La serie di test nucleari denominata Operazione Sandstone si riferisce alle detonazioni nucleari condotte dagli Stati Uniti d'America nell'atollo di Enewetak nella primavera del 1948. La serie fu la terza effettuata dagli Stati Uniti d'America e la seconda da essi effettuata nei Pacific Proving Grounds, in particolare, come detto, nell'atollo di Enewetak e non, come la precedente Operazione Crossroads, nell'atollo di Bikini. Inoltre, al contrario di "Crossroads", l'Operazione Sandstone fu condotta dalla Commissione per l'energia atomica degli Stati Uniti d'America e le forze armate ebbero solo un ruolo di supporto.
Gli scopi della serie di test furono diversi e quasi del tutto inerenti ai nuovi progetti di ordigno, piuttosto che alla potenza dello stesso. In tutto furono condotti tre test, due in aprile e uno in maggio, tutti e tre gestiti dalla Task Force 7, che coinvolsero persone, di cui erano militari.
Il successo della prova dei nuovi nuclei effettuata nei test dell'Operazione Sandstone rese obsoleto praticamente ogni componente dei precedenti ordigni. Prima ancora che fosse effettuato il terzo test, la produzione dei vecchi nuclei fu fermata e tutti gli sforzi produttivi furono orientati sulla nuova Mark 4, che divenne la prima arma nucleare prodotta in massa. L'uso più efficiente del materiale fissile sperimentato con successo nell'Operazione Sandstone fece aumentare il numero di bombe nucleari dell'arsenale statunitense da 56, a giugno del 1948, a 169, nel giugno 1949.
Scopi L'approvvigionamento dei materiali per il nucleo
Com'è noto, durante la seconda guerra mondiale presso i laboratori nazionali di Los Alamos furono sviluppate le prime armi nucleari nell'ambito del progetto Manhattan: la Mark 1 Little Boy, un'arma nucleare a fissione di tipo balistica (o "a blocchi separati") che utilizzava un nucleo di uranio-235, e la Mark 3 Fat Man, un'arma nucleare a fissione di tipo implosivo che utilizzava un nucleo di plutonio.
Prima di poter cominciare la loro produzione in serie, però, restava ancora molto lavoro da fare nel migliorare la facilità di montaggio, la sicurezza, l'affidabilità e la conservazione degli ordigni. Inoltre, già durante la guerra erano venute alla luce molte migliorie che sarebbe stato possibile apportare alle performance degli ordigni, migliorie che però non erano state implementate per la pressione dovuta agli stretti tempi di consegna. Tanto che, come Norris Bradbury ebbe a dire una volta diventato direttore dei laboratori di Los Alamos al posto di Robert Oppenheimer: "Abbiamo avuto, senza usare mezzi termini, delle pessime bombe".
Al tempo il plutonio era prodotto per irraggiamento di uranio-238 in tre reattori nucleari da 250 MW presso l'impianto di Hanford. In teoria i reattori avrebbero potuto produrre 0,91 g di plutonio per megawatt ogni giorno, per un totale di circa 20 kg al mese, in pratica però l'impianto non aveva mai raggiunto tali livelli nel 1945 e la produzione era stata di 4-6 kg al mese, sufficienti appena per produrre una sola bomba come Fat Man, che richiedeva un nucleo di plutonio da 6,2 kg (di cui solo il 21%, come risultato dall'esplosione di Nagasaki, veniva coinvolto nella fissione). La produzione del plutonio, poi, precipitò nel 1946 a causa del rigonfiamento dovuto all'effetto Wigner dei moderatori neutronici di grafite dei reattori.
I tre reattori del sito Hanford erano inoltre utilizzati per la produzione, attraverso l'irraggiamento del bismuto-209, di polonio-210, il quale era utilizzato nella produzione degli iniziatori di neutroni, uno dei componenti fondamentali delle armi nucleari. Per produrre 132 mg di polonio-210, ottenendo circa 600 curie, era necessario irradiare 62 kg di bismuto-209 per 100 giorni, inoltre, poiché il polonio-210 ha un'emivita di 138 giorni, un reattore doveva essere sempre mantenuto in opera per questo irraggiamento. Un problema la cui soluzione richiese la maggior parte del 1946.
