Физик Гитлера ошибался: исследователи раскрыли истинное состояние нацистской ядерной программы

Во время Второй мировой войны США спешили создать атомную бомбу, опасаясь, что нацистская Германия сделает это первой. Однако новое исследование показало, что немецкие физики были гораздо дальше от успеха, чем утверждал руководитель их ядерного проекта Вернер Гейзенберг. Учёные изучили сохранившиеся урановые кубы и выяснили, что последнему немецкому экспериментальному реактору не хватало огромного количества материалов, получить которые Германия в условиях войны не могла.

Американский Манхэттенский проект отчасти возник именно из-за опасений, что Германия первой освоит создание ядерного оружия. Одним из возможных путей к атомной бомбе было строительство реактора, способного производить плутоний — радиоактивный элемент, пригодный для изготовления ядерного оружия.

Работа такого реактора основана на делении ядер урана. При распаде атомного ядра высвобождается энергия и образуются нейтроны — частицы, которые могут вызывать деление других ядер. Если каждый этап реакции создаёт достаточно нейтронов для продолжения следующего, возникает самоподдерживающаяся цепная реакция.

В нацистской Германии подобными исследованиями занимались в рамках так называемого Уранового проекта. Последней попыткой создать действующий реактор стала экспериментальная установка B8, построенная в 1945 году под руководством Вернера Гейзенберга.

Её конструкция была необычной: кубы из природного урана подвешивались в тяжёлой воде. Именно она должна была обеспечить условия для устойчивой цепной реакции.

Тяжёлая вода внешне практически не отличается от обычной, однако атомы водорода в её составе содержат дополнительный нейтрон. Благодаря этому она обладает свойствами, необходимыми для работы некоторых типов ядерных реакторов.

В установке Гейзенберга тяжёлая вода выполняла роль замедлителя нейтронов. Дело в том, что медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают новые реакции деления ядер урана. Замедляя частицы, можно повысить вероятность возникновения устойчивой цепной реакции.

Однако получить необходимое количество тяжёлой воды Германия не могла.

Во время войны единственным европейским предприятием, способным снабжать немецкую ядерную программу этим материалом, был завод Norsk Hydro в норвежском Веморке. После оккупации Норвегии в апреле 1940 года предприятие оказалось под немецким контролем.

Союзники понимали значение завода для нацистских ядерных исследований, поэтому организовывали диверсии и бомбардировки, направленные на прекращение производства тяжёлой воды. 16 ноября 1943 года американская авиация нанесла по Веморку мощный удар, который способствовал последующему прекращению выпуска этого материала.

В 1945 году американские войска обнаружили и демонтировали экспериментальный реактор B8. Выяснилось, что установка так и не достигла критического состояния — момента, когда ядерная цепная реакция становится самоподдерживающейся.

Несмотря на название, критическое состояние не означает, что реактор находится на грани взрыва. Это нормальный физический режим, при котором каждое поколение реакций деления создаёт достаточно нейтронов, чтобы поддерживать следующее без внешнего источника.

Гейзенберг впоследствии утверждал, что его установка находилась совсем близко к достижению этого состояния. По его оценке, для запуска полноценной цепной реакции требовалось лишь относительно небольшое увеличение количества урана.

Однако исследовательская группа под руководством Тимоти Кёта пришла к совершенно другим выводам.

Учёные исследовали два сохранившихся куба из природного урана, использовавшихся в немецкой ядерной программе. Кроме того, они проанализировали исторические документы, технические отчёты, переписку и архивные материалы, чтобы восстановить характеристики установки B8 и определить, какие условия были необходимы для её работы.

Расчёты показали, что Гейзенберг значительно недооценивал масштаб проблемы. Для достижения устойчивой цепной реакции немецкому реактору требовалось примерно вдвое больше урана и более чем вдвое больше тяжёлой воды, чем находилось в установке.

Таких запасов у Германии во время войны попросту не было. Особенно серьёзной проблемой оставалась тяжёлая вода: объём, необходимый для работы реактора, значительно превышал возможности немецкой программы по её получению из Норвегии.

Исследователи также проверили, могли ли немецкие физики обойти эту проблему, заменив тяжёлую воду графитом. Эта форма углерода тоже способна замедлять нейтроны и использоваться в ядерных реакторах.

Более того, именно такой подход уже успешно применили американские учёные. В 1942 году они впервые в мире осуществили управляемую самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию в установке с графитовым замедлителем.

Но у Германии существовало ещё одно препятствие. Графит, доступный на контролируемых ею территориях, содержал примеси, которые делали его непригодным для аналогичного применения.

Особенно опасным оказался бор. Даже его следовые количества способны поглощать нейтроны, которые должны поддерживать цепную реакцию. В результате значительная часть необходимых частиц терялась, и реактор не мог достичь критического состояния.

Таким образом, простая замена тяжёлой воды графитом не решала проблему. Для этого немецким физикам потребовался бы материал с другими характеристиками, которого у них не было.

Полученные результаты существенно меняют представление о том, насколько близко нацистская Германия подошла к созданию работающего ядерного реактора.

Если верить утверждениям Гейзенберга, немецким исследователям оставалось лишь немного увеличить количество урана, чтобы добиться успеха. Но новые расчёты показывают, что необходимые изменения были гораздо масштабнее и выходили за пределы доступных Германии ресурсов.

Исследователи заключили, что с учётом существовавших во время Второй мировой войны конструкций и имеющихся материалов Германия не располагала возможностями для запуска ни реактора с тяжёлой водой, ни альтернативной установки с графитовым замедлителем.

Это также объясняет, почему немецкая ядерная программа так и не смогла перейти от экспериментальных установок к полноценному реактору, способному производить материал для атомной бомбы.

Спустя более 80 лет после окончания войны два сохранившихся урановых куба помогли прояснить давний исторический вопрос. Оказалось, что немецкие физики находились вовсе не в одном шаге от успеха: для достижения даже промежуточной цели на пути к атомному оружию им не хватало ресурсов, которые в военных условиях были недоступны.