آیا آلمان نازی واقعاً به ساخت بمب اتمی نزدیک شده بود؟

در هفته‌های پایانی جنگ جهانی دوم، تیمی از برجسته‌ترین دانشمندان آلمان تمام توان خود را در تلاشی مذبوحانه برای ساخت سلاح اتمی به کار گرفتند.

این پروژه با نام «رآکتور B8» شناخته می‌شد؛ آزمایشی شاخص که حاصل سال‌ها پژوهش تحت هدایت ورنر هایزنبرگ(Werner Heisenberg)، برنده مشهور جایزه نوبل بود.

هایزنبرگ در مقاله‌ای که سال ۱۹۴۷ در نشریه «نیچر»(Nature) منتشر شد، ادعا کرد که رآکتور اورانیوم و آب سنگین B8 صرفاً «ناکافی» بوده و به دلیل کمبود اندکی اورانیوم بیشتر نتوانسته است واکنش زنجیره‌ای خودپایداری را آغاز کند.

اکنون مطالعه‌ای به سرپرستی تیموتی کوث(Timothy Koeth)، دانشمند علوم مواد در دانشگاه مریلند نشان می‌دهد که پروژه هایزنبرگ عملاً هیچ امیدی به موفقیت نداشته است؛ چرا که به ۲۰ درصد اورانیوم و ۸۰ درصد آب سنگینِ بیشتر از آنچه در آن زمان در اختیار آلمان بود، نیاز داشت.

اگر هیتلر به سطحی خارق‌العاده و بی‌نقص از هماهنگی و نظارت دست نمی‌یافت، ساخت آن «سلاحِ سلاح‌ها» که سلاحی بی‌همتا در زمان خود و ویرانگر بود، در طول جنگ برایش بسیار دور از دسترس می‌بود.

مدت‌ها پیش از آنکه پروژه مشهور منهتن در آمریکا در اوایل اوت ۱۹۴۲ آغاز شود، تلاش دیگری برای تبدیل دستاوردهای نیم‌قرن اخیر در حوزه فیزیک به سلاح در جریان بود. آلمان تنها چند ماه پس از نخستین مشاهدات تجربی از پدیده شکافت هسته‌ای در سال ۱۹۳۹ در حال بررسی کاربردهای عملی آن در پروژه‌ای بود که بعدها به نام «اوران‌پروژکت»(Uranprojekt) یا «پروژه اورانیوم» شهرت یافت.

با آغاز جنگ جهانی دوم در سپتامبر همان سال، مسیر این پژوهش‌ها به سمت اهداف ویرانگرتر تغییر کرد و رآکتورهای اولیه (یا به اصطلاح آن زمان «پایل» یا توده سوخت) متعددی در شهرهای لایپزیش، برلین و گوتو برای مطالعه این پدیده ساخته شدند.

رآکتور شماره ۸ برلین یا همان B8، ساختاری شبیه به لوستر داشت که از ۶۶۴ مکعب اورانیوم تشکیل شده بود. این مکعب‌ها در حلقه‌هایی هم‌مرکز درون حوضچه‌ای از آب سنگین چیده شده و با دیواره‌ای از گرافیت احاطه شده بودند.

نظریه حاکم بر این طرح بسیار ساده بود. اورانیوم طبیعی ترکیبی از ایزوتوپ‌های مختلف است که تنها بخش بسیار کوچکی از آنها قابلیت حفظ یک واکنش زنجیره‌ای انفجاری را دارند. وارد کردن نوترون به درون این مخلوط اورانیومی باعث می‌شود برخی از اتم‌ها به ماده‌ای با واکنش‌پذیری بالاتر مانند ایزوتوپ پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل شوند.

هسته‌های عظیم اورانیوم، صرفاً در حین فرآیند واپاشی، نوترون گسیل می‌کنند. هر نوترون آزادشده می‌تواند به‌طور بالقوه باعث واپاشی بیشتر در اتم‌های اطراف شود، اما تنها زمانی که سرعت حرکت آنها به اندازه‌ای کم باشد که هسته‌ها بتوانند آنها را جذب کنند.

