بررسی مکعب‌های اورانیوم: برنامه هسته‌ای آلمان نازی به هدف نرسید

به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از ساینس دیلی، دانشمندانی که در حال بررسی برنامه هسته‌ای مخفی آلمان نازی هستند، شواهدی را کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد آخرین رآکتور آزمایشی آن به هیچ وجه به آن اندازه که قبلاً ادعا می‌شد، به مرحله بهره‌برداری نزدیک نبوده است. تجزیه و تحلیل مکعب‌های اورانیوم باقی مانده و اسناد زمان جنگ نشان می‌دهد که آلمان فاقد مقادیر عظیم اورانیوم و آب سنگین مورد نیاز برای عملیاتی کردن رآکتور خود بوده است.

در طول جنگ جهانی دوم، ایالات متحده تا حدودی به دلیل ترس از اینکه آلمان نازی ممکن است ابتدا بمب اتم بسازد، برای توسعه آن شتاب کرد. اما آلمان واقعاً چقدر به دستیابی به این هدف نزدیک شد؟

یک تحقیق علمی جدید نشان می‌دهد که برنامه هسته‌ای نازی‌ها بسیار دورتر از آن چیزی بود که فیزیکدان برجسته‌اش ادعا می‌کرد

محققان با بررسی مکعب‌های اورانیوم باقی‌مانده و شواهد تاریخی مستند قبلی، محدودیت‌های عمده‌ای را در آخرین راکتور هسته‌ای آزمایشی آلمان کشف کرده‌اند. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که این پروژه صرفاً کمبود چند ماده نبود. این راکتور به اورانیوم و آب سنگین بسیار بیشتری نسبت به آنچه آلمان در طول جنگ در دسترس داشت، نیاز داشت.

مسابقه ساخت بمب اتمی

پروژه منهتن، تلاش مخفی آمریکا برای توسعه سلاح‌های هسته‌ای در طول جنگ جهانی دوم، تا حدودی با این احتمال که آلمان نازی ممکن است ابتدا به موفقیت مشابهی دست یابد، هدایت می‌شد. دانشمندان می‌دانستند که هر کسی که موفق شود می‌تواند به یک مزیت نظامی بی‌سابقه دست یابد.

یکی از مسیرهای ممکن برای دستیابی به بمب اتم شامل ساخت یک راکتور هسته‌ای بود که قادر به تولید پلوتونیوم باشد؛ یک عنصر رادیواکتیو که می‌تواند در سلاح‌های هسته‌ای استفاده شود. در داخل یک راکتور، اتم‌های اورانیوم تحت شکافت هسته‌ای قرار می‌گیرند؛ فرآیندی که در آن هسته‌های آنها از هم جدا می‌شوند و انرژی را همراه با ذرات اضافی به نام نوترون آزاد می‌کنند. تحت شرایط مناسب، آن نوترون‌ها واکنش‌های شکافت بیشتری را آغاز کرده و یک واکنش زنجیره‌ای پایدار ایجاد می‌کنند.

اگرچه آلمان نازی تحقیقات هسته‌ای را از طریق برنامه‌ای به نام Uranprojekt دنبال می‌کرد اما مورخان مدت‌هاست در مورد اینکه دانشمندان آن چقدر به توسعه یک راکتور عملیاتی نزدیک شده‌اند، بحث می‌کنند.

آخرین تلاش آلمان، یک راکتور آزمایشی به نام B8 pile بود که در سال ۱۹۴۵ به سرپرستی فیزیکدان ورنر هایزنبرگ ساخته شد. این دستگاه از مکعب‌های اورانیوم طبیعی معلق در آب سنگین استفاده می‌کرد؛ ماده‌ای تخصصی که نقش اساسی در کنترل واکنش هسته‌ای داشت.

چرا آب سنگین برای راکتور آلمان نازی ضروری بود؟

آب سنگین بسیار شبیه آب معمولی است اما اتم‌های هیدروژن آن حاوی یک نوترون اضافی هستند. این تفاوت ظریف، آن را به ویژه در راکتورهای هسته‌ای خاص مفید می‌کند.

در یک راکتور، آب سنگین به عنوان یک تعدیل ‌کننده نوترون عمل می‌کند؛ به این معنی که نوترون‌های آزاد شده در طول شکافت را کند می‌کند. نوترون‌های کندتر احتمال بیشتری دارند که واکنش‌های شکافت اضافی را در اورانیوم آغاز کرده و به حفظ واکنش زنجیره‌ای مورد نیاز برای یک راکتور فعال کمک کنند.

با این حال، برای آلمان، دستیابی به آب سنگین کافی یک مانع بزرگ بود.

در طول جنگ، تنها تأسیسات اروپایی که قادر به تأمین آب سنگین مورد نیاز برنامه آلمان بود، کارخانه نورسک هیدرو در ومورک نروژ بود. آلمان پس از اشغال نروژ در آوریل ۱۹۴۰، کنترل این تأسیسات را به دست گرفت.

نیروهای متفقین با درک اهمیت این تأسیسات برای جاه‌طلبی‌های هسته‌ای آلمان، این نیروگاه را از طریق عملیات خرابکاری و بمباران هدف قرار دادند. یک حمله بزرگ بمباران آمریکایی در ۱۶ نوامبر ۱۹۴۳ به ومورک حمله کرد و در نهایت به پایان تولید آب سنگین در آنجا کمک کرد.

