75 jaar geleden: de eerste kernexplosie ooit vindt plaats in woestijn van New Mexico

Op 16 juli 1945 vond in een woestijn van de Amerikaanse staat New Mexico de eerste kernexplosie op aarde plaats. 

Om halfzes in de morgen vond een kernreactie plaats in een plutoniumbom, geplaatst op een 30 m hoge stalen toren op het militair schietterrein van Alamogordo (New Mexico). Er ontstond een verblindende flits, gevolgd door een enorme schokgolf. Een lichtende paddenstoelwolk steeg op tot 12 km hoogte. Op de plek waar de toren gestaan ​​had, bleef een 9 meter brede krater over, terwijl het woestijnzand in een omtrek van meer dan 20 meter smolt tot een radioactief glas. 

Dertig kilometer verder stond een groep prominenten het fenomeen gade te slaan. De meesten zagen de flits niet omdat ze plat op hun buik lagen. Enkelen keken toch: ze droegen een lasbril en hadden zonnebrandcrème op hun gezicht gesmeerd.

Tot de prominenten behoorden enkele wereldberoemde natuurkundigen, waaronder de Nobelprijswinnaars Ernest Lawrence, Enrico Fermi en James Chatwick en de toekomstige Nobelprijswinnaar Richard Feynman. Ook de professoren Vannevar Bush en Richard Tolman, die aan de wieg stonden van het hele atoombomprogramma. Daarnaast waren ook de twee hoofdverantwoordelijken voor de test aanwezig: Robert Oppenheimer, directeur van het laboratorium in Los Alamos, waar de bom werd gemaakt, en generaal-majoor Leslie Groves, die de leiding had van de onderneming die Amerika een kernbom moest bezorgen onder de codenaam : het Manhattanproject.

Met de proef op 16 juli werd de atoombom in de praktijk getest. De enorme explosie had een energie-equivalent van 21 kiloton (21.000 ton) TNT, veel meer dan directeur Oppenheimer verwacht had. 

De proef vond in de vroege ochtend plaats, in de veronderstelling dat de effecten ervan minder zouden opvallen. Maar het helwitte licht van de explosie was tot op 300 km verder zichtbaar, en ook het geluid bleek op een afstand van 50 km ver nog hoorbaar. Generaal Groves verspreidde het bericht dat er een munitiedepot was ontploft. Het hele project was immers strikt geheim, heel weinig mensen waren ervan op de hoogte. 

Het verhaal van de atoombom loopt terug tot november 1938, toen de Duitse chemici Otto Hahn en Fritz Strassmann in hun laboratorium in Berlijn erin slaagden uraniumatomen te splitsen. Al gauw werd duidelijk dat daardoor een grote hoeveelheid energie vrijkwam. Kernfysici rekenden uit dat, als voldoende van dergelijke splijtstof werd samengebracht, er een kettingreactie zou ontstaan ​​die tot een ongeziene explosie kon leiden. 

In de loop van 1939, bij de aanvang van de Tweede Wereldoorlog, waren natuurkundigen in Duitsland, en nog eerder in Frankrijk en Groot-Brittannië, onderzoek gestart naar de mogelijkheden van kernwapens.

In de Verenigde Staten, die de eerste jaren buiten de oorlog bleven, beperkte men zich aanvankelijk tot voorbereidende studies. Pas in oktober 1941 gaf president Roosevelt het leger opdracht een atoomprogramma te lanceren. En het zou nog tot juni 1942 duren voor het project echt van start zou gaan. 

Vanaf het begin verliep alles in het grootste geheim. Het hele project kreeg de codenaam “Ontwikkeling van vervangende materialen”, maar omdat die naam de aandacht kon trekken werd het militair gedeelte aangeduid als “Manhattan District”. De kantoren waren aanvankelijk gevestigd in het hoofdkwartier van een Amerikaanse genie-divisie in het New Yorkse stadsdeel Manhattan. 

UIteindelijk zou “Manhattan” de codenaam voor het geheel worden. Aan het hoofd van het project kwam kolonel Leslie Groves, een zeer bekwaam genie-officier, die vanwege het belang van zijn opdracht onmiddellijk tot generaal werd bevorderd. 

