揭开纳粹德国核计划失败真相的铀方块

【原子弹竞赛】
二战期间，美国为研发核武器实施了绝密的曼哈顿计划，其中一个动机是担心纳粹德国可能抢先取得突破。当时科学家们意识到，谁先成功，谁就可能获得前所未有的军事优势。
制造原子弹的一条可能路径，是建造能够生产钚的反应堆。钚是一种放射性元素，可用于核武器。在反应堆中，铀原子会发生核裂变，即原子核分裂并释放能量，同时放出中子。在适当条件下，这些中子会继续引发更多裂变，形成持续链式反应。
纳粹德国曾推进一个称为“铀计划”的核研究项目，但历史学家长期争论其科学家距离造出可用反应堆有多近。德国最后的尝试是1945年在物理学家维尔纳·海森堡主导下建造的实验性反应堆，被称为B8堆。该装置将天然铀立方体悬浮在重水中。重水是一种特殊液体，在控制核反应中起关键作用。
重水看起来与普通水相似，但其中的氢原子多了一个中子。这个细微差别使它在某些核反应堆中非常有用。在反应堆中，重水作为中子慢化剂，把裂变释放出来的快中子减速。较慢的中子更容易继续引发铀的裂变，从而帮助维持一个可用反应堆所需的链式反应。
但对德国来说，获取足够重水是大难题。二战期间，唯一能为德国项目提供所需重水的欧洲设施，是挪威韦莫克的挪威水电公司工厂。1940年4月德国占领挪威后控制了该设施。盟军认识到这里对德国核计划的重要性，便通过破坏和轰炸进行打击。1943年11月16日，一次大型美国轰炸行动袭击了韦莫克，加速了当地重水生产的最终停止。
【科学家重新研究希特勒的最后核反应堆】
1945年，美军发现并拆解了B8反应堆，但它从未达到临界状态。在核物理中，临界指链式反应能够自我维持的状态：每一代裂变反应产生的中子，足以引发下一轮裂变。达到这一门槛是运行常规核反应堆的基本要求。尽管名为临界，它并不意味着反应堆即将爆炸；它只表示核链式反应可以在不依赖外部中子源的情况下继续进行。
领导德国反应堆工作的海森堡一直认为，B8实验已经接近达到这一里程碑。他的说法是，该装置只需相对少量地增加铀供应，就能开始运行。
但由蒂莫西·科特及其同事主导的新研究对这一判断提出质疑。研究人员检查了两块仍保留下来的、曾用于德国核项目的天然铀立方体。他们还研究历史记录、技术报告、往来信件等档案资料，重构反应堆的能力，并确定它要工作还需要什么。研究结果描绘出德国核进展的不同图景。
【大量铀和重水短缺】
根据研究人员计算，B8反应堆若要实现持续核链式反应，大约需要两倍于实际装填量的铀，以及两倍以上的重水。所需材料数量超过了德国战时可用资源。尤其是，能让反应堆正常运行的重水量，远远超出德国项目从挪威供应线能获得的数量。
研究人员还检查了德国科学家是否可能通过使用石墨来避免重水短缺。石墨是一种碳形态，也能在核反应堆中减缓中子速度。这一路线曾在美国科学家那里成功：1942年，美国科学家利用石墨慢化反应堆，实现了世界上第一次可控、持续的核链式反应。
然而，德国控制区可用的石墨含有杂质，不适合同样用途。尤其是硼的微量存在会吸收本来有助于维持反应的中子，使反应堆无法达到临界。因此，德国不能简单地用石墨替代重水来克服供应困难。
【纳粹德国核计划为何注定失败】
这些发现表明，海森堡严重低估了他的反应堆还需要多少额外材料。德国科学家并非站在一台可运行核反应堆的门槛前，而是面对凭当时可用资源无法克服的材料短缺。该研究也为德国核计划为何未能从实验性反应堆设计过渡到能生产原子弹材料的工作反应堆，提供了更清晰的解释。根据二战期间的设计与可用材料，研究人员得出结论：纳粹德国缺乏使其重水反应堆或石墨替代方案投入运行的资源。战后八十多年，这些幸存的铀立方体帮助解答了一个长期悬而未决的历史问题，也揭示了纳粹德国距离建成原子弹关键一步仍有相当遥远。