Πόσο κοντά ήταν στην λειτουργία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα οι Ναζί;
Η ναζιστική Γερμανία ήταν πολύ πιο μακριά από έναν λειτουργικό πυρηνικό αντιδραστήρα (και ένα πυρηνικό όπλο) από ό,τι ισχυριζόταν ο Χάιζενμπεργκ.
Χρειαζόταν περίπου διπλάσια ποσότητα ουρανίου για να λειτουργήσει ο τελικός αντιδραστήρας της.
Την άνοιξη του 1945, με τη ναζιστική Γερμανία να καταρρέει γύρω τους, Γερμανοί φυσικοί βύθισαν εκατοντάδες μικρούς κύβους ουρανίου σε μια δεξαμενή με βαρύ νερό μέσα σε ένα υπόγειο βράχου στην πόλη Χάιγκερλοχ.
Το κατασκεύασμα, γνωστό ως B8, ήταν το τελευταίο και πιο φιλόδοξο πείραμα αντιδραστήρα του πυρηνικού προγράμματος της Γερμανίας κατά τη διάρκεια του πολέμου. Πολλαπλασίασε τα νετρόνια, αλλά ποτέ δεν ξεπέρασε το κρίσιμο όριο σε μια αυτοσυντηρούμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Μετά τον πόλεμο, ο επικεφαλής σχεδιαστής του, Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (διάσημος για την πρόταση της αρχής της αβεβαιότητας), παρουσίασε την αποτυχία ως σχεδόν αδύνατη, υπαινισσόμενος το γεγονός ότι οι Αμερικανοί νίκησαν τους Ναζί στην πυρηνική βόμβα έστω και ελάχιστα.
Κύβος πυρηνικού υλικού σε πλαστική βάση. Ουράνιο από δοκιμές πυρηνικού αντιδραστήρα της ναζιστικής Γερμανίας. Ένας κύβος φυσικού ουρανίου από το γερμανικό πυρηνικό έργο. Από: John T. Consoli, Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, College Park, MD.
Χρησιμοποιώντας κύβους ουρανίου που έχουν απομείνει, δείγματα βαρέος ύδατος που έχουν ανακτηθεί, βιομηχανικά αρχεία πολέμου και λεπτομερείς προσομοιώσεις σε υπολογιστές, οι ερευνητές υπολογίζουν ότι το B8 θα χρειαζόταν περίπου διπλάσια ποσότητα ουρανίου και περισσότερο από διπλάσια ποσότητα βαρέος ύδατος για να γίνει κρίσιμο. Ακόμα κι αν η Γερμανία είχε συγκεντρώσει σχεδόν όλα τα υλικά του αντιδραστήρα που ήταν διαθέσιμα στις ανταγωνιστικές ερευνητικές ομάδες της, και πάλι δεν θα είχε λειτουργήσει.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στις 29 Σεπτεμβρίου στο PNAS Nexus , αμφισβητούν μια ιστορία που επιμένει από την ίδια την αναφορά του Heisenberg, στο Nature το 1947. Έγραψε ότι τα υλικά του Haigerloch ήταν «απλώς ανεπαρκή» και ότι «μια σχετικά μικρή ποσότητα ουρανίου θα ήταν κατά πάσα πιθανότητα αρκετή».
Ανακατασκευή ενός αντιδραστήρα από απομεινάρια αποδεικτικών στοιχείων
Διάγραμμα που δείχνει τις δομές που εμπλέκονται στον γερμανικό πυρηνικό αντιδραστήρα.
α) Σκίτσο σε τομή του σωρού B8 όπως κατασκευάστηκε τον Απρίλιο του 1945. Οι αλυσίδες θα βυθίζονταν στο βαρύ ύδωρ. β) Ένα «εμπιστευτικό» μοντέλο νετρονίων MCNP του B8 πιστά στον τρόπο κατασκευής του. γ) Ένα μοντέλο «μοναδιαίου κελιού» ενός μόνο κύβου και του περιβάλλοντος βαρέος ύδατος με νετρόνια που ανακλώνται στα όρια για να αναπαραστήσουν ένα άπειρο πλέγμα. δ) Ένα «μοντέλο πλέγματος» με το καύσιμο εξαγωνικά κοντά στο ένα στο άλλο για να βελτιστοποιηθεί η απόσταση καυσίμου (βήμα) και να παρασχεθεί ένας τρόπος αλγοριθμικής διεύρυνσης του πλέγματος κατά την εύρεση του κρίσιμου μεγέθους του πυρήνα. Από: PNAS Nexus (2026).
Το Β8 περιείχε 664 κύβους φυσικού ουρανίου, ο καθένας με διάμετρο περίπου 5 εκατοστά, αιωρούμενους σε αλυσίδες μέσα σε περίπου 1.400 λίτρα βαρέος ύδατος. Γραφίτης περιέβαλλε το δοχείο για να εμποδίσει τη διαφυγή νετρονίων.
