Gdy udało się rozpalić na Ziemi słońce, ludzkość straciła ostatecznie chęć na kolejną wojnę światową. Teraz fuzja jądrowa rodzi nadzieję, iż poradzimy sobie z globalnym ociepleniem.

Ten zdumiewający postęp naukowy zbliża nas do przyszłości, która nie będzie zależna od paliw kopalnych – ogłosił lider demokratycznej większości w Senacie USA Charles Schumer. Tak skomentował wystąpienie sekretarz energii, która podała, że 5 grudnia 2022 r. naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dokonali przełomu. Przy użyciu 192 wiązek laserowych, skierowanych na pastylkę paliwa wodorowego, udało się im zainicjować kontrolowaną syntezę jądrową. To jest możliwe już od dekad, lecz po raz pierwszy uzyskano więcej energii, niż włożono we wzbudzenie reakcji. Różnica była całkiem spora: lasery zużyły 2,05 megadżuli (MJ) energii, zaś synteza dała 3,15 MJ.

Naukowcy studzą jednak entuzjazm polityków. Nie ukrywają, iż droga do zbudowania reaktora termojądrowego może być jeszcze długa i wyboista. Nie zmienia to faktu, że zapłonęła iskierka nadziei na zdobycie dostępu do niewyobrażalnych wręcz zasobów energii. Przełom dokonany w LLNL zapewne doprowadzi do przyspieszenia prac nad fuzją, w którą włączą się też inne kraje. Zwłaszcza gdy wszyscy przypomną sobie, iż opracowanie technologii wzbudzenia niekontrolowanej syntezy jądrowej okazało się 70 lat temu nadspodziewanie proste. Co, paradoksalnie, ocaliło wówczas świat.

Zrozumieć Słońce

To, że dwa jądra atomowe potrafią połączyć się ze sobą w jedno, generując przy tej okazji ogromne ilości energii, można zauważyć banalnie łatwo. Wystarczy skierować w dzień twarz ku Słońcu lub nocą spojrzeć na gwiazdy. Każda jest wielkim reaktorem, w którym trwa fuzja jądrowa. „Jesteśmy kawałkiem materii gwiezdnej, która przez przypadek ostygła” – pisał o naszej planecie brytyjski astrofizyk sir Arthur Eddington. Jako pierwszy, już w 1920 r., postawił tezę, że w jądrach gwiazd dochodzi do syntezy dwóch rodzajów izotopów wodoru: deuteru i trytu. W wyniku tej reakcji powstaje hel, a jednocześnie w przestrzeń jest wyrzucona ogromna ilość energii.

Teoria brytyjskiego astrofizyka zafrapowała uczonych. W 1934 r. zespół Ernesta Rutherforda udanie „zbombardował” w laboratorium izotop trytu jądrami deuteru, uzyskując hel. Niedługo potem niemiecki fizyk Hans Bethe opisał poszczególne etapy fuzji jądrowej. Jednak wiedza teoretyczna nie przynosiła konkretnego pomysłu, jak przeprowadzić syntezę jąder wodoru na Ziemi i jak okiełznać tak uzyskaną energię. Samą ideę uznawano zresztą za mało realną, aż do momentu, gdy rozpoczął się projekt „Manhattan”. Wśród zatrudnionych w ośrodku badawczym w Los Alamos naukowców mających zbudować dla USA bombę atomową znalazł się Edward Teller. Węgier żydowskiego pochodzenia, razem z Albertem Einsteinem i swoim rodakiem Leo Szilardem, dołożył wielu starań, by przekonać prezydenta Franklina D. Roosevelta, że Niemcy mogą wejść w posiadanie broni jądrowej, dlatego należy je za wszelką cenę wyprzedzić.

„Teller przybył do Los Alamos w kwietniu 1943 r., gdy zakładano laboratorium – opisuje w monografii «Jak powstała bomba atomowa» Richard Rhodes. – Ale nie otrzymał żadnego odpowiedniego stanowiska administracyjnego i był z tego powodu bardzo rozgoryczony”. Uczony, uważający się za inicjatora projektu „Manhattan”, nie miał więc żadnego wpływu na jego przebieg. Nie przyjęto również propozycji Tellera, aby równolegle z budową bomby atomowej prowadzić prace nad ładunkiem termojądrowym. „W odróżnieniu od bomby rozszczepieniowej (atomowej – red.), do superbomby przyciągały Tellera trudności teoretyczne. W tej dziedzinie mógł także być przywódcą” – twierdzi Rhodes. Węgier nie ustawał więc w wysiłkach, by przekonać zwierzchników, iż badania nad syntezą są konieczne.

