Superkomputer obalił mit niemieckiego atomu. Heisenberg okłamał świat?

Przez dziesięciolecia prężnie żyła opowieść, że pod koniec wojny niemieccy fizycy byli już bardzo blisko uruchomienia reaktora jądrowego. Sam Werner Heisenberg przekonywał po wojnie, że zabrakło im właściwie tylko trochę uranu. Nowe obliczenia pokazują zupełnie inny obraz. B8, ostatni i najbardziej zaawansowany eksperyment jądrowy III Rzeszy, potrzebowałby mniej więcej dwa razy więcej uranu i ponad dwa razy więcej ciężkiej wody. Tyle że Niemcy nie mieli skąd ich wziąć.

W kwietniu 1945 r. wojna była już dla Niemiec przegrana, ale w niewielkim Haigerloch na południu kraju nadal trwał eksperyment, który po latach obrósł legendą. W wykutej w skale piwnicy zespół Wernera Heisenberga zbudował B8 – ostatnią i najbardziej rozwiniętą konstrukcję niemieckiego programu jądrowego Uranverein.

Urządzenie wyglądało na swój sposób naprawdę osobliwie. Setki metalowych kostek naturalnego uranu zawieszono na przewodach i zanurzono w zbiorniku z ciężką wodą. Miała ona spowalniać neutrony tak, aby mogły rozszczepiać kolejne jądra uranu i w końcu doprowadzić do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej.

O tych charakterystycznych uranowych kostkach i próbach odtworzenia ich wojennych losów pisaliśmy już na Spider’s Web wcześniej. Do dzisiaj wiadomo o zaledwie kilkunastu zachowanych egzemplarzach z około 1100, którymi dysponował niemiecki program. B8 nigdy jednak nie osiągnął stanu krytycznego. Reakcja nie była w stanie podtrzymywać się sama.

Po wojnie Heisenberg przedstawił znacznie bardziej optymistyczną wersję wydarzeń. W 1947 r. pisał, że ilość materiału w Haigerloch była tylko nieznacznie niewystarczająca, a stosunkowo niewielkie zwiększenie ilości uranu prawdopodobnie rozwiązałoby problem. Przez kolejne dekady właśnie to twierdzenie pomagało budować obraz programu, któremu zabrakło niewiele. Tyle że nikt nie sprawdził tego z dokładnością, jaką umożliwiają współczesne modele reaktorów.

Zespół związany m.in. z Columbia University, University of Maryland, Pacific Northwest National Laboratory i Johns Hopkins University wrócił do sprawy, łącząc fizykę reaktorową z czymś, co badacze określają mianem archeologii jądrowej.

W opublikowanym w PNAS Nexus badaniu wykorzystano dokumentację techniczną, wojenne raporty i korespondencję, ale również fizyczne pozostałości programu. Naukowcy przebadali dwie zachowane kostki uranu, odtworzyli parametry ciężkiej wody i ustalili skład grafitu, którym dysponowali Niemcy.

Na tej podstawie powstał współczesny model neutronowy B8. Co istotne, udało się go sprawdzić na rzeczywistych pomiarach wykonanych przez Niemców w 1945 r. Dopiero później badacze zaczęli dokładać uran, zmieniać ilość moderatora i sprawdzać, co byłoby potrzebne, żeby konstrukcja naprawdę zadziałała.

W sumie przeliczono ponad 1200 konfiguracji. Oryginalny B8 osiągał współczynnik efektywnego mnożenia neutronów wynoszący około 0,94. Do samopodtrzymującej się reakcji potrzeba 1,0. Różnica wygląda niemal na śmiesznie małą. W prawdziwym reaktorze oznaczała jednak ogromną przepaść.

Niemcy wykorzystali w B8 około 660 kostek uranu. Tymczasem nawet najbardziej oszczędny wariant wyliczony przez współczesnych badaczy wymagałby 1292 kostek, czyli niemal dwa razy więcej. W innych konfiguracjach zapotrzebowanie rosło jeszcze bardziej. Jeden z wariantów wymagających najmniejszej ilości ciężkiej wody potrzebował aż 1775 kostek.

