در دوران جنگ جهانی دوم، ایالات متحده به شدت در تلاش بود تا بمب اتمی را توسعه دهد، بخشی از این تلاش ناشی از ترس بود که نازی‌ها ممکن است زودتر از آنها به این هدف برسند. اما واقعاً نازی‌ها تا چه حد به ساخت بمب اتمی نزدیک بودند؟ تحقیقات جدید علمی نشان می‌دهد که برنامه هسته‌ای نازی‌ها به شدت از موفقیت دورتر از آن چیزی بود که فیزیکدانان آن زمان ادعا می‌کردند.
با بررسی کوب‌های اورانیوم باقی‌مانده و شواهد تاریخی مستند، پژوهشگران به محدودیت‌های عمده‌ای در راکتور هسته‌ای نهایی آلمان پی برده‌اند. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که این پروژه فقط در کمبود چند ماده نبوده، بلکه راکتور به مقدار بسیار بیشتری اورانیوم و آب سنگین نیاز داشت که در طول جنگ در دسترس آلمان نبود.
پروژه منهتن، تلاش مخفی ایالات متحده برای توسعه سلاح‌های هسته‌ای در دوران جنگ جهانی دوم، تا حدی به دلیل احتمال اینکه نازی‌ها ممکن است به یک پیشرفت مشابه برسند، به راه افتاد. دانشمندان می‌دانستند که هر کسی که موفق شود، می‌تواند برتری نظامی بی‌سابقه‌ای به دست آورد. یکی از راه‌های ممکن برای ساخت بمب اتمی، ساخت یک راکتور هسته‌ای بود که قادر به تولید پلوتونیوم، یک عنصر رادیواکتیو که می‌تواند در سلاح‌های هسته‌ای استفاده شود، باشد.
عملکرد راکتور هسته‌ای و واکنش‌های هسته‌ای
در داخل یک راکتور، اتم‌های اورانیوم تحت فرایند شکافت هسته‌ای قرار می‌گیرند، فرایندی که در آن هسته‌های آنها از هم می‌شکنند و انرژی و ذرات اضافی به نام نوترون‌ها آزاد می‌کنند. در شرایط مناسب، این نوترون‌ها باعث ایجاد واکنش‌های شکافت بیشتری می‌شوند و زنجیره‌ای پایدار از واکنش‌ها ایجاد می‌کنند.
اگرچه نازی‌ها از طریق برنامه‌ای به نام اوران‌پروژه به تحقیقات هسته‌ای پرداخته بودند، اما تاریخ‌نگاران مدت‌هاست که در این مورد بحث می‌کنند که دانشمندان آنها تا چه حد به توسعه یک راکتور عملی نزدیک شده بودند. آخرین تلاش آلمان، یک راکتور آزمایشی به نام B8 بود که در سال 1945 تحت نظر فیزیکدان ورنر هایزنبرگ ساخته شد. این دستگاه از کوب‌های اورانیوم طبیعی معلق در آب سنگین استفاده می‌کرد، که نقش اساسی در کنترل واکنش هسته‌ای داشت.
اهمیت آب سنگین برای راکتور نازی‌ها
آب سنگین ظاهری مشابه آب معمولی دارد، اما اتم‌های هیدروژن آن دارای یک نوترون اضافی هستند. این تفاوت جزئی آن را در برخی از راکتورهای هسته‌ای به ویژه مفید می‌کند. در یک راکتور، آب سنگین به عنوان یک کندکننده نوترون عمل می‌کند، به این معنی که نوترون‌های آزاد شده در طول شکافت را کند می‌کند. نوترون‌های کندتر بیشتر احتمال دارد که واکنش‌های شکافت اضافی در اورانیوم را تحریک کنند و زنجیره‌ای از واکنش‌های لازم برای یک راکتور کارآمد را حفظ کنند.
اما برای آلمان، تأمین آب سنگین کافی یک مانع بزرگ بود. در طول جنگ، تنها تاسیسات اروپایی که قادر به تأمین آب سنگین مورد نیاز برنامه آلمان بود، کارخانه نروژی نرسک هایدرو در ورمورک بود. آلمان پس از اشغال نروژ در آوریل 1940 کنترل این تاسیسات را به دست آورد. با شناخت اهمیت این تاسیسات برای آرزوهای هسته‌ای آلمان، نیروهای متفقین این کارخانه را هدف حملات خرابکارانه و بمباران قرار دادند.
یک بمباران بزرگ آمریکایی در 16 نوامبر 1943 به ورمورک ضربه زد و به پایان تولید آب سنگین در آنجا کمک کرد.