Hoe geheim ook, het project zou ongeziene middelen krijgen, in totaal zo’n 2 miljard dollar (wat overeenkomt met 26 miljard euro nu).  Vergeleken met de totale oorlogsuitgaven van de Verenigde Staten bleef dat echter zeer redelijk… 

Het meest opvallende aan het project was de uitgelezen groep topwetenschappers die eraan meewerkte. Daaronder prominente Europeanen (o.a. Duitsers, Italianen, Hongaren, Polen) die voor het fascisme en/of de oorlog gevlucht waren. Ook opmerkelijke namen die Nobelprijzen in natuur- of scheikunde hadden verkregen. Toen Oppenheimer werd voorgesteld als de directeur van het laboratorium dat de bom moest maken, waren er bezwaren omdat hij geen Nobelprijswinnaar was. Wellicht heeft nooit één project zoveel knappe koppen doen samenwerken. 

Maar “Manhattan” was meer dan een onderonsje van geleerden. Veel categorieën mensen werkten ervoor. Op een bepaald moment waren het er bijna 130.000. De grote meerderheid waren bouwvakkers, die de gebouwen voor fabrieken en laboratoria en de daarbij behorende ontelbare woningen voor het personeel neerzetten op geheime sites.

De grootste vestiging was Oak Ridge in Tennessee, een geheime stad die de hoofdzetel van Manhattan District zou worden en waar uiteindelijk 75.000 mensen gingen wonen. Om de stad te bouwen werden een duizendtal mensen onteigend die amper een paar weken kregen om te vertrekken

Nog twee andere geheime steden zouden volgen: de “plutoniumstad” Hanford in de staat Washington en Los Alamos in New Mexico, waar de bommen werden gemaakt.

 Het maken van de bom zelf was slechts een klein onderdeel van het project. De zwaarste inspanningen gingen naar het vervaardigen van voldoende splijtstof. Het vinden van ruw uranium bleek uiteindelijk niet zo'n probleem toen duidelijk werd dat het Belgische mijnbedrijf Union Minière du Haut-Katanga over meer dan duizend ton uraniumerts uit Belgisch-Congo beschikte. 

Uit dat erts moest nu zuiver uranium worden gehaald. Dat lukte pas op bevredigende wijze toen het metallurgisch laboratorium in Ames (Iowa) in 1943 een procedé had uitgewerkt om het erts tot meer dan duizend graden te verwarmen en op die wijze onzuiverheden kon verwijderen. Tussen 1943 en 1945 werd zo'n 1.000 ton zuiver uranium geleverd. 

Maar dat was nog maar het begin. Alleen een bepaald soort (isotoop) uranium, uranium-235, kan voor kernsplitsing worden gebruikt. Dit vormt maar 0,7 % van zuiver uranium (de rest is uranium-238, chemisch precies hetzelfde, maar een klein beetje zwaarder). 

Om splijtstof voor een bom te maken moest het percentage uranium-235 in het metaal drastisch worden opgevoerd (men spreekt van “verrijken”)  Daarvoor werden totaal nieuwe technieken bedacht.

Een eerste methode (codenaam Y-12) bestaat erin elektrisch geladen uraniumdeeltjes in het luchtledige langs elektromagneten te jagen. De zwaardere uraniumdeeltjes werden iets meer afgebogen dan de lichtere.

Daarvoor werden in Oak Ridge enorme, geheel nieuwe apparaten ("calutrons") gebouwd. Voor de elektromagneten waren duizenden tonnen koperdraad nodig, maar omdat er door de oorlog een tekort aan koper was ontstaan, werd dat vervangen door het veel duurdere zilver, geleend van de Amerikaanse munt (en later netjes terugbezorgd). 

Bij een andere methode werd een gasvormige uraniumverbinding gepompt door membranen. Omdat lichtere gasdeeltjes het membraan iets gemakkelijker passeren, wordt het gehalte uranium-235 bij elke passage opgevoerd. Dat proces moet steeds opnieuw herhaald worden om significante "verrijking" te bekomen.

In Oak Ridge werd een fabriek neergezet onder codenaam K-25 waarin het gas 600 keer na elkaar werd gefilterd. K-25 bestond ​​uit 54 aanpalende gebouwen van vier verdiepingen, samen 800 meter lang. Meteen de grootste fabriek ter wereld. Voor de aandrijving werd een complete elektrische centrale gebouwd. 

Bij de derde techniek werd gasvormig uranium opgewarmd, waarbij de lichtere gasdeeltjes iets hoger dreven. Ook hiervoor werd in Oak Ridge een complete fabriek (S-50) gebouwd, die pas in het najaar 1944 actief werd, maar uiteindelijk de beste resultaten leverde.

