NEUMANN JÁNOS ÉS A NUKLEÁRIS FEGYVEREK

Jéki László
KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

Teller Ede értékelése szerint Neumann János "az atombomba fejlesztés legfontosabb (habár nagyrészt észrevétlen) tudományos segítője volt". A magyar közvélemény is ezt a tevékenységét ismeri legkevésbé. A következőkben az atombomba és a hidrogénbomba létrehozásának folyamatából csak azokat a részleteket ragadjuk ki, amelyekben Neumann szerepet játszott.

A történet eleje közismert. Szilárd Leó kezdeményezésére Einstein 1939 nyarán, röviddel az atommaghasadás felfedezése után, felhívta F.D. Roosevelt amerikai elnök figyelmét a nukleáris láncreakció katonai jelentőségére, az előrehaladott német kutatásokra. 1942 szeptemberében katonai irányítással indították el a Manhattan-terv fedőnevű kutatási programot. A végcél: a bevethető atomfegyver létrehozása volt. Párhuzamosan folytak a kutatások több irányban. Óriási anyagi és szellemi erőket koncentráltak a feladatra. Titkos kutatóvárosok és gyártelepek jöttek létre: Los Alamos, Oak Ridge, Hanford. Az urán dúsítására - a lassú neutronok hatására hasadóképes könnyű urán-235 izotóp részarányának növelésére többféle megoldást dolgoztak ki (az elektromágneses, centrifugás és gázdiffúziós szétválasztást). Az uránbombában a kritikus tömeget meghaladó anyagmennyiséget két részre bontották, a robbantáskor egymásba lőtték a részeket. Az első uránbombát Hirosimára dobták le 1945. augusztus 6-án.

A plutónium elemet 1940-ben fedezték fel az Amerikai Egyesült Államokban, amikor urán-238 izotópot bombáztak deuteronnal, a hidrogén nehéz izotópjával. 1941 májusára kiderült, hogy a plutónium-239 izotóp lassú neutronokra vonatkozó hasadási hatáskeresztmetszete az urán-235 hatáskeresztmetszetének 1,7-szerese, tehát a plutónium alkalmas bombaalapanyagnak. Wigner Jenő szerint az egyetlen akadály a plutónium előállítása, a többi "könnyű és kézenfekvő". Teller Ede fordítva ítélte meg a helyzetet, a plutóniumgyártást nem látta nehéznek, de számára akkor sem tűnt egyszerűnek atomfegyvert szerkeszteni. 1943 tavaszán még csak néhány száz milligramm, gyorsítókban előállított plutónium-239 állt rendelkezésre a mérésekhez. A magfizikusok még a plutónium alapadatait mérték, amikor már ejtési és robbantási kísérleteket végeztek bombamodellekkel.

S. Neddermeyer robbantási szakértő arra gondolt, hogy gömbhéjakba rendezett hasadóanyag berobbantásával is lehetne bombát építeni. Hengeres fémdarabokat rakott körbe hagyományos robbanóanyagokkal és a fémrúd összenyomódását vizsgálta. Ezek voltak az első implóziós kísérletek (az implózió - egy test robbanásszerűen gyors térfogatcsökkenése, összeomlása). Az implózió elméletének kidolgozásába kapcsolódott be Neumann János, aki esetenkénti szakértői szerepet vállalt a Manhattan-tervben. Teller visszaemlékezése szerint "Neumann János olyan értékes volt nemcsak matematikusként, hanem gyakorlatilag minden téren, hogy a vissza-visszatérő közreműködésének nagyon örültünk. Szabadon jöhetett-mehetett köztünk (Los Alamosban)." Lax Péter emlékezete szerint "Neumannt mindenki nagyon várta Los Alamosba, nemcsak a matematikusok, hanem a fizikusok is. Vele mindenki akart beszélni, hogy elmondhassa legújabb problémáját vagy eredményét. Amit Neumann mondott, arra mindenki odafigyelt. Ma már nincs olyan matematikus, aki a fizikusokat is ennyire érdekli."