L'uranio-235 era ottenuto attraverso l'arricchimento di uranio naturale presso gli impianti Y-12 e K-25 a Oak Ridge, nel Tennessee. Tra l'ottobre del 1945 e il giugno del 1946, l’introduzione di diversi miglioramenti riguardanti i processi e le procedure di separazione elettromagnetica e gassosa degli isotopi aveva portato a incrementare la produzione fino a circa 69 kg di uranio-235 al mese, una quantità sufficiente per la produzione di una sola bomba come Little Boy.
All’epoca, la produzione di un grammo di uranio-235 costava circa 26 dollari, mentre la produzione di un grammo di plutonio costava dalle quattro alle otto volte di più, questo non solo per i processi di produzione ma anche in virtù del fatto che una tonnellata di minerale d'uranio poteva contenere una quantità di uranio-235 otto volte maggiore rispetto a quella di plutonio.
Le scarse capacità di produzione di materiale fissile e gli alti costi portarono quindi gli alti comandi statunitensi a decidere di cercare modi per meglio sfruttare il materiale a disposizione. Dato che una bomba come Fat Man era 17,5 volte più efficiente di una come Little Boy, fu quindi deciso di puntare sul progetto di una bomba ad implosione, e, poiché comunque anche l’efficienza di Fat Man era stata solo del 21%, si decise di effettuare tutta una serie di prove volte a migliorare l’efficienza della configurazione scelta.
Sviluppo dell'arma 1945-48 Gli obbiettivi dei test della serie Sandstone erano: Prova dei nuovi nuclei e dei nuovi iniziatori; Migliorare la teorie e la conoscenza delle armi nucleari di tipo implosivo; Prova dei nuclei sospesi; Prova dei nuclei compositi; Determinazione delle configurazioni più economiche in termini di efficienza nell'uso del materiale fissile.
Con "nucleo sospeso" si intende una configurazione ad implosione in cui il nucleo non è in contatto diretto con il tamper (una sorta di "contenitore" dell'esplosione che sopravvive per circa mezzo microsecondo ma che svolge il ruolo cruciale di prolungare la fase esponenziale) ma sospeso a dei cavi, con la formazione quindi di uno spazio d'aria tra i due, il tutto al fine di consentire al tamper di guadagnare qualche momento prima di andare a colpire il nucleo ed arrivare quindi su di esso con una certa velocità una volta spinto dalla detonazione della carica di esplosivo convenzionale che lo circonda. Per realizzare un simile sistema al di fuori di un laboratorio, si doveva essere certi di utilizzare cavi sufficientemente resistenti da poter resistere al lancio da un aereo ma anche abbastanza sottili da non interferire con la simmetria sferica dell'implosione. Simulazioni al computer di una configurazione a nucleo sospeso erano già state eseguite all'inizio del marzo 1945 dal reparto teorico dei laboratori di Los Alamos, conosciuto come Reparto T (T Division), e l'utilizzo di una simile configurazione era già stato proposto per l'Operazione Crossroads, per la quale si decise però di optare ancora per una configurazione a "nucleo solido" chiamata "Christy", dal nome del progettista, destinando la nuova configurazione ad almeno due dei tre test dell'Operazione Sandstone.
