納粹德國核反應堆研究揭示重大物料缺口

美國軍隊於 1945 年抵達納粹德國的最終實驗核反應堆 B8 堆時，發現了一台從未持續進行核鏈反應的機器。雖然他們將其拆解，但一個問題依然存在：德國人距離成功究竟有多近？項目科學領導者維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）後來形容 B8 堆僅差一步成功。數十年後，兩塊存留的鈾立方體與一系列戰時文件為研究人員提供了檢驗該說法的途徑。蒂莫西·科斯（Timothy Koeth）及其同事發現，比海森堡所描述的障礙要大得多。

該反應堆需要大約兩倍於其現有鈾的量，以及大約兩倍於挪威供應商在整個戰爭期間所生產的重水。

反應堆所需材料分析

B8 反應堆使用天然鈾作為燃料，並用重水作為中子調節劑。這兩種材料在持續核裂變的嘗試中扮演著不同的角色。當鈾原子裂變時，它釋放出能導致其他鈾原子裂變的中子。當足夠的中子觸發進一步的裂變以維持鏈反應而不會衰亡時，反應堆達到臨界狀態。然而，在德國設計中，裂變釋放的中子移動得過快，無法有效支持該過程。中子調節劑的作用是減慢這些中子的速度，從而提高其引發額外裂變的能力。

德國科學家選擇了重水，因其含有氘，氘是氫的重同位素。因此，僅有鈾是不夠的，反應堆還需要足夠的調節劑來支持鏈反應。

科斯及其同事檢查了來自德國戰時核計劃的兩塊天然鈾立方體，並參考了歷史記錄、技術報告、通信以及其他檔案來源。他們的重建表明，達到臨界狀態需要大約兩倍於 B8 堆現有鈾的量。重水需求則呈現出更大的障礙：這相當於挪威 Norsk Hydro 在戰時的整體生產量的兩倍。位於維莫克（Vemork）的挪威設施是德國的重水來源，使得該反應堆計劃依賴於一個有限的供應，而盟軍的行動一次又一次地針對這一供應。

雖然石墨在某些反應堆中可以調節中子，但研究人員發現德國控制區內的石墨不適合用於此。

德國核計劃的重大缺口

這一情況揭示出德國的核野心與接近臨界狀態的反應堆之間的區別，與所需的材料供應之間的巨大差距改變了對 B8 實驗的理解。海森堡的說法暗示失敗與成功之間的差距相對狹窄，但分析則識別出無法僅通過對現有機器的調整來克服的短缺。一個運作的反應堆本身也不會構成核武器。反應堆代表了一種可能的途徑，用於生產裂變材料以製造炸彈，這使得德國的進展成為曼哈頓計劃的關注點。根據研究人員的評估，德國缺乏使其最終反應堆設計持續鏈反應所需的鈾和合適的調節劑。

德國核計劃的困境與挑戰

德國在二戰期間的核計劃面臨著材料供應的重大挑戰，尤其是鈾和重水的短缺。雖然海森堡曾認為德國接近成功，但實際上所需的資源遠超過現有供應，顯示出德國核野心的局限性。這一情況不僅影響了德國的核武器發展，也使盟軍對其進展的關注加劇。反應堆的運作雖然不等於核武器的生產，但卻是生產裂變材料的重要途徑，從而影響了戰爭的整體局勢。