Τα περισσότερα από τα φυσικά στοιχεία δεν εξαφανίστηκαν τόσο πολύ όσο διασκορπίστηκαν. Καθώς τα συμμαχικά στρατεύματα πλησίαζαν το Χάιγκερλοχ, Γερμανοί επιστήμονες έθαψαν το ουράνιο του B8 σε ένα χωράφι. Η αμερικανική αποστολή Άλσος ανέκτησε 659 κύβους τον Απρίλιο του 1945 και τους έστειλε μέσω Παρισιού στις Ηνωμένες Πολιτείες. Πολλοί πιθανότατα αργότερα έλιωσαν ή υποβλήθηκαν σε επεξεργασία ως ουράνιο για το αμερικανικό πυρηνικό πρόγραμμα. Άλλοι προφανώς έγιναν αναμνηστικά, εισήλθαν σε κυβερνητικές και πανεπιστημιακές συλλογές ή εξαφανίστηκαν στη μαύρη αγορά. Από περίπου 1.100 κύβους που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα αντιδραστήρων της Γερμανίας, οι ερευνητές γνωρίζουν σήμερα πού βρίσκονται μόνο 14.
Για τη νέα μελέτη, οι ερευνητές μπόρεσαν να εξετάσουν απευθείας δύο κύβους που είχαν διασωθεί. Χρησιμοποίησαν τους κύβους για να προσδιορίσουν βασικές ιδιότητες του καυσίμου, τις οποίες οι προηγούμενες προσομοιώσεις είχαν αναγκαστεί να υποθέσουν.
Για τη νέα μελέτη, η ομάδα εξέτασε δύο. Το ένα περιείχε φυσικό ουράνιο, ενώ μια άλλη μέτρηση αποκάλυψε ότι το μέταλλο ήταν ελαφρώς λιγότερο πυκνό από το ιδανικό λόγω του εσωτερικού πορώδους.
Σε έναν κύβο, η ομάδα χρησιμοποίησε πυκνομετρία ηλίου, μια τεχνική που μετρά τον όγκο ενός αντικειμένου με μεγάλη ακρίβεια, για να υπολογίσει την πυκνότητα του ουρανίου. Βρήκαν πυκνότητα 18,53 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό, ελαφρώς κάτω από την τιμή των 19,01 που ορίζεται στα βιβλία για το στερεό μέταλλο ουράνιο. Η διαφορά φαίνεται να προήλθε από μικροσκοπικούς πόρους μέσα στο χυτό μέταλλο.
Οι ερευνητές υπέβαλαν έναν δεύτερο κύβο σε φασματοσκοπία ακτίνων γάμμα, η οποία τους επέτρεψε να προσδιορίσουν την ισοτοπική του σύνθεση χωρίς να τον καταστρέψουν. Το ουράνιο-235 αποτελούσε το 0,724% του δείγματος, επιβεβαιώνοντας ότι οι Γερμανοί είχαν χρησιμοποιήσει φυσικό ουράνιο αντί για εμπλουτισμένο καύσιμο.
Επίσης, ανακατασκεύασαν την καθαρότητα του βαρέος ύδατος και τη χημική ποιότητα του γραφίτη από αρχειακά αρχεία. Στη συνέχεια, κατασκεύασαν ένα λεπτομερές ψηφιακό B8 και το έλεγξαν με μετρήσεις νετρονίων που πραγματοποίησε η ομάδα του Heisenberg το 1945.
Η αντιστοίχιση ήταν σχεδόν ισχνή, δίνοντας στους ερευνητές την πεποίθηση ότι είχαν προσομοιώσει τη συμπεριφορά του αντιδραστήρα αρκετά καλά. Αλλά θα μπορούσε ο αντιδραστήρας να συνεχίσει την αλυσιδωτή αντίδραση μόνος του; Στο B8, πάρα πολλά νετρόνια διέφυγαν ή απορροφήθηκαν πριν προλάβουν να διασπάσουν ένα άλλο άτομο ουρανίου. Το μοντέλο έδειξε ότι ο αντιδραστήρας παρήγαγε μόνο περίπου το 94% των νετρονίων που χρειαζόταν για να συντηρηθεί.
Εικόνα του Βέρνερ Χάιζενμπεργκ μπροστά σε έναν πίνακα να διδάσκει σε μια τάξη με το όνομά του γραμμένο από πάνω του. Από : Quantum Zeitgeist.