بازبینی راکتور نهایی هیتلر
زمانی که نیروهای آمریکایی راکتور B8 را در سال 1945 کشف و منهدم کردند، هرگز به نقطه بحرانی نرسیده بود. در فیزیک هسته‌ای، بحرانی به نقطه‌ای اشاره دارد که یک زنجیره واکنشی خودپایدار می‌شود، به طوری که هر نسل از واکنش‌های شکافت به اندازه‌ای نوترون تولید می‌کند که نسل بعدی را حفظ کند. رسیدن به این آستانه شرط اساسی برای کارکرد یک راکتور هسته‌ای معمولی است.
با وجود نامش، بحرانی به این معنا نیست که راکتور در آستانه انفجار است. بلکه به این معنی است که زنجیره واکنش هسته‌ای می‌تواند بدون اتکا به منبع خارجی نوترون ادامه یابد. هایزنبرگ، که رهبری تلاش‌های راکتور آلمان را بر عهده داشت، مدعی بود که آزمایش B8 به این نقطه نزدیک شده است. او استدلال می‌کرد که این دستگاه تنها به افزایش نسبتاً جزئی در تأمین اورانیوم خود نیاز دارد تا عملیاتی شود.
چالش‌های جدید در تأمین مواد
اما یک مطالعه جدید به رهبری تیموتی کث و همکارانش به این ارزیابی چالش می‌زند. پژوهشگران دو کوب باقی‌مانده از اورانیوم طبیعی که در پروژه هسته‌ای آلمان استفاده شده بود را بررسی کردند. آنها همچنین سوابق تاریخی، گزارش‌های فنی، مکاتبات و دیگر اسناد بایگانی را بررسی کردند تا توانایی‌های این راکتور را بازسازی کرده و تعیین کنند چه موادی برای کارکرد آن لازم بوده است. یافته‌های آنها تصویری بسیار متفاوت از پیشرفت هسته‌ای آلمان را به نمایش گذاشت.
کمبود شدید اورانیوم و آب سنگین
طبق محاسبات پژوهشگران، راکتور B8 به حدود دو برابر اورانیوم و بیش از دو برابر آب سنگین نسبت به آنچه که در واقع داشت نیاز داشت تا یک زنجیره واکنش هسته‌ای پایدار را ایجاد کند. مقادیر مورد نیاز از مواد موجود برای آلمان در طول جنگ فراتر بود. به ویژه، آب سنگین مورد نیاز برای یک راکتور کارآمد به دور از مقدار موجود برای برنامه آلمان از تأمین نروژی آن بود.
پژوهشگران همچنین بررسی کردند که آیا دانشمندان آلمانی می‌توانستند با استفاده از گرافیت، نوعی کربن که می‌تواند نوترون‌ها را در راکتورهای هسته‌ای نیز کند کند، کمبود آب سنگین را جبران کنند. این رویکرد برای دانشمندان آمریکایی موفق بوده و آنها در سال 1942 اولین زنجیره واکنش هسته‌ای کنترل شده و پایدار جهان را با استفاده از یک راکتور با کندکننده گرافیتی به دست آوردند. اما گرافیتی که در سرزمین‌های تحت کنترل آلمان موجود بود، حاوی ناخالصی‌هایی بود که آن را برای همین هدف نامناسب می‌کرد.
به ویژه، وجود مقادیر کمی بور می‌توانست نوترون‌هایی را که در غیر این صورت به حفظ واکنش کمک می‌کردند، جذب کند و مانع از رسیدن راکتور به حالت بحرانی شود. این بدان معناست که آلمان نمی‌توانست به سادگی گرافیت را به جای آب سنگین به کار ببرد تا بر مشکلات تأمین خود غلبه کند.
چرا برنامه هسته‌ای نازی‌ها محکوم به شکست بود
یافته‌ها نشان می‌دهد که هایزنبرگ به طور قابل توجهی میزان مواد اضافی مورد نیاز برای راکتورش را دست کم گرفته است. به جای اینکه در آستانه یک راکتور هسته‌ای کارآمد باشند، دانشمندان آلمانی با کمبودهایی مواجه بودند که نمی‌توانستند با منابع موجود خود غلبه کنند. این تحقیق همچنین توضیح واضح‌تری را برای شکست برنامه هسته‌ای آلمان در انتقال از طراحی‌های راکتور آزمایشی به یک راکتور کارآمد که قادر به تولید مواد برای بمب اتم باشد، فراهم می‌کند. بر اساس طراحی‌ها و مواد موجود در دوران جنگ جهانی دوم، پژوهشگران نتیجه‌گیری کردند که نازی‌ها منابع لازم برای عملیاتی کردن یا راکتور آب سنگین یا جایگزین مبتنی بر گرافیت را نداشتند.
بیش از هشت دهه پس از جنگ، کوب‌های اورانیوم باقی‌مانده به حل یک سوال تاریخی دیرینه کمک کرده و نشان می‌دهند که نازی‌ها چه فاصله‌ای از دست‌یابی به یک گام حیاتی برای ساخت بمب اتمی داشتند.