اتم‌های هیدروژنِ دارای یک نوترون اضافی، یعنی همان نوعی که در «آب سنگین» یافت می‌شود، مانعی مناسب ایجاد می‌کنند تا سرعت ذراتِ پرشتاب را کاهش دهند، بی‌آنکه همه آنها را جذب کنند. احاطه کردن این مجموعه با گرافیت باعث می‌شود نوترون‌های سرگردان دوباره به چرخه واکنش بازگردند.

این فرآیند برای تولید پلوتونیوم، باید خودپایدار باشد؛ بدین معنا که آزادسازی هر نوترون باید منجر به آزادسازی دست‌کم یک نوترون دیگر شود.

با وجود اینکه رآکتور B8 پیشرفته‌ترین رآکتور هسته‌ای آلمان بود، حتی همزمان با پیشروی نیروهای متفقین به سوی پایتخت آلمان، هرگز به آستانه بحرانی ۱۰۰ درصد نرسید.

از دیدگاه هایزنبرگ، شاید مسئله کمبود مواد اولیه مطرح بوده است. ذخایر آب سنگین آنها از تنها کارخانه‌ای در نروژ تأمین می‌شد که در سال ۱۹۴۴ ویران شده بود.

با این حال، همان مقدار اندک سنگ‌ معدن اورانیوم آلمان نیز میان رآکتورهای مختلفِ این پروژه تقسیم شده بود.

هایزنبرگ در نامه‌ای به نشریه «نیچر» چنین گمانه‌زنی کرد: در عمل، از آنجا که [آب سنگین] بیشتری در دسترس نبود، اگر اورانیوم را به بخش بازتاب‌دهنده گرافیتی منتقل می‌شد، احتمالاً برای رسیدن به وضعیت بحرانی کافی بود.

از آن زمان تاکنون، پژوهشگران همواره با این پرسش مواجه بوده‌اند که چه می‌شد اگر می‌شد؟

اغلب مکعب‌های «پروژه اورانیوم» در گذر سال‌ها ناپدید شدند و سر از بازار سیاه پس از جنگ درآوردند؛ اما نه همه آنها.

«کوث» در سال ۲۰۱۳ یکی از آنها را به عنوان هدیه تولد دریافت کرد. وی که شیفته تاریخچه این مکعب شده بود، به همراه همکارش میریام هیبرت(Miriam Hiebert) محاسباتی روی ذخایر آلمان انجام دادند و دریافتند که اگر تمام آن مواد در یک مکان متمرکز می‌شد، احتمالاً برای دستیابی به وضعیت بحرانی کافی بوده است، اما حالا پس از تحقیقات بیشتر، وی دیگر چندان در این باره مطمئن نیست.

مطالعه‌ای دقیق‌تر که شامل دو نمونه از این مکعب‌ها و اسناد تاریخی می‌شد، نشان داد که محاسبات هایزنبرگ درست بوده است؛ ضریب تکثیر نوترون در رآکتور B8، اندکی کمتر از مقدار ۱۰۰ مورد نیاز برای یک واکنش خودپایدار بود. برای موفقیت کل این آزمایش، به دو برابرِ آن مقدار اورانیوم و بیش از دو برابرِ حجم آب سنگینِ موجود نیاز بود.

یافته‌های این تیم پژوهشی نشان داد که مقدار کافی از هیچ‌یک از این مواد در میان توده‌های موجود یافت نمی‌شد. با توجه به خلوص مواد در دسترس، حتی اعمال تغییراتی جزئی در آزمایش، همچون جایگزینی آب سنگین با لایه‌ای از گرافیت نیز نتیجه‌بخش نمی‌بود.

بنابراین پاسخ به این پرسش که آیا آلمان واقعاً شانسی برای ساخت بمب اتمی داشت، شاید دشوارتر باشد. شاید بتوان استدلال کرد که در جهانی دیگر، با حضور ذهن‌هایی متفاوت و اولویت‌بخشیِ بالاتر به این پروژه، چنین امری ممکن می‌بود. خوشبختانه آلمان در آن زمان موفق به انجام چنین کاری نشد، اگر نه جهانی که ما اکنون در آن زندگی می‌کنیم، شکل دیگری داشت.

این پژوهش در نشریه «PNAS Nexus» منتشر شده است.

منبع: ایسنا