵团建筑部副主任L.R.格罗夫斯（Leslie R.Groves，1896～1970）上校接替马歇尔上校。同时，马歇尔将军指示将格罗夫斯提升为准将。格罗夫斯履职后，在48小时内就争取到将原子弹计划的优先权由AA-3升级为AAA，并选定田纳西州橡树岭（Oak Ridge）作为铀同位素分离工厂基地——橡树岭核工厂一度占用美国电力供应的10%。此时，美国原子弹计划已被称作“曼哈顿工程”。同年秋，S-1执行委员会（1942年5月，S-1委员会改组，精简为S-1执行委员会，主要任务是继续在核研究上作出技术决策，科南特任主席）在对美国核研究再次进行详细考察后，决定首先采用气体扩散法建设铀分离工厂。12月，橡树岭核材料生产基地破土动工。

在核反应堆中将铀-238转换为钚-239，是获得核材料的另一个途径。1942年之前，在铀反应堆中实现的中子增殖系数略小于1。费米和康普顿认为改用金属铀和更高纯度的石墨，增殖系数可以超过1.1，进而能够利用铀-235链式反应产生的多余中子将铀-238转换成钚-239，获得核材料。尽管重水反应堆的研究也取得进展，但由于材料问题，S-1执行委员会决定首先发展石墨反应堆。当时人们并不清楚链式反应的机制，考虑到发生事故的严重后果，计划将反应堆建在离芝加哥大学不远的阿贡（Argonne）森林。11月初，由于阿贡实验室建设进展缓慢，费米和安德孙直接在芝加哥大学一个废弃运动场的房子内，用60吨金属铀、58吨氧化铀和400吨石墨堆起一个自持式实验反应堆。12月2日，芝加哥反应堆第一次自持式反应堆成功“点火”。起初，生产钚的大型反应堆计划建在橡树岭。12月17日，由于安全和电力供应等问题，决定建在汉福特（Hanford）。

研制原子弹涉及一系列复杂的理论和工程技术问题，如原子弹的核材料（用铀-235还是用钚-239，或者二者都用），又如原子弹的爆炸机理、引爆机制、爆炸时核反应的有效时间、大小、质量，以及具体设计原子弹等等——这方面的工作后来称为Y计划，格罗夫斯选择奥本海默负责Y计划。1942年11月，在新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯建设新的快中子反应和原子弹结构研究基地，这就是洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）。物理学家、化学家、工程师、军械专家等在这个实验共同工作。通过大量的理论计算和实验测试，获得了反应截面、自发裂变率等核物理数据，解决了扩散方程、临界半径、裂变前的中子活动时间、爆炸力、引爆方法、弹体设计等问题。

945年初，美国原子弹的弹体设计、部件的制造基本完成。其中，对铀-235裂变性质的掌握比较充分，采用的枪式引爆机制成熟可靠，铀弹的研制较为顺利。但在钚弹研制过程中意外发现高自发裂变率，只能以向心爆炸方式引爆。这是一种新触发机构，需要先进行一次钚弹试验加以验证。1945年3月，美国政府同意实施代号为“翠尼提”（Trinity，又译三位一体）的钚原子弹试验计划。 1945年春、夏，橡树岭和汉福特工厂生产的核装料陆续运抵洛斯阿拉莫斯国家实验室。7月，制成三枚原子弹。其中，钚弹两枚，一枚用于试验，绰号“小玩意”（Gadget）；另一枚用于长崎，绰号“胖子”（Fat Man）。铀弹一枚，绰号“小男孩”（Little Boy），用于广岛。