Fuzja polsko-węgierska

„Wiosną 1943 r. polski matematyk Stanisław Ulam, który miał wówczas trzydzieści cztery lata i pracował na Uniwersytecie Wisconsin, stwierdził, że podczas wojny samo nauczanie nie daje mu szczęścia” – pisze Rhodes. Wychowanek lwowskiej szkoły matematycznej gorąco pragnął pomóc w pokonaniu III Rzeszy, napisał więc długi list do przyjaciela, węgierskiego matematyka Johna von Neumanna – to on w 1935 r. ściągnął go do USA. Polak zauważył, że listy od Węgra zamiast stempli pocztowych z Princeton, jak dotychczas, mają stemple z Waszyngtonu. To nasunęło mu myśl, iż von Neumann zaczął pracować dla rządu USA przy jakimś tajnym przedsięwzięciu. Nie mylił się. Węgierski matematyk został jednym z naukowców dokooptowanych do projektu „Manhattan”.

Za sprawą protekcji przyjaciela Ulam wraz żoną także znaleźli się w Los Alamos. „Przydzielono nam mały domek nad stawem (...) Potem poszedłem z Jackiem (Calkinem – red.), aby po raz pierwszy zobaczyć część techniczną” – opisał w swojej autobiografii „Przygody matematyka” Stanisław Ulam. „Weszliśmy do jednego z pokojów, gdzie ku swojemu zaskoczeniu ujrzałem Johnny’ego (von Neumanna – red.), zatopionego w rozmowie z jakimś mężczyzną. Człowiek ten był średniego wzrostu, miał krzaczaste brwi i napięty wyraz twarzy. Przechadzał się tam i z powrotem przy tablicy, lekko utykając. Był to Edward Teller, któremu Johnny mnie przedstawił” – wspominał.

Węgier szybko docenił matematyczny geniusz Polaka. Jeśli chodzi o prowadzenie skomplikowanych obliczeń i szybkość ich wykonywania ów nie miał sobie równych. „Wciągnięcie Ulama w obliczenia dotyczące superbomby od pierwszych dni jego pobytu w Los Alamos było symptomatyczne dla pogłębiających się rozdźwięków między Tellerem a Bethe, który potrzebował wszystkich fizyków teoretyków i matematyków” – twierdzi Rhodes.

Kierujący częścią teoretyczną prac nad bombą atomową Bethe postanowił, iż nie wolno rozpraszać sił na żadne inne, poboczne zagadnienia. Ambitnemu Węgrowi z najwybitniejszych umysłów w Los Alamos do pomocy został właściwie tylko Polak. „Po raz pierwszy w życiu zajmowałem się problemem technicznym z zakresu fizyki teoretycznej, przyjąłem więc bardzo elementarny punkt widzenia. Chociaż czytałem artykuły o mechanice statystycznej i własnościach pola promieniowania, zacząłem pracę od raczej naiwnych, «zdroworozsądkowych» obrazków kinematycznych. Po kilku przekształceniach otrzymałem wzór na prędkość przekazywania energii podobny do tego, jaki pokazał mi Teller” – wspominał Ulam.

Jednak obliczenia Polaka dawały inny wynik końcowy. Teller nie chciał tego przyjąć do wiadomości i był zirytowany poczynaniami o rok młodszego współpracownika. Ich spór rozstrzygnął Henry Hurwitz Jr., młody fizyk i matematyk. „Korzystając z dużo dokładniejszych technik matematycznych i funkcji specjalnych, używanych w zagadnieniach tego rodzaju, otrzymał ten wzór w sposób znacznie bardziej uczony niż ja” – zapamiętał Ulam. Hurwitz Jr. potwierdził, że to on miał rację.