Neumann ismerte az irányított robbantások módszerét. Korábban a haditengerészet felkérésére különböző alakú lövedékek által keltett lökéshullámok bonyolult hidrodinamikájával foglalkozott, munkája a tankelhárító bazooka- (páncélököl-) lövedékek fejlesztéséhez kapcsolódott. Az irányított robbantásokról előadást tartott Los Alamosban, itt ismerte meg Neddermeyer elgondolását, ezután kezdte meg számításait. 1943 októberben Neumann és Teller számításaik alapján meggyőzték J. R. Oppenheimert, Los Alamos tudományos vezetőjét arról, hogy az implózió felhasználásával megbízhatóbb és kisebb, könnyebben szállítható bombát lehet előállítani, méghozzá gyorsan. Az új megoldásra annál is inkább szükség volt, mert időközben kiderült, hogy az uránhoz hasonló, a hasadóanyagok összelövésére alapozott megoldás a plutónium esetében gyakorlatilag megvalósíthatatlan. Az eltérő hasadási tulajdonságok miatt a plutóniumrészeket elérhetetlenül nagy sebességgel kellett volna egymásba lőni. Az elméleti részleget vezető Hans Bethe Tellerre akarta bízni az implóziós számítások folytatását, Teller azonban nem vállalta, ezért a brit R. Peierls kapta meg a feladatot.

1944 januárjában G. Kistiakowsky, az ukrán származású vegyész is bekapcsolódott az implóziós robbantási kísérletekbe. 1944 áprilisában érkezett meg Los Alamosba az IBM lyukkártyás számítógépe, eredetileg különböző alakú hasadóanyag-tömbök kritikusságának számítására szánták. (Teller: "Ezt a fajta gépezetet legföljebb annyiban lehetett fejlettnek tartani, hogy elektromos kapcsolatok irányítottak benne mechanikai mozgást.") S. Ulam és az elméleti osztály munkatársai az implózió számításába kezdtek. (Ulam lengyel matematikus volt, Neumann biztatására emigrált Európából, Los Alamosba is Neumann ajánlotta.) A számítógép különösen alkalmasnak bizonyult az összetett hidrodinamikai problémák kezelésére, ez indította Neumannt arra, hogy a számítógépek tökéletesítésén kezdjen gondolkodni. A hagyományos robbanóanyagokkal végzett implóziós kísérletekben kiderült, hogy a külön-külön robbanó töltetek által keltett lökéshullámok távolról sem egyenletes nyomást fejtenek ki a mintára, egyes pontokban felerősítik egymást. Ha a nyomás nem egyenletesen oszlik el, akkor az implózió tökéletlenül megy végbe. J. L. Tuck brit fegyverszakértő "lencseszerű" robbanóanyag-elrendezést javasolt, melyben az elrendezés az optikai lencséhez hasonló szerepet tölt be. A megoldás túl bonyolultnak tűnt, vizsgálatához már nem akartak hozzákezdeni. Ismét Neumann tette meg a döntő lépést. Nagyon gyorsan megtervezte a lencserendszert, Kistiakowsky és Neddermeyer pedig hozzákezdett megépítéséhez, kipróbálásához. A kísérletek 1944. december végén igazolták a megoldás használhatóságát. H.H. Goldstine szerint: "Kétségkívül Neumann-nak az volt a legjelentősebb hozzájárulása a Los Alamos-i tervhez, hogy bemutatta az elméleti szakembereknek, hogyan lehet a jelenségeket matematikailag modellezni és az eredményül kapott egyenleteket numerikusan megoldani. A laboratóriumi probléma kezelésére egy lyukkártyás berendezésekkel fölszerelt laboratóriumot létesítettek, amely később a világ egyik legfejlettebb és legnagyobb számítóközpontjává nőtt."

1944 őszén a fegyverfejlesztők biztosak voltak abban, hogy az uránbomba kipróbálás nélkül is működni fog, robbanóerejét 10 kilotonna TNT-vel egyenértékűnek becsülték. A plutóniumbombát illetően bizonytalanabbak voltak, robbanóerejét nagyságrendben 1 kilotonnának, majd még kisebbnek becsülték. 1944 márciusában kezdték el tervezni az implóziós bomba kísérleti robbantását Trinity kódnév alatt.

A Los Alamosban végzett fejlesztőmunkával párhuzamosan a Manhattan-terv részeként megoldották a plutónium nagyüzemi gyártását. Washington államban, Hanfordban három óriásreaktort építettek, a vízhűtéses reaktorokat Wigner Jenő tervezte. A neutronokkal besugárzott urán-238 két béta-bomlással plutónium-239 izotóppá alakul. A nagyüzemi gyártás 1944. decemberben indult be. 1945. július 16-án sikeres kísérleti robbantást hajtottak végre Alamogordo közelében (Új-Mexikó), majd 1945. augusztus 9-én Nagaszakira dobták le a második plutóniumbombát. 1946. júniusban már további 9 plutóniumbombával rendelkezett az Amerikai Egyesült Államok.

