مکعب‌های اورانیوم: افشای شکست هسته‌ای آلمان نازی

با بررسی مکعب‌های اورانیوم باقی‌مانده و شواهد تاریخی مستند، محققان محدودیت‌های عمده‌ای را در نهایی‌ترین راکتور هسته‌ای آلمان کشف کرده‌اند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که این پروژه به سادگی با کمبود مواد مواجه نبوده است. این راکتور به مقدار بسیار بیشتری اورانیوم و آب سنگین نیاز داشت که آلمان در طول جنگ در دسترس داشت.

مسابقه برای ساخت بمب اتمی

پروژه منهتن، تلاش مخفیانه آمریکا برای توسعه سلاح‌های هسته‌ای در طول جنگ جهانی دوم، تا حدی ناشی از این احتمال بود که آلمان نازی ممکن است به پیشرفت مشابهی دست یابد. دانشمندان می‌دانستند که هر کسی که موفق شود، می‌تواند از مزیت نظامی بی‌سابقه‌ای برخوردار شود.

یکی از راه‌های ممکن برای ساخت بمب اتمی، ساخت یک راکتور هسته‌ای بود که قادر به تولید پلوتونیوم، عنصری رادیواکتیو باشد که می‌توان از آن در سلاح‌های هسته‌ای استفاده کرد. در داخل یک راکتور، اتم‌های اورانیوم تحت شکافت هسته‌ای قرار می‌گیرند، فرآیندی که در آن هسته‌های آن‌ها شکسته شده و انرژی همراه با ذرات دیگری به نام نوترون آزاد می‌کنند. در شرایط مناسب، این نوترون‌ها واکنش‌های شکافت بیشتری را ایجاد می‌کنند و یک واکنش زنجیره‌ای پایدار ایجاد می‌کنند.

اگرچه آلمان نازی تحقیقات هسته‌ای را از طریق برنامه‌ای به نام اوران‌پروژکت دنبال می‌کرد، اما مورخان مدت‌ها در مورد اینکه دانشمندان آن چقدر به توسعه یک راکتور کاربردی نزدیک بودند، بحث کرده‌اند.

آخرین تلاش آلمان، یک راکتور آزمایشی به نام B8 pile بود که در سال 1945 تحت نظارت فیزیکدانی به نام 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 به آب معمولی به نظر می‌رسد، 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 تعدیل‌کننده نوترون عمل می‌کند، به این معنی که سرعت نوترون‌های آزاد شده در طول شکافت را کاهش می‌دهد. نوترون‌های کندتر احتمال بیشتری دارد که واکنش‌های شکافت بیشتری را در اورانیوم ایجاد کنند و به حفظ واکنش زنجیره‌ای لازم برای یک راکتور کارآمد کمک کنند.

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

در طول جنگ، تنها تأسیسات اروپایی قادر به تأمین آب سنگین مورد نیاز برنامه آلمان، کارخانه Norsk Hydro در وِمورک، نروژ بود. آلمان پس از اشغال نروژ در آوریل 1940 کنترل این تأسیسات را به دست گرفت.

نیروهای متفقین با درک اهمیت آن برای جاه‌طلبی‌های هسته‌ای آلمان، این تأسیسات را هدف حملات خرابکارانه و بمباران قرار دادند. یک حمله هوایی بزرگ آمریکایی در 16 نوامبر 1943 به وِمورک ضربه زد و به پایان تولید آب سنگین در آنجا کمک کرد.

دانشمندان راکتور نهایی هیتلر را دوباره بررسی می‌کنند

هنگامی که نیروهای آمریکایی در سال 1945 راکتور B8 را کشف و از بین بردند، هرگز به نقطه بحرانی نرسیده بود. در فیزیک هسته‌ای، نقطه بحرانی به نقطه‌ای اشاره دارد که یک واکنش زنجیره‌ای خودپایدار می‌شود، با هر نسل از واکنش‌های شکافت تولید نوترون‌های کافی برای حفظ نسل بعدی.