Jak nie podpalić nieba

Dzięki obliczeniom Polaka prace Tellera ruszyły z miejsca i bardzo szybko opracował on ogólną koncepcję budowy bomby wodorowej. „Pomysł polegał na umieszczeniu materiału termojądrowego – deuteru – w pobliżu bomby atomowej. Jego zapłon miał nastąpić wskutek wybuchu tejże bomby. Opracowanie szczegółów stanowiło ogromne zadanie i naprawdę nie było łatwo stwierdzić, czy w takim układzie rzeczywiście nastąpi zapłon, czy też wszystko rozpryśnie się i spali” – relacjonował Ulam. „Istniało też, przynajmniej teoretycznie, niebezpieczeństwo spowodowania eksplozji większej niż zamierzona, w której wybuchłaby cała atmosfera Ziemi!” – dodawał.

Tymczasem projekt „Manhattan” zbliżał się do triumfalnego finału. Pod kierunkiem Roberta Oppenheimera zbudowano ładunek jądrowy, w którym pluton w wyniku niekontrolowanej reakcji łańcuchowej miał przekształcić się w energię. Pierwszą bombę atomową zdetonowano w ramach eksperymentu opatrzonego kryptonimem „Trinity” o świcie 16 lipca 1945 r. na pustyni w Nowym Meksyku. „Nagle pojawił się ogromny błysk światła, najjaskrawsze światło, jakie kiedykolwiek widziałem, a raczej, jak sądzę, jakie ktokolwiek kiedykolwiek widział. Wybuchało, uderzało, przewiercało cię na wylot” – wspominał fizyk Isidor Rabi. Siła wybuchu wynosiła ok. 18 kiloton, czyli 18 tys. t trotylu. Tymczasem dzieło Tellera miało być co najmniej stokrotnie potężniejsze.

Jednak na początku sierpnia 1945 r., gdy bomby atomowe zmiotły z powierzchni ziemi Hiroszimę i Nagasaki, badania nad fuzją z dnia na dzień wstrzymano. Japonia skapitulowała, Biały Dom był usatysfakcjonowany siłą broni atomowej i ciął wydatki, a naukowcy chcieli wracać do domów i na uczelnie. Poza tym wielu z nich, na czele z Leo Szilardem, słało do prezydenta Harry’ego Trumana petycje ostrzegające przed tym, jak zgubne dla ludzkości może się okazać używanie ładunków nuklearnych podczas zbrojnych konfliktów. Wszyscy pragnęli pokoju i nikt nie chciał powstania bomby wodorowej. Jedynie Teller żądał kontynuowania projektu.

Bezcenny wizjoner

„Był strasznym przeciwnikiem komunizmu i Rosji – wspominał Hans Bethe. – Teller powiedział, że musimy kontynuować badania nad bronią jądrową, że to naprawdę źle, że wszyscy chcemy wyjechać. Wojna się jeszcze nie skończyła i Rosja jest równie niebezpiecznym wrogiem, jakim byli Niemcy. Nie mogłem się z tym zgodzić”. Również Oppenheimer odmówił Węgrowi wsparcia. Jak się okazało, jedynymi na których mógł on liczyć, byli Sowieci.

W Wigilię 1945 r. z ambasady amerykańskiej w Moskwie wysłano zaszyfrowany telegram informujący prezydenta USA, iż Związek Radziecki rozpoczął prace nad budową bomby atomowej. Truman i jego otoczenie przyjęli wiadomość sceptycznie, lecz doświadczenia wojenne nakazywały zadbać o to, żeby nie utracić posiadanej przewagi. „Edward Teller wrócił do Los Alamos w kwietniu 1946 r., by przewodniczyć tajnej konferencji. Jej celem, zgodnie z późniejszym sprawozdaniem, był «przegląd prac nad superbombą pod względem kompletności oraz szczegółowości oraz sformułowanie propozycji dalszych prac, które byłyby potrzebne w tej dziedzinie, gdyby planowano właściwą budowę i próbę superbomby»” – pisze Rhodes. „Składnikiem klasycznej superbomby miała być bomba atomowa, metr sześcienny ciekłego deuteru i nieokreślona ilość drugiego izotopu wodoru, trytu” – uzupełnia. Wedle pomysłu Tellera ładunek jądrowy winien pełnić funkcję zapalnika inicjującego fuzję jądrową.

