Trinity
Minden maghasadáson alapuló bomba működésének lényege, hogy a bombában lévő szubkritikus ²³⁵U vagy ²³⁹Pu az adott pillanatban az elérje a láncreakcióhoz szükséges kritikus tömegét, ami függ a hasadóanyag sűrűségtől, illetve az esetleges neutron visszaverő héj vastagságától.
A ²³⁹Pu kritikus tömege, ami képes fenntartani a láncreakciót; 10kg
A fenti érték normál sűrűségre (χ = 1), 100%-os (elméleti) dúsítottságra, és neutron visszaverő héj nélkül értendő.
Los Alamosban az elkészült plutóniumot vizsgálva, kiderült hogy a fegyverkészítéshez szükséges ²³⁹Pu kívül jelentős százalékban tartalmaz ²⁴⁰Pu izotópot is, aminek aktivitása lehetetlenné teszi a plutónium felhasználását ágyú típusú (Thin Man) bombában, mivel az a kritikus tömeg elérése előtt (és csak töredék % hatásfokkal) robbanna.
A felfedezés rákényszerítette a Los Alamos-i tudósokat, az implóziós (Fat Man) bomba megalkotására.
Az implóziós fegyver lényege, hogy irányított robbantás segítségével a szubkritikus ²³⁹Pu mag sűrűségét (χ) megnöveljük, így az eléri a láncreakcióhoz szükséges kritikus tömeget, mivel nagyobb sűrűségen kisebb tömeg is elég a láncreakcióhoz.
A robbantás lökéshullámának tökéletesen gömb alakúnak kell lennie, különben nem következik be a láncreakció, és a magot alkotó értékes plutónium szétszóródik.
A tökéletesen gömb alakú lökéshullám létrehozásához két féle robbanóanyagra, és speciális gyújtóra volt szükség.
A fenti ábrán látható, hogy két féle égési sebességű robbanóanyag alkalmazásával meg lehet törni a robbanás lökéshullámát, mint a fényt egy optikai lencsén.
A lassabb égési sebességű robbanóanyag (képen világos) Baratol volt (70% Bárium nitrát, és 30% TNT), a gyorsabb pedig a Composition-B nevű (60% RDX, és 40% TNT).
A gömböt körbevevő 32db gyújtónak nagy sebességűnek kell lennie, és itt már számít a gyújtókhoz vezető kábelek azonos hosszúsága is.
Plutónium mag középen (illetve még két fél mellette), amit körül vesz a gyengített urán neutron reflektor.
A 9cm átmérőjű két félből álló plutónium mag összesen 6.19kg súlyú volt.
A mag érintésre meleg volt (~40 °C), a fegyver minőségű plutónium folyamatosan 2.4 W/kg hőt termel, a fenti 9cm átmérőjű gömb összesen úgy 15W-ot.
A magot körbe vette a 22cm átmérőjű gyengített uránium neutron reflektor.
Az első plutónium félgömböt (HS-1) 1945. július 2-án öntötték formába, Los Alamosban.
Július 23-án három további félgömb (HS-2,3,4) öntését fejezték be, így két bomba töltete elkészült.
Trinity kísérleti eszköz, az Alamogordó lőtéren, Új-Mexikóban
Mivel az implóziós módszer sikerében senki sem volt biztos, ezért a tudósok mindenképpen szerettek volna egy tesztrobbantást.
Groves tábornok, a Manhattan projekt vezetője viszont komolyan aggódott, hogy sikertelen robbantás esetén hogyan számol majd el a kongresszus felé a félmilliárd dollárt érő szétszóródott plutóniummal.
Enrico Fermi
Enrico Fermi szatirikus stílusa és szemlélete felhúzta Groves-t:
Egy kicsit megnehezteltem Fermire,... amikor hirtelen fogadásokat ajánlott a többieknek, hogy a bomba fel fogja-e gyújtani a légkört, s ha igen, az egész világot elpusztítja-e, vagy csak Új-Mexikót.
Azt is mondta: valójában nem is számít igazán, hogy a bomba felrobban-e vagy sem, mert a kísérlet tudományos jelentősége mindenképpen óriási.
Hiszen ha történetesen csütörtököt mond, akkor bebizonyítottuk, hogy az atomrobbantás nem lehetséges.
Szigorúan realista szempontból - magyarázta a tőle megszokott szókimondással az olasz Nobel-díjas - az történik, hogy a világ legjobb fizikusai tettek egy próbát, aztán nem sikerült.
A tekintélyesebb fizikusok egydolláros nevezési díjjal fogadásokat kötöttek a robbanás hatóerejére.
Teller igen optimistán 45 000 tonna TNT-egyenértékre, Hans Bethe 8000, Kistiakowsky 1400, Oppenheimer mindössze 300 tonnára fogadott; a cinikus Norman Ramsey egyenesen nullára tett.
Amikor I. I. Rabi néhány nappal a teszt előtt megérkezett, már csak a 18 000 tonnás tét volt szabad, úgyhogy akár hitt a Trinityben, akár nem, azt kellett választania.
Fermi az epicentrumtól 10km távolságban előkészített egy kísérletet a bomba által kibocsátott energiamennyiség nagyságrendjének meghatározására:
Megpróbáltam megbecsülni az erősségét oly módon, hogy körülbelül két méter magasságból kicsiny papírdarabokat ejtettem le a lökéshullám áthaladása előtt, alatt és után.
Minthogy szél nem fújt, meg tudtam figyelni és mérni is azoknak a daraboknak a helyzetét, amelyek épp a lökéshullám áthaladásakor voltak esés közben.
A különbség 2,5 méter volt, amiből akkor legalább tízezer tonna TNT-egyenértékű robbanásra következtettem.
Az összegyűjtött törmelék későbbi radiokémiai elemzése kimutatta, hogy a robbanás 18,6 kilotonnás volt - vagyis közel négyszer akkora erejű, mint amit Los Alamosban vártak.
I. I. Rabi nyerte a fogadást.
Trinity robbantás epicentrumában emelt obeliszk
A Trinity kísérlet töltetét 6.19kg plutónium alkotta, és mivel 1kg ²³⁹Pu tökéletes hasadásakor 17kt energia szabadul fel, így kiszámolhatjuk a fegyver hatásfokát, 18.6kt hatóerőt feltételezve:
18.6kt / (6.19kg · 17kt/kg) = 17.8%
Ez több mint egy nagyságrenddel magasabb mint a Little Boy 1.5%-a.
1945 július 16-án, a Trinity robbantás pillanatában a Little Boy éppen azon darun függött, ami a USS Indianapolis fedélzetére emelte.
A világ legelső atomfegyvere már a hadszíntérre való szállítása közben elavult.