Podobnie wygląda sytuacja z moderatorem. B8 zawierał około 1,5 tony ciężkiej wody. Tymczasem do osiągnięcia krytyczności potrzeba byłoby (zależnie od konfiguracji) ponad 3 t ciężkiej wody. I tutaj pojawia się problem, którego nie dałoby się rozwiązać nawet poprzez opróżnienie wszystkich magazynów.

Jedynym dużym europejskim źródłem ciężkiej wody były zakłady Norsk Hydro w okupowanej Norwegii. Przez całą wojnę wyprodukowano tam równowartość około 2,84 t czystej ciężkiej wody. Część przejęli Francuzi, część stracono podczas wcześniejszych niemieckich eksperymentów, a setki kilogramów poszły na dno w wyniku norweskich akcji sabotażowych.

Badacze szacują, że w 1945 r. Niemcy mogli dysponować najwyżej około 1,8 tony. Czyli nawet gdyby jakimś cudem zgromadzili cały swój wojenny zapas w jednym miejscu, nadal byłoby za mało. To mocno zmienia znaczenie słów Heisenberga. Nie zabrakło kilku kolejnych partii surowca. Konstrukcja wymagała ilości materiału przekraczającej realne możliwości niemieckiego programu.

Skoro ciężkiej wody było za mało, dlaczego nie wykorzystać więc grafitu? Amerykanie właśnie tak zrobili. Chicago Pile-1, pierwszy reaktor na świecie, osiągnął krytyczność w grudniu 1942 r., wykorzystując grafit jako moderator. Niemieccy fizycy również badali tę możliwość, ale uznali dostępny materiał za niewystarczająco dobry. Nowe badanie pokazuje, że mieli rację.

Niemiecki grafit produkowano z koksu metalurgicznego i zawierał on domieszki boru. To szczególnie fatalne z punktu widzenia reaktora, bo bor bardzo skutecznie pochłania neutrony. Amerykanie dysponowali czystszym grafitem produkowanym z koksu naftowego. Symulacje pokazują, że przy jakości grafitu dostępnej niemieckiemu programowi nie dało się zbudować krytycznego reaktora z naturalnego uranu – niezależnie od rozsądnego ustawienia elementów paliwowych. Droga przez ciężką wodę była więc zablokowana niedoborem materiału. Droga przez grafit – jego jakością.

Działający reaktor nie oznaczałby jeszcze gotowej bomby atomowej. Byłby dopiero jednym z kroków na jednej z możliwych dróg do zdobycia materiału rozszczepialnego. Jak już pisaliśmy przy okazji wyjaśniania działania bomby atomowej, największym problemem nie jest samo wywołanie eksplozji, lecz wcześniejsze zdobycie wystarczającej ilości odpowiedniego materiału, czyli wysoko wzbogaconego uranu albo plutonu.

Amerykański Projekt Manhattan rozwiązywał ten problem równolegle na gigantyczną skalę przemysłową. Niemcy nie doszli nawet do działającego reaktora. Nie znaczy to jednak, że ich eksperymenty były prymitywne. Już w 1942 r. w Lipsku niemiecki zespół uzyskał zwiększenie liczby neutronów w eksperymencie L-IV, zanim urządzenie zostało zniszczone w pożarze. Fizycy rozumieli podstawowe mechanizmy i stopniowo poprawiali swoje konstrukcje. Nowa analiza odbiera jednak dużo paliwa popularnej wizji wyścigu, w którym Amerykanie wyprzedzili III Rzeszę na ostatniej prostej.

Przeczytaj także:

W Haigerloch nie stał więc niemal gotowy niemiecki reaktor, któremu wystarczyło dorzucić kilka kostek uranu. Stał eksperyment, który mimo sześciu lat pracy nadal nie miał materiałów potrzebnych, żeby wejść w stan krytyczny. A od tego punktu do działającej bomby droga dopiero by się zaczynała.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI