در طول جنگ جهانی دوم، ایالات متحده بخشی از انگیزه خود برای توسعه بمب اتمی را ترس از این واقعیت می‌دانست که آلمان نازی ممکن است پیش از آن‌ها چنین سلاحی بسازد. اما آلمان در عمل چقدر به دستیابی به این هدف نزدیک بود؟ یک تحقیق علمی جدید نشان می‌دهد که برنامه هسته‌ای نازی‌ها بسیار دورتر از موفقیت بود نسبت به آنچه فیزیکدان ارشد آن ادعا می‌کرد.
با بررسی مکعب‌های اورانیوم باقی‌مانده و شواهد تاریخی مستندسازی شده قبلی، پژوهشگران محدودیت‌های عمده‌ای را در آخرین راکتور هسته‌ای آزمایشی آلمان کشف کرده‌اند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که این پروژه صرفاً کمبود چند ماده را تجربه نمی‌کرد. راکتور به مقدار بسیار بیشتری اورانیوم و آب سنگین نسبت به آنچه آلمان در طول جنگ در دسترس داشت، نیاز داشت.
مسابقه برای ساخت بمب اتمی
پروژه منهتن، تلاش مخفیانه آمریکایی‌ها برای توسعه سلاح‌های هسته‌ای در طول جنگ جهانی دوم، تا حدی توسط احتمال اینکه آلمان نازی ممکن است نخستین جهش مشابه را انجام دهد، پیش برده شد. دانشمندان می‌دانستند که هر کسی که موفق شود می‌تواند به یک مزیت نظامی بی‌سابقه دست یابد.
یکی از مسیرهای احتمالی به سمت بمب اتمی، ساخت راکتور هسته‌ای قادر به تولید پلوتونیوم بود؛ عنصری رادیواکتیو که می‌تواند در سلاح‌های هسته‌ای استفاده شود. در داخل یک راکتور، اتم‌های اورانیوم دچار شکافت هسته‌ای می‌شوند؛ فرآیندی که در آن هسته‌های آن‌ها از هم جدا شده و انرژی را همراه با ذرات اضافی به نام نوترون آزاد می‌کنند. در شرایط مناسب، آن نوترون‌ها واکنش‌های شکافت بیشتر را تحریک کرده و یک واکنش زنجیره‌ای پایدار ایجاد می‌کنند.
اگرچه آلمان نازی تحقیقات هسته‌ای خود را از طریق برنامه‌ای به نام «اوران‌پروژکت» (Uranprojekt) دنبال می‌کرد، مورخان مدت‌ها درباره میزان نزدیکی دانشمندان آن کشور به توسعه یک راکتور کارآمد بحث و جدل داشته‌اند.
آخرین تلاش آلمان یک راکتور آزمایشی به نام انباشت B8 بود که در سال ۱۹۴۵ تحت مدیریت فیزیکدان ورنر هایزنبرگ ساخته شد. این دستگاه از مکعب‌های اورانیوم طبیعی معلق در آب سنگین استفاده می‌کرد؛ ماده‌ای تخصصی که نقش اساسی در کنترل واکنش هسته‌ای داشت.
چرا آب سنگین برای راکتور آلمان نازی ضروری بود؟
آب سنگین شبیه آب معمولی به نظر می‌رسد، اما اتم‌های هیدروژن آن حاوی یک نوترون اضافی هستند. این تفاوت ظریف، آن را در برخی راکتورهای هسته‌ای به طور خاص مفید می‌سازد.
در یک راکتور، آب سنگین به عنوان تعدیل‌کننده نوترون عمل می‌کند، به این معنی که سرعت نوترون‌های آزاد شده حین شکافت را کاهش می‌دهد. نوترون‌های کندتر احتمال بیشتری دارند که واکنش‌های شکافت اضافی را در اورانیوم تحریک کنند و به حفظ واکنش زنجیره‌ای مورد نیاز برای یک راکتور کارآمد کمک نمایند.
با این حال، برای آلمان، به دست آوردن مقدار کافی آب سنگین یک مانع بزرگ بود.
در طول جنگ، تنها تسهیلات اروپایی که قادر به تأمین آب سنگین مورد نیاز برنامه آلمانی بود، کارخانه نورسک هیدرو (Norsk Hydro) در وِمورک نروژ بود. آلمان پس از اشغال نروژ در آوریل ۱۹۴۰ کنترل این تسهیلات را به دست گرفت.
متفقین با درک اهمیت این مکان برای جاه‌طلبی‌های هسته‌ای آلمان، کارخانه را هدف عملیات خرابکاری و بمباران قرار دادند. یک حمله بمباران بزرگ آمریکایی در ۱۶ نوامبر ۱۹۴۳ به وِمورک وارد شد که به پایان یافتن تولید آب سنگین در آنجا کمک کرد.
دانشمندان آخرین راکتور هسته‌ای هیتلر را بازبینی می‌کنند
وقتی نیروهای آمریکایی در سال ۱۹۴۵ راکتور B8 را کشف و تخریب کردند، این راکتور هرگز به حالت بحرانی نرسیده بود. در فیزیک هسته‌ای، بحرانی شدن به نقطه‌ای اشاره دارد که در آن واکنش زنجیره‌ای خودپایدار می‌شود، به طوری که هر نسل از واکنش‌های شکافت نوترون‌های کافی برای حفظ نسل بعدی تولید می‌کند.
رسیدن به این آستانه یک الزام بنیادین برای بهره‌برداری از یک راکتور هسته‌ای معمولی است. برخلاف نامش، بحرانی شدن به این معنا نیست که راکتور در آستانه انفجار است. این فقط به این معناست که واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای می‌تواند بدون اتکا به یک منبع خارجی نوترون ادامه یابد.
هایزنبرگ که رهبری تلاش راکتور آلمانی را بر عهده داشت، اصرار داشت که آزمایش B8 به رسیدن به این نقطه عطف نزدیک شده بود. او استدلال می‌کرد که دستگاه تنها به افزایش نسبتاً ناچیزی در عرضه اورانیوم خود برای عملیاتی شدن نیاز داشت.
اما مطالعه جدیدی به سرپرستی تیموتی کوئث و همکارانش آن ارزیابی را به چالش می‌کشد.
پژوهشگران دو مکعب باقی‌مانده از اورانیوم طبیعی که در پروژه هسته‌ای آلمان استفاده شده بودند را بررسی کردند. آن‌ها همچنین اسناد تاریخی، گزارش‌های فنی، مکاتبات و سایر مدارک آرشیوی را مطالعه کردند تا قابلیت‌های راکتور را بازسازی کنند و تعیین نمایند چه چیزی برای کار کردن آن لازم بوده است.
یافته‌های آن‌ها تصویری بسیار متفاوت از پیشرفت هسته‌ای آلمان ارائه می‌دهد.
کمبود عظیم اورانیوم و آب سنگین
طبق محاسبات پژوهشگران، راکتور B8 برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای پایدار به تقریباً دو برابر اورانیوم و بیش از دو برابر آب سنگینی که در واقع داشت، نیاز داشت.
مقادیر مورد نیاز از مواد در دسترس آلمان در طول جنگ فراتر بود. به طور خاص، آب سنگین مورد نیاز برای یک راکتور کارآمد بسیار بیشتر از مقداری بود که برنامه آلمانی می‌توانست از تأمین‌کننده نروژی خود دریافت کند.
پژوهشگران همچنین بررسی کردند که آیا دانشمندان آلمانی می‌توانستند با استفاده از گرافیت، نوعی کربن که می‌تواند نوترون‌ها را در راکتورهای هسته‌ای کند کند، از کمبود آب سنگین اجتناب کنند یا خیر.
این رویکرد برای دانشمندان آمریکایی جواب داده بود؛ آن‌ها در سال ۱۹۴۲ با استفاده از یک راکتور تعدیل‌شده با گرافیت، نخستین واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای کنترل‌شده و پایدار جهان را به دست آوردند.
با این حال، گرافیت موجود در قلمرو تحت کنترل آلمان حاوی ناخالصی‌هایی بود که آن را برای همان منظور نامناسب می‌ساخت. به طور خاص، ردپاهای بورون می‌توانستند نوترون‌هایی را که در غیر این صورت به حفظ واکنش کمک می‌کردند جذب کنند و از رسیدن راکتور به حالت بحرانی جلوگیری نمایند.
این بدان معنا بود که آلمان نمی‌توانست به سادگی گرافیت را جایگزین آب سنگین کند تا مشکلات عرضه خود را حل نماید.
چرا برنامه هسته‌ای آلمان نازی محکوم به شکست بود؟
یافته‌ها نشان می‌دهد که هایزنبرگ میزان قابل توجهی低估 کرده بود که راکتور او به چه مقدار ماده اضافی نیاز داشت.
به جای ایستادن در آستانه یک راکتور هسته‌ای کارآمد، دانشمندان آلمانی با کمبودهایی مواجه بودند که نمی‌توانستند با منابع در دسترسشان بر آن‌ها غلبه کنند.
این تحقیق همچنین توضیح روشن‌تری برای اینکه چرا برنامه هسته‌ای آلمان نتوانست گذار از طرح‌های راکتور آزمایشی به یک راکتور کارآمد قادر به تولید ماده برای بمب اتمی را انجام دهد، ارائه می‌کند.
بر اساس طرح‌ها و مواد موجود در طول جنگ جهانی دوم، پژوهشگران نتیجه می‌گیرند که آلمان نازی فاقد منابع لازم برای عملیاتی کردن راکتور آب سنگین خود یا یک جایگزین مبتنی بر گرافیت بود.
بیش از هشت دهه پس از جنگ، مکعب‌های اورانیوم باقی‌مانده به حل یک پرسش تاریخی دیرینه کمک کرده‌اند و نشان داده‌اند که آلمان نازی تا چه اندازه از دستیابی به گام حیاتی برای ساخت بمب اتمی فاصله داشت.