纳粹德国核反应堆研究揭示重大物料缺口

美国军队于 1945 年抵达纳粹德国的最终实验核反应堆 B8 堆时，发现了一台从未持续进行核链反应的机器。虽然他们将其拆解，但一个问题依然存在：德国人距离成功究竟有多近？项目科学领导者维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）后来形容 B8 堆仅差一步成功。数十年后，两块存留的铀立方体与一系列战时文件为研究人员提供了检验该说法的途径。蒂莫西·科斯（Timothy Koeth）及其同事发现，比海森堡所描述的障碍要大得多。

该反应堆需要大约两倍于其现有铀的量，以及大约两倍于挪威供应商在整个战争期间所生产的重水。

反应堆所需材料分析

B8 反应堆使用天然铀作为燃料，并用重水作为中子调节剂。这两种材料在持续核裂变的尝试中扮演着不同的角色。当铀原子裂变时，它释放出能导致其他铀原子裂变的中子。当足够的中子触发进一步的裂变以维持链反应而不会衰亡时，反应堆达到临界状态。然而，在德国设计中，裂变释放的中子移动得过快，无法有效支持该过程。中子调节剂的作用是减慢这些中子的速度，从而提高其引发额外裂变的能力。

德国科学家选择了重水，因其含有氘，氘是氢的重同位素。因此，仅有铀是不够的，反应堆还需要足够的调节剂来支持链反应。

科斯及其同事检查了来自德国战时核计划的两块天然铀立方体，并参考了历史记录、技术报告、通信以及其他档案来源。他们的重建表明，达到临界状态需要大约两倍于 B8 堆现有铀的量。重水需求则呈现出更大的障碍：这相当于挪威 Norsk Hydro 在战时的整体产量的两倍。位于维莫克（Vemork）的挪威设施是德国的重水来源，使得该反应堆计划依赖于一个有限的供应，而盟军的行动一次又一次地针对这一供应。

虽然石墨在某些反应堆中可以调节中子，但研究人员发现德国控制区内的石墨不适合用于此。

德国核计划的重大缺口

这一情况揭示出德国的核野心与接近临界状态的反应堆之间的区别，与所需的材料供应之间的巨大差距改变了对 B8 实验的理解。海森堡的说法暗示失败与成功之间的差距相对狭窄，但分析则识别出无法仅通过对现有机器的调整来克服的短缺。一个运作的反应堆本身也不会构成核武器。反应堆代表了一种可能的途径，用于生产裂变材料以制造炸弹，这使得德国的进展成为曼哈顿计划的关注点。根据研究人员的评估，德国缺乏使其最终反应堆设计持续链反应所需的铀和合适的调节剂。

德国核计划的困境与挑战

德国在二战期间的核计划面临着材料供应的重大挑战，尤其是铀和重水的短缺。虽然海森堡曾认为德国接近成功，但实际上所需的资源远超过现有供应，显示出德国核野心的局限性。这一情况不仅影响了德国的核武器发展，也使盟军对其进展的关注加剧。反应堆的运作虽然不等于核武器的生产，但却是生产裂变材料的重要途径，从而影响了战争的整体局势。