Historia projektu uranu III Rzeszy, jak to się zwykle przedstawia, osobiście bardzo przypomina mi książkę z podartymi kartkami. Wszystko to jawi się jako historia ciągłych niepowodzeń i niepowodzeń, program o niejasnych celach i marnowaniu cennych zasobów. W rzeczywistości zbudowano rodzaj narracji o niemieckim programie atomowym, który jest nielogiczny, w którym są istotne niespójności, ale który jest mozolnie narzucany.
Jednak niektóre informacje, które udało nam się znaleźć w publikacjach, w tym stosunkowo niedawne opracowania dotyczące historii niemieckiego rozwoju wojskowo-technicznego, pozwalają spojrzeć na niemiecki projekt uranu zupełnie inaczej. Naziści byli zainteresowani przede wszystkim kompaktowym reaktorem energetycznym i bronią termojądrową.
Reaktor mocy
Obszerna i niemiecko brzmiąca praca Günthera Nagela „Wissenschaft für den Krieg”, licząca ponad tysiąc stron, oparta na bogatym materiale archiwalnym, dostarcza bardzo interesujących informacji o tym, jak fizycy III Rzeszy wyobrażali sobie wykorzystanie energii atomowej. Książka zajmuje się głównie tajną pracą działu badawczego Zakładu Uzbrojenia Lądowego, w którym prowadzono również prace nad fizyką jądrową.
Od 1937 roku w tym dziale Kurt Diebner prowadził badania w zakresie inicjowania detonacji materiałów wybuchowych za pomocą promieniowania. Jeszcze przed pierwszym sztucznym rozszczepieniem uranu w styczniu 1939 r. Niemcy próbowali zastosować fizykę jądrową do spraw wojskowych. Reakcją rozszczepienia uranu od razu zainteresował się Departament Uzbrojenia Lądowego, który zapoczątkował niemiecki projekt uranu, a przede wszystkim wyznaczył naukowcom zadanie określenia obszarów zastosowania energii atomowej. Rozkaz wydał Karl Becker, szef Departamentu Uzbrojenia Lądowego, przewodniczący Cesarskiej Rady Badawczej i generał artylerii. Instrukcję wykonał fizyk teoretyczny Siegfried Flyugge, który w lipcu 1939 r. sporządził raport na temat wykorzystania energii atomowej, zwrócił uwagę na ogromny potencjał energetyczny rozszczepialnego jądra atomowego, a nawet sporządził szkic „maszyny uranowej”, że jest reaktor.
Budowa „maszyny uranowej” stanowiła podstawę projektu uranowego III Rzeszy. Maszyna Uranium była prototypem reaktora energetycznego, a nie produkcyjnego. Zwykle ta okoliczność jest albo ignorowana w ramach tworzonej głównie przez Amerykanów narracji o niemieckim programie nuklearnym, albo jest rażąco niedoceniana. Tymczasem sprawa energetyczna dla Niemiec była najważniejsza ze względu na dotkliwy brak ropy naftowej, konieczność produkcji paliwa silnikowego z węgla oraz znaczne trudności w wydobyciu, transporcie i wykorzystaniu węgla. Dlatego pierwsze spojrzenie na ideę nowego źródła energii bardzo ich zainspirowało. Gunther Nagel pisze, że miała ona wykorzystywać „maszynę uranową” jako stacjonarne źródło energii w przemyśle i wojsku, instalować ją na dużych okrętach wojennych i okrętach podwodnych. Ta ostatnia, jak widać z eposu Bitwy o Atlantyk, miała ogromne znaczenie. Reaktor podwodny zamienił łódź z nurkowania w prawdziwie podwodną i uczynił ją znacznie mniej podatną na siły przeciw okrętom podwodnym. Łódź nuklearna nie musiała wynurzać się na powierzchnię, aby naładować akumulatory, a jej zasięg działania nie był ograniczony dostawą paliwa. Nawet jedna łódź z reaktorem jądrowym byłaby bardzo cenna.