Neumannt bevonták a bombázandó japán célpontok kiválasztásába. A bizottságban 1945 tavaszától katonák és szakértők elemezték a lehetséges célpontokat, Neumann feladata a szükséges számítások elvégzése volt. Tizenhét lehetséges célponttal kezdték, majd több lépcsőben háromra szűkítették a célpontok listáját: Kiotó, Hirosima és Niigata. A végső döntésekben a bizottságnak nem volt szerepe.

Az 1940-es évek végén, az első szovjet atombomba felrobbantása előtt, az amerikai légierő megelőző csapásokat tervezett, az elemzésekben Neumann is részt vett.

Az implóziós atombomba tervezéséhez szükséges számításokat mechanikus asztali számítógépekkel és IBM lyukkártyás géppel végezték. A Teller Ede által tervezett, "Szuper" néven emlegetett termonukleáris fegyver, a hidrogénbomba tervezéséhez azonban ezek a gépek elégtelenek voltak. Neumann 1944 nyarán találkozott az ENIAC megépítésén dolgozó H.H. Goldstine-nel. Neumann azonnal felismerte, hogy ez az a gép, amire a bombafejlesztéshez szükség van. Ezután született meg Neumann tanulmánya, de ez már egy másik történet.

A világ első elektronikus számítógépén elsőként a hidrogénbombával kapcsolatos számításokat végeztek. A kezdeményezés egyértelműen Neumanné volt, az első durva számításokat 1945 decemberében és 1946 januárjában végezte el N. Metropolis és S. Frankel. Los Alamosban félmillió lyukkártyányi adatot készítettek elő, mechanikus gépekkel ez százaknak adott volna munkát egy évre. A kutatók bizakodtak, mert bebizonyosodott, hogy a számítógépekkel részletesebb elemzéseket végezhetnek, alaposabban modellezhetik a fizikai problémákat. 1946. áprilisban titkos konferencián tárgyalták meg Los Alamosban a termonukleáris "szuper" megvalósíthatóságáról készített tanulmányt, a konferencián Neumann is részt vett. N. Metropolis és A. Turkevoch mutatta be az ENIAC-kal végzett számításokat. Teller "szuper" bombájában a folyékony deutérium fúziójához szükséges magas hőmérsékletet urán atombomba robbantása hozza létre. Arra kerestek választ, elegendő energia jut-e az atomrobbantásból a deutériumhoz, vagy túlsúlyba jut a sugárzások, ütközések miatti energiaveszteség. A számítások alapján úgy tűnt, hogy a hidrogénbomba megvalósítható, a konferencia résztvevői optimistán ítélték meg a kilátásokat.

A tudományos közösségben tovább zajlottak az 1945-ben megindult viták a nukleáris fegyverek fejlesztésének szükségességéről. Oppenheimer emlékezete szerint Neumann támogatta a fejlesztéseket, egyetlen fegyvert sem ítélt túl nagynak. 1950. január 31-én Truman elnök bejelentette, hogy folytatják a munkát az atomfegyverek minden fajtáján, beleértve a hidrogén- vagy szuperbombát is. Teller és munkatársai új lendülettel láttak hozzá Los Alamosban a hidrogénbomba tervezéséhez, új kutatókat vontak be. Számításokat kezdtek annak tisztázására, mennyi és milyen sűrű deutériumra van szükség ahhoz, hogy a fúziós reakcióban az üzemanyag nagy része részt vegyen. A számításokhoz Neumann biztosította a számítógépet, a munkában második felesége, Dán Klára is részt vett. Enrico Fermi túl optimistának tartotta a korábbi számításokat, ezért biztatására S. Ulam átvizsgálta azokat, és bebizonyította, hogy rosszak. 1950 őszére a Neumann és Dán által az ENIAC-on végzett számítások is azt mutatták, hogy az elképzelt szerkezet nem fog működni. A megoldást egymástól függetlenül találta meg Teller és Ulam. (Kettejük személyes rossz viszonnyal is terhelt prioritási vitájának elemzése messzire vezetne, az egyszerűség kedvéért itt nem is foglalunk állást ebben a vitában.) Figyelemre méltó, hogy mindketten, egymástól függetlenül, Neumann-nal ismertették, vele vitatták meg először új elgondolásukat. Az elképzeléseket jóváhagyta az Atomenergia Bizottság Általános Tanácsadó Bizottsága, az ülésre Neumannt is meghívták.

A Los Alamos-i számítógépnek Metropolis a MANIAC nevet adta, G. Gamow szerint ez a "Metropolis and Neumann Invent Awful Contraption" - Metropolis és Neumann szörnyű szerkezeteket alkot - mondat rövidítése.