رسیدن به این آستانه یک پیش‌شرط اساسی برای بهره‌برداری از یک راکتور هسته‌ای معمولی است. با وجود نامش، نقطه بحرانی به این معنی نیست که یک راکتور در حال 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 راکتور آلمان را بر عهده داشت، استدلال می‌کرد که آزمایش B8 به این نقطه نزدیک بوده است. او استدلال کرد که این دستگاه تنها به افزایش نسبتاً کمی در تأمین اورانیوم خود نیاز دارد تا عملیاتی شود.

اما مطالعه جدیدی به رهبری تیموتی کوت و همکارانش، این ارزیابی را به چالش می‌کشد.

محققان دو مکعب اورانیوم طبیعی باقی‌مانده 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 تا قابلیت‌های راکتور را بازسازی کرده و تعیین کنند که برای کار کردن به چه چیزی نیاز دارد.

یافته‌های آن‌ها تصویری بسیار متفاوتی از پیشرفت هسته‌ای آلمان ارائه می‌دهد.

کمبود فاحش اورانیوم و آب سنگین

طبق محاسبات محققان، راکتور B8 به تقریباً دو برابر اورانیوم و بیش از دو برابر آب سنگینی که در واقع در آن وجود داشت، نیاز داشت تا یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای پایدار ایجاد کند.

مقادیر مورد نیاز از موادی که در طول جنگ در دسترس آلمان بود، فراتر رفت. به ویژه، آب سنگین مورد نیاز برای یک راکتور کارآمد، از مقداری که برنامه آلمان می‌توانست از تأمین نروژی خود به دست آورد، بسیار بیشتر بود.

محققان همچنین بررسی کردند که آیا دانشمندان آلمانی می‌توانستند با استفاده از گرافیت، شکل کربنی که می‌تواند نوترون‌ها را در راکتورهای هسته‌ای کند کند، از کمبود آب سنگین جلوگیری کنند.

این رویکرد برای دانشمندان آمریکایی کار کرده بود که در سال 1942 با استفاده از یک راکتور تعدیل شده با گرافیت، اولین واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای کنترل‌شده و پایدار جهان را به دست آوردند.

با این حال، گرافیت موجود در قلمرو تحت کنترل آلمان حاوی ناخالصی‌هایی بود که آن را برای همان هدف نامناسب می‌کرد. به طور خاص، ردی از بورون می‌تواند نوترون‌هایی را که در غیر این صورت به حفظ واکنش کمک می‌کردند، جذب کند و از رسیدن راکتور به نقطه 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 شکست بود

این یافته‌ها نشان می‌دهد که هایزنبرگ به طور قابل توجهی کم‌ارزیابی کرده بود که چه مقدار مواد اضافی برای راکتور خود نیاز است.

به جای اینکه در آستانه یک راکتور هسته‌ای کارآمد باشد، دانشمندان آلمانی با کمبودهایی مواجه بودند که نمی‌توانستند با منابع موجود بر آن‌ها غلبه کنند.

این تحقیق همچنین توضیح واضح‌تری از این که چرا برنامه هسته‌ای آلمان نتوانست از طرح‌های آزمایشی راکتور به یک راکتور کارآمد که قادر به تولید مواد برای یک بمب اتمی باشد، پیشرفت کند، ارائه می‌دهد.

بر اساس طرح‌ها و مواد موجود در طول جنگ جهانی دوم، محققان به این نتیجه رسیدند که آلمان نازی فاقد منابع لازم برای عملیاتی کردن هر دو راکتور آب سنگین یا جایگزین مبتنی بر گرافیت بود.

بیش از هشت دهه پس از جنگ، مکعب‌های اورانیوم باقی‌مانده به حل یک سوال تاریخی طولانی‌مدت کمک کرده و نشان می‌دهد که آلمان نازی چقدر از برداشتن یک گام حیاتی به سوی ساخت بمب اتمی فاصله داشت.