งานวิจัยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของเยอรมนีนาซีเปิดเผยช่องว่างวัสดุสำคัญ

เมื่อกองทัพสหรัฐอเมริกามาถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทดลองขั้นสุดท้ายของเยอรมนีนาซี คือ B8 Stack ในปี 1945 พวกเขาพบเครื่องจักรที่ไม่เคยดำเนินการปฏิกิริยาโซ่ขั้นนิวเคลียร์อย่างต่อเนื่อง แม้พวกเขาจะได้ถอดเครื่องจักรนั้นแยกชิ้นส่วน แต่คำถามหนึ่งยังคงค้างอยู่: เยอรมนอยู่ห่างจากความสำเร็จเพียงใด? ผู้นำทางวิทยาศาสตร์ของโครงการ เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ได้กล่าวภายหลังว่า B8 Stack ใกล้จะสำเร็จเพียงขั้นตอนเดียว หลายทศวรรษต่อมา สองชิ้นของลูกบาศก์ยูเรเนียมที่เหลืออยู่พร้อมกับชุดเอกสารสมัยสงคราม ได้ให้ทางแก่นักวิจัยในการตรวจสอบข้ออ้างดังกล่าว ทิโมธี โคเอธ (Timothy Koeth) และเพื่อนร่วมงานพบว่าอุปสรรคนั้นใหญ่กว่าที่ไฮเซนเบิร์กเคยอธิบายมาก

เครื่องปฏิกรณ์นี้ต้องการปริมาณยูเรเนียมประมาณสองเท่าของที่มีอยู่ รวมถึงน้ำหนักประมาณสองเท่าของที่ผู้จัดหาจากนอร์เวย์ผลิตตลอดช่วงสงคราม

การวิเคราะห์วัสดุที่จำเป็นสำหรับเครื่องปฏิกรณ์

เครื่องปฏิกรณ์ B8 ใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง และน้ำหนักเป็นตัวปรับกลางนิวตรอน วัสดุทั้งสองชนิดนี้เล่นบทบาทที่แตกต่างกันในการพยายามดำเนินการปฏิกิริยาแยกตัวนิวเคลียร์อย่างต่อเนื่อง เมื่ออะตอมยูเรเนียมเกิดการแยกตัวนิวเคลียร์ มันจะปล่อยนิวตรอนที่สามารถทำให้อะตอมยูเรเนียมอื่นๆ แยกตัวได้ เมื่อมีนิวตรอนเพียงพอที่จะกระตุ้นการแยกตัวเพิ่มเติมเพื่อรักษาปฏิกิริยาโซ่ขั้นให้ไม่ลดลง เครื่องปฏิกรณ์จะถึงสภาวะคลินิคัล อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบของเยอรมน นิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากการแยกตัวเคลื่อนที่เร็วเกินไปจนไม่สามารถสนับสนุนกระบวนการนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ หน้าที่ของตัวปรับกลางนิวตรอนคือชะลอความเร็วนิวตรอนเหล่านี้ลง เพื่อเพิ่มความสามารถในการกระตุ้นการแยกตัวเพิ่มเติม

นักวิทยาศาสตร์เยอรมนเลือกน้ำหนัก เนื่องจากมันมีไดทีเรียม ซึ่งเป็นไอโซโทปหนักของไฮโดรเจน ดังนั้น ยูเรเนียมเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ เครื่องปฏิกรณ์ยังต้องการตัวปรับกลางเพียงพอเพื่อสนับสนุนปฏิกิริยาโซ่ขั้น

โคเอธและเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบลูกบาศก์ยูเรเนียมธรรมชาติสองชิ้นจากโครงการนิวเคลียร์สมัยสงครามของเยอรมน และอ้างอิงจากบันทึกประวัติศาสตร์ รายงานทางเทคนิค หนังสือติดต่อ และแหล่งข้อมูลคลังข้อมูลอื่นๆ การสร้างซ้ำของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการถึงสภาวะคลินิคัลต้องการปริมาณยูเรเนียมประมาณสองเท่าของที่ B8 Stack มีอยู่ ความต้องการน้ำหนักก็แสดงให้เห็นถึงอุปสรรคที่ใหญ่กว่านั้น: ซึ่งเทียบเท่ากับสองเท่าของปริมาณการผลิตรวมในช่วงสงครามของ Norsk Hydro ของนอร์เวย์ โรงงานของนอร์เวย์ที่ตั้งอยู่ที่ Vemork เป็นแหล่งน้ำหนักของเยอรมน ทำให้แผนเครื่องปฏิกรณ์นี้พึ่งพาการจัดหาที่จำกัด ซึ่งการดำเนินการของมित्र國ได้เป้าหมายไปที่แหล่งจัดหานี้ซ้ำๆ

แม้กราฟไอต์จะสามารถปรับกลางนิวตรอนได้ในเครื่องปฏิกรณ์บางประเภท แต่นักวิจัยพบว่ากราฟไอต์ในพื้นที่ที่เยอรมนควบคุมไม่เหมาะสมสำหรับวัตถุประสงค์นี้

ช่องว่างสำคัญของแผนนิวเคลียร์เยอรมน

สถานการณ์นี้เปิดเผยความแตกต่างระหว่างความทะเยอทะยานทางนิวเคลียร์ของเยอรมนกับเครื่องปฏิกรณ์ที่ใกล้จะถึงสภาวะคลินิคอล และช่องว่างใหญ่โตระหว่างการจัดหาวัสดุที่จำเป็น ซึ่งเปลี่ยนแปลงความเข้าใจเกี่ยวกับการทดลอง B8 ข้ออ้างของไฮเซนเบิร์กบ่งชี้ว่าช่องว่างระหว่างความล้มเหลวกับความสำเร็จค่อนข้างแคบ แต่การวิเคราะห์ระบุว่ามีความขาดแคลนที่ไม่สามารถ克服ได้เพียงด้วยการปรับปรุงเครื่องจักรที่มีอยู่ เครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานอยู่เพียงอย่างเดียวยังไม่ใช่อาวุธนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์เป็นเส้นทางที่เป็นไปได้สำหรับการผลิตวัสดุแยกตัวเพื่อทำระเบิด ซึ่งทำให้ความก้าวหน้าของเยอรมนกลายเป็นจุดสนใจของโครงการแมนฮัตตัน ตามการประเมินของนักวิจัย เยอรมนขาดยูเรเนียมและตัวปรับกลางที่เหมาะสมซึ่งจำเป็นต่อการดำเนินการปฏิกิริยาโซ่ขั้นอย่างต่อเนื่องในรูปแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสุดท้ายของพวกเขา

ดิเลมมาและความท้าทายของแผนนิวเคลียร์เยอรมน

แผนนิวเคลียร์ของเยอรมนในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเผชิญกับความท้าทายสำคัญด้านการจัดหาวัสดุ โดยเฉพาะการขาดแคลนยูเรเนียมและน้ำหนัก แม้ไฮเซนเบิร์กจะเชื่อว่เยอรมนใกล้จะสำเร็จ แต่ความเป็นจริงคือทรัพยากรที่จำเป็นเกินกว่าการจัดหาที่มีอยู่มาก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงขีดจำกัดของความทะเยอทะยานทางนิวเคลียร์ของเยอรมน สถานการณ์นี้ไม่ได้ส่งผลต่อการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ของเยอรมนเพียงอย่างเดียว แต่ยังทำให้ความสนใจของมित्र국의ต่อความก้าวหน้าของเยอรมนเพิ่มขึ้น การดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์แม้จะไม่เทียบเท่าการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ แต่ก็เป็นช่องทางสำคัญสำหรับการผลิตวัสดุแยกตัว ซึ่งส่งผลต่อสถานการณ์สงครามโดยรวม