Teller kezdeményezésére új fegyverfejlesztő laboratóriumot alapítottak a kaliforniai Livermore-ban, ez ma a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium. Neumann és Fermi megpróbálta Tellert lebeszélni arról, hogy Kaliforniába költözzön át. Teller mégis az új laboratórium mellett döntött, ezután Neumann ottani kutatásaiban is támogatta. Megismételte Los Alamosban végzett munkáját, a livermore-i számítógépekhez is kidolgozta a termonukleáris reakció modellezését végző számítógépi programokat.

Megindultak és sikeresen lezajlottak az első amerikai és szovjet hidrogénbomba-kísérleti robbantások. Az amerikai képviselőház atomenergia-bizottsága 1953 novemberében felkért több tudóst - köztük Neumannt - a fegyverkezési programok összehasonlító értékelésére. Neumann szerint a korábbi négy évről az amerikaiak előnye alig több mint egy évre csökkent, pedig a szovjet műszaki és emberi ráfordítások még nem haladják meg az amerikaiakat. Az amerikai légierő stratégiai főparancsnokságát (SAC) nagyon sebezhetőnek tartotta, széttagolt, föld alatti elhelyezést javasolt. Neumann azok közé tartozott, akik szükségesnek tartották az amerikai elrettentő erő erősítését.

1953-tól - a légierő felkérésére - tanácsadó, elemzőbizottságok sorát vezette. Elemezték, hogy mekkora hidrogénbombák szállítására alkalmasak a stratégiai bombázó repülőgépek. Áttekintették a légierő rakétafejlesztési programját és 1954 telén Neumann a Pentagon titkos bizottságának vezetőjeként javasolta: az Amerikai Egyesült Államok építsen nukleáris robbanófejjel felszerelhető stratégiai, interkontinentális ballisztikus rakétákat. Ezután az Atlas-rakéta fejlesztését felügyelő bizottságot vezette. Az elemzők szerint Neumann támogatásának, kiállásának köszönhető, hogy az eredetileg legkorábban 1963-as befejezésre tervezett első Atlas-rakétát már 1958 decemberében fellőhették. Neumann 1955-től haláláig tagja volt az Amerikai Egyesült Államok Atomenergia Bizottságának. Ezekben az években valószínűleg ő volt a legbefolyásosabb tudós az Egyesült Államokban.

<>

Teller értékelése szerint: "Ha ez egyáltalán lehetséges, Jancsit még nálam is jobban aggasztotta a szovjet katonai-műszaki haladás. Jancsi erélyesen támogatta a hidrogénbombát, mióta csak tudomást szerzett róla 1943-ban, az első Los Alamos-i látogatásakor."

Wigner Jenő szerint: "Neumann a hadászat területén is óriási szolgálatot tett második hazájának. A második világháború alatt megbecsült katonai tanácsadóként dolgozott a hadseregnek, a flottának és a Manhattan-terv keretében is. Szinte önállóan végezte el a nukleáris robbanást előidéző implózió számítását. Másik idevonatkozó felbecsülhetetlen értékű felfedezése a detonációt elősegítő lencsék elve. 1954-től (helyesen: 1955-től) haláláig Neumann az Atomenergia Bizottság tagja volt. A bizottság elnöke szerint, ha valamilyen kérdés Jancsi elemzésében került terítékre, vitára nem volt szükség."

1956-ban az Atomenergia Bizottság másodízben ítélte oda a Fermi-díjat. (Az elsőt Enrico Fermi kapta 1954-ben, röviddel a halála előtt, azóta viseli a nevét az elismerés.) A díjat Neumann Jánosnak adományozták az atomenergia fejlesztéséhez való eredményes hozzájárulása elismeréséül.

Air Force Space and Missile Pioneers: Dr John von Neumann
http://www.spacecom.af.mil/hqafspc/history/von_neumann.html

H.H. GOLDSTINE: A számítógép Pascaltól Neumannig - Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987.

MARX GYÖRGY: A marslakók érkezése - Akadémiai Kiadó, Budapest, 2000.

R. RHODES: The Making of the Atomic Bomb - Simon & Schuster, New York, 1986.

R. RHODES: Dark Sun: the Making of the Hydrogen Bomb - Simon & Schuster, New York, 1995.

TELLER EDE: Huszadik századi utazás tudományban és politikában - Huszadik Század Intézet, Budapest, 2002.

Wigner Jenő emlékiratai - Andrew Szanton lejegyzésében, Kairosz Kiadó, Budapest, 2002.

______________________________