Jednak prace stały w miejscu, bo rząd USA nie zapewnił zespołowi potrzebnego wsparcia organizacyjnego i finansowego. Działo się tak do 29 sierpnia 1949 r., kiedy to Sowieci przeprowadzili udaną eksplozję bomby atomowej. Co więcej, okazała się ona – dzięki sukcesom radzieckiego wywiadu, który zwerbował kilku uczestników projektu „Manhattan” – kopią amerykańskiej. Dla władz USA wszystko to stanowiło ogromny szok. Natychmiast pojawiło się pytanie, czy aby radzieccy uczeni nie pracują także nad zainicjowaniem fuzji jądrowej. „W dyskusji uczestniczyli Dean Acheson, wówczas sekretarz stanu. Truman słuchał rad Achesona, sekretarza obrony Louisa Johnsona i członków Kolegiów Szefów Sztabu chętniej niż naukowców. Członkowie kolegium oświadczyli mu bez głębszej oceny sztabowej, że radziecka bomba wodorowa byłaby «nie do zniesienia». To samo, równie krótko, powiedział Acheson” – opisuje Rhodes.

Prezydent podjął decyzję, że Ameryka musi jak najszybciej wejść w posiadanie takiej broni, bez oglądania się na koszty.

Koniec początku

„Arsène Lupin, bohater francuskich powieści detektywistycznych i główny rywal Sherlocka Holmesa, mawiał: Il faut commençer á raisonner par le bon bout. (Trzeba zaczynać myśleć od dobrego końca)” – wspominał Ulam. Gdy prace ruszyły, rzeczą kluczową stało się matematyczne wyliczenie, jak wzbudzić fuzję jądrową, ile deuteru i trytu do niej użyć i czego można się na koniec spodziewać. Zespół Tellera otrzymał do dyspozycji ogromny komputer ENIAC. Ważył on 27 t i do dokonywania obliczeń używał aż 18 tys. lamp elektronowych. Jednak ciężar przeprowadzania najbardziej skomplikowanych równań matematycznych brali na siebie ludzie. „Zaczęliśmy pracować po cztery do sześciu godzin dziennie z suwakiem logarytmicznym, ołówkiem i kartką papieru” – zapamiętał Ulam.

W lutym 1950 r. Ulam doszedł do przekonania, że ilość trytu, jakiej chciał użyć podczas fuzji Teller, jest zbyt mała. Jednocześnie wzory matematyczne mówiły mu, iż powinni przemodelować całą koncepcję bomby wodorowej. Relacja Polaka i Węgra nigdy nie należała do przyjacielskich, choć współpracowali od wielu lat. Ale wcześniej przynajmniej potrafili rozmawiać ze sobą i dyskutować. „Wczoraj był dosłownie blady z wściekłości, myślę jednak, że dziś się uspokoił” – opowiadał Ulam o awanturze z Węgrem Johnowi von Neumannowi.

Tymczasem Teller oskarżał najbliższego współpracownika o próbę zablokowania prac nad projektem. Otrzeźwiał, gdy komputer ENIAC zdołał dużo wolniej niż Ulam, ale mimo wszystko skutecznie, przeprowadzić obliczenia. Maszyna orzekła, iż Polak ma rację. Potem potwierdzili to kolejni matematycy. Projekt znalazł się w ślepym zaułku, bo nikt nie potrafił znaleźć odpowiedzi, jak zmodyfikować pierwotne założenia Węgra tak, aby fuzja jądrowa stała się możliwa.

„W lutym 1951 r. Ulam był zły na Tellera, a Teller na wszystkich. Wynikiem był nowy, zupełnie nieoczekiwany pomysł, którego Teller się nie spodziewał” – pisze Rhodes. Polski matematyk wyliczył, że użyta jako zapalnik bomba atomowa wytworzy falę uderzeniową, która rozproszy ładunek wodoru, nim ciepło zainicjuje fuzję. Można jednak temu zapobiec, nieco opóźniając i redukując ową falę. Wtedy emitowane przy okazji reakcji jądrowej promieniowanie rentgenowskie, przemieszczające się z prędkością światła, zdąży wzbudzić syntezę deuteru i trytu. Receptą na to, jak teorię przełożyć na praktykę, okazał się plastik. „Jeśli strumień promieni rentgenowskich o tak wielkim natężeniu uderzy w warstwę gęstej gąbki plastikowej, owiniętej dookoła cylindrycznego pręta z materiałów biorących udział w reakcji termojądrowej, to plastik błyskawicznie podgrzeje się i przekształci w plazmę – gorący zjonizowany gaz – który rozpręży się wybuchowo, wytwarzając ciśnienie tysiące razy większe niż zwykły materiał wybuchowy” – wyjaśnia Rhodes. Ułamek sekundy później gigantyczne ciśnienie oraz energia promieni rentgenowskich inicjowały fuzję deuteru oraz trytu. I nic już nie było w stanie jej zatrzymać.