Il motivo alla base dell'utilizzo di un nucleo composito era quello di fare un miglior uso del materiale fissile disponibile. Data la situazione dell’approvvigionamento descritta poc’anzi, un ovvio sviluppo degli ordigni nucleari di allora fu quello di poter utilizzare uranio-235 in un'arma con configurazione ad implosione piuttosto che in una avente la meno efficiente configurazione a cannone, come Little Boy. Come detto, infatti, l'uranio-235 era meno costoso e più facile da produrre del plutonio e inoltre la sua più lenta reazione di fissione permetteva la realizzazione di masse supercritiche, rendendo teoricamente possibile la creazione di ordigni dal potenziale più elevato. Tuttavia, il plutonio ha dalla sua il fatto che il suo processo di fissione è più veloce e garantisce quindi che una maggior percentuale del materiale fissile costituente il nucleo partecipi alla reazione prima che il nucleo stesso sia distrutto dalla detonazione, in poche parole, quindi, la stessa quantità di energia liberata da un nucleo di uranio-235 si può ottenere con un nucleo di plutonio ben più piccolo. A cominciare dal luglio 1945, Oppenheimer e Groves iniziarono a considerare l'ipotesi di utilizzare entrambi i materiali creando un nucleo composito contenente 3,25 kg di plutonio e 6,5 kg di uranio-235. Tali nuclei furono realizzati nel 1946 e, dopo la loro creazione, i laboratori di Los Alamos focalizzarono i loro sforzi sulla realizzazione di un nucleo di solo uranio-235. A partire dal gennaio 1948, l'arsenale statunitense contava 50 nuclei, di cui 36 erano compositi in configurazione "Christy", 9 erano di plutonio sempre in configurazione "Christy" e 5 erano compositi in configurazione sospesa. Al tempo si ritenne che, per valutare i nuovi nuclei sospesi, compositi e di uranio-235, fossero necessari perlomeno tre test.
Armi più efficienti avrebbero richiesto iniziatori neutronici meno efficienti, ossia contenenti una minor quantità di polonio. Al tempo dell'Operazione Sandstone, gli Stati Uniti d'America avevano a disposizione 50 iniziatori di classe A, contenenti più di 25 curie di polonio, e 13 iniziatori di classe B, contenenti da 12 a 25 curie di polonio. Si ritiene che nel corso dell'Operazione Sandstone sia stato condotto almeno un test con un iniziatore di classe B.
Preparativi Organizzazione
Lo svolgimento dei test fu approvato il 27 giugno 1947 dall'allora presidente statunitense Harry S. Truman e il 9 luglio dello stesso anno il generale di brigata James McCormack, direttore della sezione Applicazioni Militari della Commissione per l'energia atomica, e il suo vice, capitano James S. Russell, si incontrarono con Bradbury e John Manley a Los Alamos per l'approntamento delle prove. I quattro convennero sul fatto che gli esperimenti avrebbero dovuto essere di carattere scientifico, con la direzione tecnica affidata ai laboratori di Los Alamos e il supporto logistico e materiale affidato alle forze armate, mentre il costo dei test, circa 20 milioni di dollari, fu diviso tra il ministero della difesa e la Commissione per l'energia atomica. Fu inoltre creata la Joint Task Force 7, ufficialmente attivata il 18 ottobre 1947, con al comando il tenente generale John E. Hull, il quale rispondeva sia allo Stato maggiore congiunto che alla Commissione per l'energia atomica, mentre il reatroammiraglio William S. Parsons e il maggior generale William E. Kepner svolsero lo stesso ruolo di vice-comandante avuto nell'Operazione Crossroads. In tutto, la Joint Task Force 7 consisteva di 10.366 elementi, di cui 9.890 erano militari. Nei suoi quartier generali operavano circa 175 uomini, di cui 96 erano a bordo della USS Mount McKinley mentre gli altri erano divisi tra la USS Albemarle e la USS Bairoko.
La Commissione per l'energia atomica aveva creato un gruppo, il Task Group 7.1, a cui era stata destinata la responsabilità della preparazione e della detonazione degli ordigni nucleari nonché della conduzione degli esperimenti. Il gruppo era formato da 283 scienziati e tecnici provenienti dal Reparto J dei laboratori di Los Alamos (un reparto speciale destinato alla gestione dei test nucleari), dall'Armed Forces Special Weapons Project, dal Naval Research Laboratory, dal Naval Ordnance Laboratory, dall'Argonne National Laboratory, dalla Edgerton, Germeshausen & Grier e da altre agenzie.