تحلیل مکعب‌های اورانیوم آلمان نازی: چرا بمب اتمی ساخته نشد؟

مقدمه: راز مکعب‌های اورانیوم

در پایان جنگ جهانی دوم، ورنر هایزنبرگ (Werner Heisenberg)، فیزیکدان برجسته آلمانی و رهبر برنامه هسته‌ای آلمان نازی، ادعا کرد که راکتور هسته‌ای B8 تنها با کمبود «مقدار نسبتاً کمی اورانیوم» برای دستیابی به واکنش زنجیره‌ای پایدار روبرو بوده است. اگر این ادعا درست بود، آلمان ممکن بود گامی حیاتی در مسیر ساخت بمب اتمی بردارد. اما پژوهش جدیدی که در مجله PNAS Nexus منتشر شده، با بررسی مستندات تاریخی و تحلیل دو مکعب اورانیوم بازمانده از آن برنامه، این ادعا را به چالش می‌کشد.

شکاف هسته‌ای و واکنش زنجیره‌ای

برای درک این موضوع، ابتدا باید مفهوم شکاف هسته‌ای (nuclear fission) را روشن کنیم. وقتی یک نوترون با هسته اورانیوم-۲۳۵ برخورد می‌کند، هسته به دو هسته کوچک‌تر شکافته شده و انرژی عظیمی آزاد می‌کند. مهم‌تر از همه، این فرآیند چند نوترون جدید نیز تولید می‌کند که می‌توانند هسته‌های اورانیوم دیگر را شکافته و واکنش زنجیره‌ای (chain reaction) ایجاد کنند.

اما نوترون‌های تولیدشده در شکاف هسته‌ای بسیار سریع هستند و احتمال برخورد آن‌ها با هسته‌های اورانیوم کم است. برای افزایش این احتمال، باید سرعت نوترون‌ها کاهش یابد. این کار توسط ماده‌ای به نام «مُدرات» (moderator) انجام می‌شود. دو ماده رایج برای این منظور، گرافیت و آب سنگین (heavy water) هستند.

آب سنگین: ماده‌ای کمیاب و حیاتی

آب سنگین نوعی آب است که در آن ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریوم (deuterium) جایگزین هیدروژن معمولی شده است. دوتریوم یک نوترون اضافی در هسته خود دارد و این ویژگی باعث می‌شود آب سنگین بتواند نوترون‌های سریع را بدون جذب آن‌ها کند کند. این در حالی است که آب معمولی نوترون‌ها را جذب می‌کند و واکنش زنجیره‌ای را متوقف می‌سازد.

آب سنگین تنها کسر بسیار کوچکی از آب معمولی را تشکیل می‌دهد و استخراج آن فرآیندی بسیار دشوار است. آلمان نازی آب سنگین مورد نیاز خود را از یک کارخانه واحد در نروژ که تحت اشغال آلمان بود، تامین می‌کرد. این کارخانه با ظرفیت کامل خود نیز نمی‌توانست مقدار آب سنگین لازم را تولید کند.

ساختار راکتور B8

راکتور B8 از پنج حلقه هم‌مرکز مکعب‌های اورانیوم تشکیل شده بود که با زنجیر درون مخزن آب سنگین آویزان شده بودند. دانشمندان آلمانی قصد داشتند یک منبع نوترون رادیوم-بریلیم را در هسته راکتور قرار دهند تا با سیل نوترون، واکنش زنجیره‌ای را آغاز کنند.

راکتور در مجموع ۶۶۴ مکعب اورانیوم داشت که هر کدام حدود ۲.۳۲ کیلوگرم وزن داشتند و مجموع وزن اورانیوم به ۱۵۴۰ کیلوگرم می‌رسید. همچنین حدود ۱۴۰۰ لیتر آب سنگین در راکتور وجود داشت.

کشف تفاوت میان ادعا و واقعیت

پژوهشگران با ساخت یک مدل ریاضی از راکتور B8 بر اساس داده‌های تاریخی و اندازه‌گیری‌های مکعب‌های بازمانده، دریافتند که این راکتور برای دستیابی به واکنش زنجیره‌ای پایدار به حداقل ۱۲۰۰ مکعب اورانیوم و بیش از ۳۰۰۰ لیتر آب سنگین نیاز داشته است. به عبارت دیگر، راکتور کمتر از نصف مقدار آب سنگین و حدود نصف مقدار اورانیوم لازم را در اختیار داشت.

پاتریک پارک (Patrick Park)، نویسنده اصلی پژوهش و دانشجوی دکتری در دانشگاه پرینستون، بیان کرد که خطای هایزنبرگ تقریباً با ضریب دو بود. البته این خطا قابل درک است: محاسبات هایزنبرگ تنها تقریبی بود و پس از بمباران برلین، پروژه به یک زیرزمین صخره‌ای در شهر هایگرلوک منتقل شد. در شرایطی که مردم در حال گرسنگی و مرگ بودند، محاسبات دقیق راکتور اولویت اول نبود و بسیاری از جزئیات فیزیک نوترون در آن زمان ناشناخته بود.

چرا راکتور گرافیتی ممکن نبود؟

پژوهشگران همچنین احتمال ساخت راکتور مبتنی بر گرافیت را بررسی کردند، مشابه پیل هسته‌ای (nuclear pile) که در دانشگاه شیکاگو برای بمب اتمی آمریکا ساخته شد. اما نتیجه نشان داد که این کار در آلمان زمان جنگ غیرممکن بود. زغال‌سنگ محلی آلمان برای تولید گرافیت حاوی مقادیر بالایی بور (boron) بود. بور نوترون‌ها را به شدت جذب می‌کند و واکنش زنجیره‌ای را غیرممکن می‌سازد.

این یافته توضیح می‌دهد که چرا آلمان تصمیم گرفت به جای گرافیت از آب سنگین استفاده کند. در آن زمان، دانشمندان آلمانی نمی‌دانستند دقیقاً چه مقدار آب سنگین لازم است و گرافیت نیز به دلیل ناخالصی بور غیرقابل استفاده بود.

اهمیت علمی و تاریخی

این پژوهش نشان می‌دهد که آلمان نازی در سال ۱۹۴۵ هیچ‌کدام از دو مسیر ممکن برای ساخت راکتور هسته‌ای را نمی‌توانست طی کند. نه آب سنگین کافی وجود داشت و نه گرافیت خالص قابل تولید بود. برخلاف ادعای هایزنبرگ، راکتور آب سنگین هیچ‌گاه آماده نبود.

مارک واکر (Mark Walker)، مورخ دانشگاه یونیون و متخصص برنامه هسته‌ای آلمان در زمان جنگ، این پژوهش را تحلیل مهندسی جالبی می‌داند که نشان می‌دهد حتی اگر آلمان مسیر دیگری را انتخاب می‌کرد نیز موفق نمی‌شد.

این مطالعه نمونه‌ای از چگونگی ترکیب فیزیک هسته‌ای، تحلیل تاریخی و روش‌های جنایی‌شناسی علمی برای روشن شدن یکی از مهم‌ترین سوالات تاریخ جنگ جهانی دوم است. نتیجه‌گیری روشن است: آلمان نازی از ساخت بمب اتمی بسیار دورتر از آنچه ادعا می‌شد، فاصله داشت.