Ale zainteresowanie niemieckich projektantów reaktorem jądrowym nie ograniczało się do tego. Lista maszyn, na których myśleli zainstalować reaktor, obejmowała m.in. czołgi. W czerwcu 1942 r. Hitler i minister uzbrojenia Rzeszy Albert Speer omawiał projekt „wielkiego pojazdu bojowego” ważącego około 1000 ton. Podobno reaktor był przeznaczony specjalnie do tego typu zbiornika.
Również naukowcy zajmujący się rakietami zainteresowali się reaktorem jądrowym. W sierpniu 1941 r. Centrum Badawcze w Peenemünde zwróciło się o możliwość wykorzystania „maszyny uranowej” jako silnika rakietowego. Dr Karl Friedrich von Weizsacker odpowiedział, że jest to możliwe, ale napotyka trudności techniczne. Reaktywny ciąg można wytworzyć za pomocą produktów rozpadu jądra atomowego lub za pomocą jakiejś substancji ogrzanej ciepłem reaktora.
Tak więc zapotrzebowanie na energetyczny reaktor jądrowy było na tyle duże, że instytuty badawcze, grupy i organizacje rozpoczęły prace w tym kierunku. Już na początku 1940 r. rozpoczęto budowę reaktora jądrowego w trzech projektach: Werner Heisenberg w Instytucie Cesarza Wilhelma w Lipsku, Kurt Diebner w Departamencie Uzbrojenia Lądowego pod Berlinem i Paul Harteck na Uniwersytecie w Hamburgu. Projekty te musiały podzielić między siebie dostępne zapasy dwutlenku uranu i ciężkiej wody.
Sądząc po dostępnych danych, Heisenberg był w stanie zmontować i uruchomić pierwszy reaktor demonstracyjny pod koniec maja 1942 roku. 750 kg sproszkowanego uranu metalicznego wraz ze 140 kg ciężkiej wody umieszczono w dwóch mocno skręconych aluminiowych półkulach, czyli w aluminiowej kuli, którą umieszczono w pojemniku z wodą. Eksperyment na początku przebiegł pomyślnie, zauważono nadmiar neutronów. Ale 23 czerwca 1942 r. Kula zaczęła się przegrzewać, woda w pojemniku zaczęła się gotować. Próba otwarcia balonu nie powiodła się, w końcu balon eksplodował, rozrzucając po pomieszczeniu proszek uranu, który natychmiast zapalił się. Pożar został ugaszony z wielkim trudem. Pod koniec 1944 roku Heisenberg zbudował jeszcze większy reaktor w Berlinie (1,25 tony uranu i 1,5 tony ciężkiej wody), a w okresie styczeń-luty 1945 roku podobny reaktor zbudował w piwnicy w Haigerloch. Heisenbergowi udało się uzyskać przyzwoitą wydajność neutronów, ale nie osiągnął kontrolowanej reakcji łańcuchowej.
Diebner eksperymentował zarówno z dwutlenkiem uranu, jak i uranem metalicznym, budując kolejno od 1942 do końca 1944 roku cztery reaktory w Gottow (na zachód od poligonu Kummersdorf, na południe od Berlina). Pierwszy reaktor Gottow-I zawierał 25 ton tlenku uranu w 6800 kostkach i 4 tony parafiny jako moderatora. G-II w 1943 był już na metalicznym uranie (232 kg uranu i 189 litrów ciężkiej wody; uran tworzył dwie kule, wewnątrz których umieszczono ciężką wodę, a całe urządzenie umieszczono w pojemniku z lekką wodą).
Zbudowany później G-III wyróżniał się kompaktowym rozmiarem rdzenia (250 x 230 cm) i wysoką wydajnością neutronów, jego modyfikacja na początku 1944 roku zawierała 564 uranu i 600 litrów ciężkiej wody. Diebner konsekwentnie opracowywał projekt reaktora, stopniowo zbliżając się do reakcji łańcuchowej. W końcu udało mu się, choć w nadmiarze. Reaktor G-IV w listopadzie 1944 doznał katastrofy: pękł kocioł, częściowo stopił się uran, a pracownicy zostali mocno napromieniowani.