Αυτό μπορεί να ακούγεται σχεδόν εφικτό. Αλλά οι πυρηνικοί αντιδραστήρες δεν βελτιώνονται με απλό, γραμμικό τρόπο. Η κάλυψη αυτού του τελικού ελλείμματος απαιτούσε πολύ περισσότερο καύσιμο και βαρύ νερό από ό,τι είχε προτείνει ο Χάιζενμπεργκ - περίπου διπλάσιο ουράνιο και περισσότερο από διπλάσιο βαρύ νερό από ό,τι περιείχε στην πραγματικότητα το B8.
Ένας βελτιστοποιημένος αντιδραστήρας θα απαιτούσε περίπου 3,1 μετρικούς τόνους ουρανίου και 3.121 λίτρα βαρέος ύδατος. Ο B8 είχε μόνο περίπου 1,54 τόνους ουρανίου και 1.400 λίτρα βαρέος ύδατος. Ακόμα και ο συνδυασμός των εκτιμώμενων ολόκληρων αποθεμάτων της Γερμανίας δεν θα ήταν αρκετός.
Προηγουμένως, σε μια έρευνα του Physics Today το 2019 , οι Timothy Koeth και Miriam Hiebert - και οι δύο συγγραφείς της νέας μελέτης - υποστήριξαν ότι η συγκέντρωση των διάσπαρτων αποθεμάτων ουρανίου της Γερμανίας θα μπορούσε να έχει φέρει το πρόγραμμα πολύ πιο κοντά σε έναν λειτουργικό αντιδραστήρα. Αλλά τώρα που έχουν προσομοιώσει τον πυρηνικό αντιδραστήρα των Ναζί με υψηλό βαθμό εμπιστοσύνης, οι συγγραφείς άλλαξαν γνώμη.
Ο γραφίτης δεν θα είχε σώσει το πρόγραμμα
Οι ιστορικοί έχουν επίσης αναρωτηθεί αν η Γερμανία έκανε κάποιο στρατηγικό λάθος βασιζόμενη στο σπάνιο βαρύ ύδωρ αντί για γραφίτη, τον επιβραδυντή που χρησιμοποίησε στο αμερικανικό Chicago Pile-1.
Προηγούμενοι υπολογισμοί παρήγαγαν πολύ διαφορετικές εκτιμήσεις. Μια μελέτη νετρονικής του 2009 υπολόγισε μια σημαντικά χαμηλότερη κρισιμότητα για το B8, ενώ μια ανακατασκευή του 2018 το έφερε πιο κοντά στη νέα εκτίμηση, αλλά έπρεπε να υποθέσει αρκετές ιδιότητες υλικών που οι ερευνητές μπορούν πλέον να περιορίσουν από φυσικά και αρχειακά στοιχεία.
Η νέα μελέτη διαπιστώνει ότι ο γραφίτης δεν ήταν εύκολη υπόθεση. Ο γερμανικός γραφίτης περιείχε τόσο πολύ βόριο - ένα στοιχείο εξαιρετικά καλό στην απορρόφηση νετρονίων - που έκανε έναν πρακτικό αντιδραστήρα ένα ουράνιο-γουρούνι. Και οι Ναζί απλά δεν είχαν αρκετό. Αμερικανοί επιστήμονες, αντίθετα, τελικά απέκτησαν ασυνήθιστα καθαρό γραφίτη χαμηλής περιεκτικότητας σε βόριο, φτιαγμένο από οπτάνθρακα πετρελαίου. Η Γερμανία έχασε την πρόσβαση στον αμερικανικό οπτάνθρακα πετρελαίου μετά την έναρξη του βρετανικού αποκλεισμού το 1940.
Το αποτέλεσμα δεν επιλύει κάθε ιστορική διαφωνία σχετικά με τις πυρηνικές φιλοδοξίες των Ναζί, ούτε μετράει πόσο κοντά ήταν η Γερμανία σε μια ατομική βόμβα. Ένας λειτουργικός αντιδραστήρας θα αποτελούσε μόνο ένα σημαντικό τεχνολογικό βήμα προς ένα τέτοιο όπλο.
Αλλά στο πιο στενό ερώτημα, αν η τελευταία αποστολή ουρανίου από τον Χάιζενμπεργκ ήταν μια μικρή αποστολή μακριά από την επιτυχία, τα φυσικά στοιχεία δείχνουν τώρα έντονα προς μια άλλη κατεύθυνση.
Το B8 ήταν κοντά σε ένα καντράν. Στη Γερμανία κατά τη διάρκεια του πολέμου, δεν ήταν ούτε κατά διάνοια αρκετά κοντά σε υλικά.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα zmescience
περισσότερα,
Nuclear archaeology reassesses Heisenberg’s last reactor experiment - Patrick J Park , Brittany Robertson , Miriam E Hiebert , Jason Zhao , Ciara B Sivels , Timothy W Koeth
https://academic.oup.com/pnasnexus/article/5/9/pgag282/8836799?login=false
https://www.zmescience.com/science/news-science/nazi-germany-nuclera-reactor-short/