De drie methoden werden vanaf begin 1945 gecombineerd. Het uranium passeerde alle drie fabrieken na elkaar. Het eindresultaat was een metaal dat voor 89 % uit uranium-235 bestond.

Het verrijken van uranium was zo'n moeilijke zaak dat sommige kernfysici een andere kernsplijtstof wilden gebruiken: plutonium. Dat element komt in de natuur niet voor en was pas eind 1940 voor het eerst vervaardigd in een laboratorium in Californië, in uiterst kleine hoeveelheden.

Midden 1942 stelden ze voor plutonium aan te maken door onverrijkt uranium in een kernreactor te bombarderen met neutronen, waardoor een deel van het uranium in plutonium wordt omgezet. Alleen… er bestond toen nog geen kernreactor.

Groves had beslist om op twee paarden te wedden: er zou zowel plutonium als uranium-235 worden gemaakt. 

Een eerste experimentele kernreactor trad op 2 december 1942 in Chicago in werking. Het jaar daarop kwam er een tweede proefreactor in Oak Ridge. Honderden staven uranium werden in de “atoomzuil” gestoken en bleken na een tijd inderdaad plutonium te bevatten. 

Daarop werden in Hanford drie kernreactoren gebouwd, die op grote schaal plutonium produceerden. Twee fabrieken in de buurt hadden de opdracht plutonium uit de uraniumstaven te halen via speciale chemische technieken. Eind 1944 liep de plutoniumproductie op volle toeren. Er was al snel meer plutonium beschikbaar dan uranium-235.

Intussen waren Oppenheimer en zijn ploeg in het ultrageheime laboratorium in Los Alamos bezig met het ontwikkelen van de atoombom zelf. De uraniumbom, aangeduid als Little Boy , was relatief eenvoudig te maken. Een plutoniumbom leverde bijkomende problemen op, hoewel die bom krachtiger en betrouwbaarder zou zijn.

Het kostte heel wat moeite om een ​​bom te ontwerpen (aangegeven als Fat Man) waarin het plutonium door een implosie samengedrukt wordt tot een kritische massa. Het werken met plutonium was bovendien gevaarlijk. Verscheidene medewerkers moesten van het werk worden gehaald, omdat ze te veel straling hadden geïncasseerd.  

Omdat Fat Man zo'n delicaat tuig was, achtte Oppenheimer het noodzakelijk  om er een echte proefexplosie mee te doen. Er kon zoveel mis gaan. Groves aarzelde om het zo moeizaam verkregen plutonium op te offeren aan een test, maar stemde uiteindelijk in. 

De proefexplosie (codenaam 'Trinity') vond op 16 juli plaats. Eerder had niet gekund omdat de plutoniumbom nog maar net afgewerkt was. Later kon ook niet, want de dag daarop begon de geallieerde topconferentie in Potsdam. De Amerikaanse president Truman ging het bestaan van een nieuw “superwapen” gebruiken tijdens de onderhandelingen. Daarop lag de weg open naar het gebruik van atoombommen tegen Japan …

De bijna ongelooflijke inspanningen van de Amerikanen om een ​​atoombom te maken waren in de eerste plaats bedoeld om te voorkomen dat nazi-Duitsland eerder over kernwapens zou beschikken.

Veel vooraanstaande geleerden die enthousiast aan het project meewerkten, waren overtuigde tegenstanders van het naziregime. Dat gold zeker voor Oppenheimer, een Jood met linkse opvattingen.

Achteraf bleek dat de Duitse plannen voor een atoombom rond 1943 reeds waren opgegeven. De meeste Duitse uraniumvoorraden werden voor andere doelen gebruikt. Er werd wel gewerkt aan een Duitse kernreactor, maar met de bedoeling hem te gebruiken als energiebron voor onder meer onderzeeërs.

Hoe dan ook,  Duitsland zou zeker niet in staat zijn geweest om zo snel een kernwapen te maken. De Verenigde Staten beschikten over meer middelen, hadden de allerbeste geleerden in dienst (waaronder gevluchte Duitsers) en hun fabrieken hadden geen last van vijandelijke bombardementen. 

Maar nu de Verenigde Staten de weg naar het atoomwapen hadden geëffend, was het voor andere mogendheden heel wat eenvoudiger om eveneens die weg in de slaan. De Sovjet-Unie, die door spionnen goed was gebrieft over de Amerikaanse atoomplannen en evoluties, zou vier jaar later, met veel minder moeite, haar eerste atoombom laten ontploffen ...