Ze znanych danych jasno wynika, że niemieccy fizycy próbowali stworzyć reaktor ciśnieniowy z moderacją wodną, w którym aktywna strefa metalicznego uranu i ciężkiej wody ogrzewałaby otaczającą ją lekką wodę, a następnie mogłaby być zasilana parą. generatora lub bezpośrednio do turbiny.
Natychmiast podjęli próbę stworzenia kompaktowego reaktora nadającego się do instalacji na statkach i łodziach podwodnych, dlatego wybrali uran metaliczny i ciężką wodę. Najwyraźniej nie zbudowali reaktora grafitowego. I wcale nie z powodu błędu Waltera Bothe ani tego, że Niemcy nie mogły wyprodukować grafitu o wysokiej czystości. Najprawdopodobniej reaktor grafitowy, który byłby technicznie łatwiejszy do zbudowania, okazał się zbyt duży i ciężki do wykorzystania jako elektrownia okrętowa. Moim zdaniem rezygnacja z reaktora grafitowego była świadomą decyzją.
Działania związane ze wzbogacaniem uranu były również najprawdopodobniej związane z próbami stworzenia kompaktowego reaktora energetycznego. Pierwsze urządzenie do separacji izotopów stworzył w 1938 roku Klaus Klusius, ale jego „rurka rozdzielająca” nie nadawała się jako wzór przemysłowy. W Niemczech opracowano kilka metod rozdzielania izotopów. Przynajmniej jeden z nich osiągnął skalę przemysłową. Pod koniec 1941 roku dr Hans Martin uruchomił pierwszy prototyp wirówki do separacji izotopów i na tej podstawie zaczęto budować w Kilonii zakład wzbogacania uranu. Jego historia, przedstawiona przez Nagela, jest raczej krótka. Został zbombardowany, następnie sprzęt przewieziono do Freiburga, gdzie w podziemnym schronie zbudowano zakład przemysłowy. Nagel pisze, że nie było sukcesu i zakład nie działał. Najprawdopodobniej nie jest to do końca prawdą i prawdopodobnie część wzbogaconego uranu została wyprodukowana.
Wzbogacony uran jako paliwo jądrowe umożliwił niemieckim fizykom rozwiązanie zarówno problemów osiągnięcia reakcji łańcuchowej, jak i zaprojektowania kompaktowego i wydajnego reaktora na lekką wodę. Ciężka woda była nadal zbyt droga dla Niemiec. W latach 1943-1944, po zniszczeniu zakładu do produkcji ciężkiej wody w Norwegii, przy zakładzie Leunawerke działał zakład, ale uzyskanie tony ciężkiej wody wymagało zużycia 100 tys. ton węgla do wytworzenia niezbędnej energii elektrycznej. Reaktor ciężkowodny mógłby zatem być stosowany na ograniczoną skalę. Jednak Niemcy najwyraźniej nie zdołali wyprodukować wzbogaconego uranu do próbek w reaktorze.
Próby stworzenia broni termojądrowej
Pytanie, dlaczego Niemcy nie stworzyli i nie użyli broni jądrowej, wciąż jest przedmiotem gorących dyskusji, ale moim zdaniem debaty te wzmocniły wpływ narracji o niepowodzeniach niemieckiego projektu uranowego bardziej niż odpowiedziały na to pytanie.
Sądząc po dostępnych danych, naziści byli bardzo mało zainteresowani bombą nuklearną uranową lub plutonową, a w szczególności nie podejmowali żadnych prób stworzenia reaktora produkcyjnego do produkcji plutonu. Ale dlaczego?
Po pierwsze, niemiecka doktryna wojskowa pozostawiała niewiele miejsca na broń jądrową. Niemcy starali się nie niszczyć, ale zajmować terytoria, miasta, obiekty wojskowe i przemysłowe. Po drugie, w drugiej połowie 1941 r. i 1942 r., gdy projekty atomowe weszły w fazę aktywnej realizacji, Niemcy wierzyli, że wkrótce wygrają wojnę w ZSRR i zapewnią sobie dominację na kontynencie. W tym czasie powstały nawet liczne projekty, które miały być realizowane po zakończeniu wojny. Z takimi uczuciami nie potrzebowali bomby atomowej, a ściślej nie uważali, że jest to konieczne; ale do przyszłych bitew na oceanie potrzebna była łódź lub reaktor okrętowy. Po trzecie, kiedy wojna zaczęła skłaniać się ku klęsce Niemiec, a broń nuklearna stała się konieczna, Niemcy obrały szczególną drogę.