Zbawienna zagłada

„Kula ognia rozszerzyła się do 3 mil średnicy. Obserwatorzy, ewakuowani na odległość 40 mil lub dalej, widzieli miliony galonów wody z laguny zamienionej w parę tworzącą gigantyczny bąbel. Gdy para ulotniła się, zobaczyli, że wyspa Elugelab, na której znajdowała się bomba, zniknęła, również wyparowała; na jej miejscu w rafie znajdował się krater głęboki na pół mili i szeroki na 2 mile” – opisywała to, co ujrzała 1 listopada 1952 r. na Pacyfiku, Leona Marshall-Libby.

Fizyczka, która dziesięć lat wcześniej współprojektowała i budowała pierwszy reaktor atomowy, podobnie jak inni świadkowie długo otrząsała się z szoku. Wszyscy spodziewali się potężnej eksplozji. Jednak ładunek termojądrowy „Mike”, działając zgodnie z modelem Tellera-Ulama, wybuchł z siłą aż 10,4 mln t trotylu. Było to tysiąc razy więcej niż wybuch bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę. Teller triumfował, przypisując sobie w całości autorstwo sukcesu. Czym wzbudził jeszcze większą niechęć i tak nieprzepadających za nim fizyków zajmujących się energią nuklearną. „Powiedziałbym, że to Ulam jest ojcem bomby wodorowej, a Edward matką, bo nosił to dziecko całkiem długo” – złośliwie skomentował Hans Bethe.

Jednak musiało upłynąć jeszcze trochę czasu, nim świat zaczął uświadamiać sobie, jak potężna jest energia termojądrowa. Czymś, co zadziałało na wyobraźnię wszystkich, stała się detonacja amerykańskiej bomby wodorowej o mocy 15 megaton 1 marca 1954 r. nad atolem Bikini. Po tym, jak wyparowała cała wyspa wraz z milionami ton wody, widziano kulę ognia i charakterystyczny „grzyb” nawet z odległości 450 km. Minęło półtora roku i w listopadzie 1955 r. na poligonie w Semipałatyńsku Sowieci odpalili własną bombę wodorową. Okazywało się, że dwa supermocarstwa posiadają broń tak potężną, iż przy użyciu ledwie kilkunastu ładunków mogą unicestwić ludzkość. Jakie mogą być tego konsekwencje, jako pierwszy trafnie dostrzegł Winston Churchill. „Strach, który się pojawił, wnosi element równości w zagładzie. Jakkolwiek dziwnie to brzmi, moim zdaniem, powszechność potencjalnego zniszczenia może być powodem do nadziei” – brytyjski premier ujął w słowa to, co potem sekretarz obrony USA Robert McNamara przekształcił w doktrynę MAD (Mutual Assured Destruction).

Wzajemne gwarantowanie zagłady sprawiało, że ZSRR i Stany Zjednoczone zaczęły unikać bezpośrednich konfliktów militarnych, szachując się wzajemnie, jednocześnie negocjując i starając budować system wzajemnej kontroli arsenałów nuklearnych. Pewność, iż światową wojnę przegrają wszyscy, przyniosła ludzkości po koszmarze pierwszej połowy XX w. długi okres pokoju. Konflikty zbrojne toczono jedynie lokalnie. Na straży tej równowagi sił i strachu stała energia termojądrowa. Od razu też dostrzeżono, iż gdyby się udało nad nią zapanować, mogłaby zagwarantować światu dobrobyt. Jednak o wiele łatwiej zbudować bombę, bo niszczenie zawsze jest dużo prostsze od tworzenia. ©℗