دانشمندان آخرین راکتور هسته‌ای هیتلر را دوباره بررسی می‌کنند

هنگامی که نیروهای آمریکایی راکتور B8 را در سال ۱۹۴۵ کشف و از هم پاشیدند، هرگز به مرحله بحرانی نرسیده بود. در فیزیک هسته‌ای، بحرانی بودن به نقطه‌ای اشاره دارد که در آن یک واکنش زنجیره‌ای خودکفا می‌شود و هر نسل از واکنش‌های شکافت، نوترون‌های کافی برای حفظ نسل بعدی تولید می‌کند.

رسیدن به این آستانه، یک الزام اساسی برای راه‌اندازی یک راکتور هسته‌ای متعارف است. علیرغم نامش، بحرانی بودن به این معنی نیست که یک راکتور در شرف انفجار است. این به سادگی به این معنی است که واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای می‌تواند بدون تکیه بر یک منبع نوترون خارجی ادامه یابد.

هایزنبرگ که رهبری تلاش برای ساخت رآکتور آلمان را بر عهده داشت، اظهار داشت که آزمایش B8 به این نقطه عطف نزدیک شده است. او استدلال کرد که این دستگاه برای عملیاتی شدن تنها به افزایش نسبتاً کمی در ذخیره اورانیوم خود نیاز دارد.

اما یک مطالعه جدید به رهبری تیموتی کوث و همکارانش این ارزیابی را به چالش می‌کشد.

محققان دو مکعب اورانیوم طبیعی باقی مانده را که در پروژه هسته‌ای آلمان استفاده شده بود، بررسی کردند. آنها همچنین سوابق تاریخی، گزارش‌های فنی، مکاتبات و سایر اسناد بایگانی را مطالعه کردند، برای بازسازی قابلیت‌های رآکتور و تعیین آنچه برای کار کردن آن لازم بوده است.

یافته‌های آنها تصویر بسیار متفاوتی از پیشرفت هسته‌ای آلمان را نشان می‌دهد.

کمبود شدید اورانیوم و آب سنگین

طبق محاسبات محققان، رآکتور B8 برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای پایدار، تقریباً به دو برابر اورانیوم و بیش از دو برابر آب سنگین موجود در آن نیاز داشت.

مقادیر مورد نیاز از مواد موجود در آلمان در طول جنگ فراتر می‌رفت. به طور خاص، آب سنگین مورد نیاز برای یک رآکتور فعال بسیار فراتر از مقداری بود که برنامه آلمان می‌توانست از منبع نروژی خود به دست آورد.

محققان همچنین بررسی کردند که آیا دانشمندان آلمانی می‌توانستند با استفاده از گرافیت، نوعی کربن که می‌تواند نوترون‌ها را در رآکتورهای هسته‌ای نیز کند کند، از کمبود آب سنگین جلوگیری کنند یا خیر.

این رویکرد برای دانشمندان آمریکایی که در سال ۱۹۴۲ با استفاده از یک رآکتور با تعدیل گرافیت به اولین واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای کنترل ‌شده و پایدار جهان دست یافتند، مؤثر بود.

با این حال، گرافیت موجود در قلمرو تحت کنترل آلمان حاوی ناخالصی‌هایی بود که آن را برای همین منظور نامناسب می‌کرد. به طور خاص، مقادیر کمی از بور می‌توانست نوترون‌هایی را که در غیر این صورت به حفظ واکنش کمک می‌کردند، جذب کند و از رسیدن رآکتور به مرحله بحرانی جلوگیری کند.

این بدان معنا بود که آلمان نمی‌توانست به سادگی گرافیت را جایگزین آب سنگین کند تا بر مشکلات تأمین خود غلبه کند.

چرا برنامه هسته‌ای آلمان نازی محکوم به فنا شد؟

این یافته‌ها نشان می‌دهد که هایزنبرگ میزان مواد اضافی مورد نیاز رآکتور خود را به میزان قابل توجهی دست کم گرفته بود.

دانشمندان آلمانی به جای اینکه در آستانه یک رآکتور هسته‌ای فعال قرار بگیرند، با کمبودهایی مواجه شدند که با منابع موجود نمی‌توانستند بر آنها غلبه کنند.

این تحقیق همچنین توضیح واضح‌تری برای این موضوع ارائه می‌دهد که چرا برنامه هسته‌ای آلمان نتوانست از طرح‌های رآکتور آزمایشی به یک رآکتور فعال گذار کند که قادر به تولید مواد برای بمب اتمی باشد.

بر اساس طرح‌ها و مواد موجود در طول جنگ جهانی دوم، محققان نتیجه می‌گیرند که آلمان نازی فاقد منابع لازم برای عملیاتی کردن رآکتور آب سنگین خود یا یک جایگزین مبتنی بر گرافیت بود.

بیش از هشت دهه پس از جنگ، مکعب‌های اورانیوم باقی مانده به حل یک سوال تاریخی دیرینه کمک کرده‌اند و نشان می‌دهند که آلمان نازی تا رسیدن به یک گام حیاتی به سوی ساخت بمب اتمی چقدر فاصله دارد.