Erich Schumann, kierownik działu badawczego Departamentu Uzbrojenia Lądowego, wysunął pomysł, że można spróbować wykorzystać lekkie pierwiastki, takie jak lit, do reakcji termojądrowej i zapalić ją bez użycia ładunku jądrowego. W październiku 1943 r. Schumann rozpoczął aktywne badania w tym kierunku, a podlegli mu fizycy próbowali stworzyć warunki do wybuchu termojądrowego w urządzeniu typu armatniego, w którym dwa ładunki kumulowane zostały wystrzelone ku sobie w lufie, zderzając się, tworząc wysoka temperatura i ciśnienie. Według Nagela wyniki były imponujące, ale niewystarczające do rozpoczęcia reakcji termojądrowej. Omówiono również schemat implozji, aby osiągnąć pożądane rezultaty. Prace w tym kierunku przerwano na początku 1945 roku.
Może wydawać się to dość dziwnym rozwiązaniem, ale miało pewną logikę. Niemcy mogą technicznie wzbogacić uran do jakości broni. Jednak bomba uranowa wymagała wtedy zbyt dużej ilości uranu - aby uzyskać 60 kg wysoko wzbogaconego uranu do bomby atomowej, potrzeba było od 10,6 do 13,1 ton naturalnego uranu.
Tymczasem uran był aktywnie absorbowany przez eksperymenty z reaktorami, które uznano za priorytetowe i ważniejsze niż broń jądrowa. Ponadto najwyraźniej metal uran w Niemczech był używany jako substytut wolframu w rdzeniach pocisków przeciwpancernych. Z opublikowanych protokołów ze spotkań Hitlera z ministrem uzbrojenia i amunicji Rzeszy Albertem Speerem wynika, że na początku sierpnia 1943 r. Hitler nakazał natychmiastową intensyfikację przetwarzania uranu do produkcji rdzeni. Jednocześnie prowadzono badania nad możliwością zastąpienia wolframu metalicznym uranem, które zakończyły się w marcu 1944 roku. W tym samym protokole jest wzmianka, że w 1942 r. w Niemczech było 5600 kg uranu, oczywiście oznacza to uran metaliczny lub w przeliczeniu na metal. Czy to prawda, czy nie, pozostało niejasne. Ale jeśli przynajmniej częściowo pociski przeciwpancerne były produkowane z rdzeniami uranowymi, to taka produkcja musiała również zużywać tony uranu metalicznego.
Na to zastosowanie wskazuje również ciekawy fakt, że produkcję uranu uruchomiła firma Degussa AG na początku wojny, przed rozmieszczeniem eksperymentów z reaktorami. Tlenek uranu produkowano w fabryce w Oranienbaum (został zbombardowany pod koniec wojny, a obecnie jest to strefa skażenia radioaktywnego), a metaliczny uran produkowano w zakładzie we Frankfurcie nad Menem. W sumie firma wyprodukowała 14 ton metalicznego uranu w postaci proszku, płyt i kostek. Jeśli uwolniono znacznie więcej, niż zużyto w eksperymentalnych reaktorach, co pozwala stwierdzić, że metaliczny uran miał również inne zastosowania wojskowe.
W świetle tych okoliczności dążenie Schumanna do osiągnięcia niejądrowego zapłonu reakcji termojądrowej jest całkiem zrozumiałe. Po pierwsze, dostępny uran nie wystarczyłby na bombę uranową. Po drugie, reaktory potrzebowały również uranu na inne potrzeby wojskowe.
Dlaczego Niemcy nie mieli projektu uranu? Ponieważ ledwo osiągnęli rozszczepienie atomu, postawili sobie niezwykle ambitny cel stworzenia kompaktowego reaktora energetycznego, nadającego się na mobilną elektrownię. W tak krótkim czasie iw warunkach wojskowych zadanie to było dla nich technicznie trudne do rozwiązania.
