El 7 de diciembre de 1941 con el ataque japonés a Pearl Harbor, Estados Unidos entró en la Segunda Guerra Mundial. Un día antes, V. Bush creó el Comité S-1 con el objetivo de guiar las investigaciones.
Los esfuerzos para obtener material para la bomba se incrementaron en el Laboratorio de Metalurgia de la Universidad de Chicago, el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California y el Departamento de Física de la Universidad de Columbia. Para obtener isótopos de plutonio se tiene que bombardear con neutrones el Uranio-235, el cual absorbe los neutrones transformándose en Uranio-236, mucho más radiactivo, y plutonio. Con este fin, en 1942 se construyeron enormes plantas en Oak Ridge (Sitio X) Tennessee y Hanford (Sitio W) Washington para realizar esta separación.
A principios de 1942 el físico y Premio Nobel Arthur Holly Compton organizó el Laboratorio de Metalurgia de la Universidad de Chicago para estudiar el plutonio y las pilas de fisión. Compton solicitó al físico teórico J. Robert Oppenheimer de la Universidad de California que se encargara de realizar los cálculos sobre neutrones de alta velocidad, esenciales para la viabilidad del arma nuclear. John Manley, un físico del Laboratorio de Metalurgia de la Universidad de Chicago, fue designado para ayudar a Oppenheimer a hallar respuestas contactando y coordinando varios grupos de físicos experimentales dispersos en todo el país.
En la primavera de 1942, Oppenheimer y Robert Serber de la Universidad de Illinois trabajaron en los problemas de la difusión de neutrones (movimiento de neutrones en la reacción en cadena) e hidrodinámica (comportamiento de la explosión producida por la reacción en cadena). Este estudio preliminar fue revisado el mismo verano por un grupo de físicos teóricos integrado por Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Felix Bloch, Emil Konopinski, Robert Serber, Stanley S. Frankel y Eldred C. Nelson quienes concluyeron que la bomba de fisión era viable. Los científicos sugirieron que la reacción podía iniciarse acoplando una masa crítica, ya sea disparando dos masas subcríticas de plutonio o uranio; o por medio de implosionar o comprimir una esfera hueca de los mismos materiales.
Al mismo tiempo, Teller contempló la posibilidad de fabricar un dispositivo mucho más poderoso o Superbomba al rodear la bomba de fisión con deuterio y tritio, sin embargo, el dispositivo no sería probado hasta en 1952 ya finalizada la guerra.
En este tiempo, Teller mencionó la posibilidad de que la bomba atómica pudiera incendiar la atmósfera al desencadenar la hipotética reacción de fusión del nitrógeno, lo cual Bethe demostró teóricamente que era imposible, y una refutación fue escrita en el informe LA-602 (disponible en línea aquí en inglés) por Konopinsky, Marvin y Teller, el cual fue desclasificado en 1973. Desafortunadamente, esta información llegó hasta Washington D. C. quienes mantuvieron la pregunta todo el tiempo. Luego, en 1975 la posibilidad revivió en un artículo de H. C. Dudley, quien obtuvo la idea de un reporte de Pearl Buck acerca de una entrevista que sostuvo con Arthur Compton en 1959, en el que malentendió completamente a Compton. La preocupación, sin embargo, se mantuvo en la mente de algunos hasta que se detonó la prueba Trinity; aunque si Teller hubiese tenido razón, jamás lo habríamos sabido.
El resultado de estas reuniones fue resumido por Serber en "The Los Alamos Primer" (LA-1 en línea), y suministraron la base teórica original para el diseño de la bomba atómica, la cuál se convirtió en la tarea principal de Los Alamos durante la guerra; y la idea de la bomba H, que se mantuvo en el laboratorio durante la posguerra.
En septiembre de 1942 las dificultades encontradas al desarrollar investigaciones en universidades dispersas por todo el país hicieron evidente la necesidad de crear un nuevo laboratorio dedicado exclusivamente a esta tarea, sin embargo, esta necesidad fue puesta en segundo plano dada la demanda de plantas que pudieran producir suficiente uranio y plutonio para crear las bombas atómicas.
Las operaciones a gran escala relacionadas con el proyecto fueron asignadas al ejército por el presidente Roosevelt, y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército asignó al Coronel James Marshall para supervisar la construcción de fábricas para la separación de isótopos de uranio y producción de plutonio.
En ese tiempo, el único método que parecía prometedor para la separación a gran escala era la separación electromagnética, desarrollada por Ernest Lawrence en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, sin embargo, los científicos continuaron estudiando otros métodos alternativos debido a su alto costo y a que era improbable que pudiera producir suficiente material antes del final de la guerra.
El ejército determinó que una ubicación cerca de Knoxville Tennessee sería el lugar más apropiado para construir la planta de separación, pero debido a que los oficiales a cargo desconocían qué extensión sería necesaria, se retrasó su adquisición.
De igual forma, debido a su naturaleza de proyecto experimental, el proyecto no pudo competir con las demás prioridades del ejército en tiempo de guerra, como la demanda de acero para la construcción de fábricas, lo cual le causó retrasos.
En otoño de 1943, el Coronel Marshall tuvo la idea de una operación de inteligencia independiente, gestionada por el Jefe de Distrito del Proyecto Manhattan, con el fin de averiguar los progresos alemanes en la investigación atómica: la Operación Alsos.
Culminación del Proyecto
El proyecto Manhattan consiguió su objetivo de producir la primera bomba atómica en un tiempo de 2 años 3 meses y 16 días, detonando la primera prueba nuclear del mundo (Prueba Trinity) el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo México. La continuación del proyecto condujo a la producción de dos bombas A conocidas como Little Boy y Fat Man con pocos días de intervalo, las cuales detonaron en Hiroshima el 6 de agosto de 1945 y en Nagasaki el 9 de agosto respectivamente.
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