Nazi Almanyası'nın nükleer reaktörü için çok daha fazla uranyum gerekmiş

Nazi Almanyası'nın nükleer programında görev alan fizikçi Werner Heisenberg'in, deney reaktörünün çalışması için yalnızca az miktarda ek uranyum gerektiği yönündeki iddiası, ABD'li bilim insanlarının hazırladığı ayrıntılı bilgisayar modeliyle çürütüldü. Columbia Üniversitesi ve diğer kurumlardan araştırmacılar, 1945 yılında inşa edilen B8 reaktörünün bileşenlerini inceleyerek zincirleme reaksiyonun mümkün olabilmesi için çok daha fazla hammadde gerektiğini hesapladı.

Belirsizlik ilkesiyle tanınan Heisenberg, 1939'da nükleer fisyonun keşfedilmesinin hemen ardından Nazi Almanyası'nın uranyum programına (Uranverein) katılmıştı. Leipzig Üniversitesi ve Berlin'deki Kaiser Wilhelm Fizik Enstitüsü'nde uranyumdan enerji üretiminin uygulanabilirliğini kanıtlamayı amaçlayan sekiz büyük deney serisini yönetmişti. Savaş sonrasında ise müttefik istihbaratının yarattığı boşluktan yararlanarak Almanya'nın nükleer programına ilişkin kendi bakış açısını ortaya koydu.

Heisenberg, 1947'de Nature dergisinde yayımlanan yazısında Haigerloch'ta inşa edilen B8 reaktörünün kritik kütleye ulaşması için yalnızca 'nispeten az miktarda' uranyum eksik olduğunu yazmıştı. Bir yıl sonra yayımlanan bir bilimsel derlemede ise istenen sonucu elde etmek için nükleer yakıtın yaklaşık yarısı kadar daha fazlasının gerektiğini iddia etti. Bu açıklamalar dönemin tarihçilerini ve bilim insanlarını ikiye böldü: Bazıları Heisenberg'in malzeme eksikliği yönündeki iddialarına inanırken, diğerleri Almanya'nın başından itibaren yanlış tercihte bulunarak Amerikan örneğinde denenen grafit yerine ağır suyu tercih ettiğini savundu.

B8 reaktörü için gerçek malzeme hesabı

Columbia Üniversitesi'nden Patrick Park'ın liderliğindeki ekip, Nisan 1945'te tamamlanan B8 reaktörünün parçalarını analiz etti. Amaç, Alman bilim insanlarının gerçekte ne kadar çalışan bir reaktöre yaklaştığını ortaya koymaktı. Yalnızca arşiv belgelerine ve dönemin bilim insanlarının açıklamalarına dayanmak yerine, Heisenberg'in elindeki uranyum, ağır su ve grafitin özelliklerine odaklandılar.

Arşiv belgeleri ve gerçek uranyum küplerinin yardımıyla B8 reaktörünün bilgisayar modelini oluşturan araştırmacılar, uranyum yoğunluğu ve ağır su saflığını belirlemek için adli tıp yöntemlerine başvurdu. Model, 1945'teki deney verilerini taklit ederek bilim insanlarına Heisenberg'in iddialarını hesaplama yoluyla doğrulama olanağı sundu.

Yeni model, B8 reaktörünün o dönemde nükleer bilim insanlarının elinde bulunan malzemeyle hiçbir şekilde çalışmayacağını gösterdi. Heisenberg'in Haigerloch'ta kullanabileceği 664 uranyum küpü ve 1.400 litre ağır su vardı. Reaktörün konfigürasyonuna bağlı olarak, Alman ekibinin en az 1,9-2,7 kat daha fazla uranyuma ve 2,1-2,4 kat daha fazla ağır suya ihtiyaç duyacağı ortaya çıktı. Bilim insanları, nükleer programın Almanya ve Norveç'teki tüm stokları toplaması durumunda bile hammaddeden yine de eksik kalacağını belirtti.

Fizikçiler, sistemin yüzde yüz saf ağır suyla bile çok daha büyük yakıt miktarına ihtiyaç duyacağını, Alman savaş sanayisinin gerekli malzemeyi üretemediğini kaydetti.

Grafit seçeneği ve ekonomik kısıtlar

Bazı tarihçiler, Almanların ağır su yerine karbon kullanabileceğini öne sürmüştü. Amerikalılar ilk reaktörlerini petrol kokundan elde edilen saf grafit sayesinde çalıştırmıştı. Petrol ablukası Almanları uygun hammaddeden yoksun bırakmış ve kömürden elde edilen alternatifle yetinmek zorunda bırakmıştı.

Araştırmacıların modeli, Alman grafitinin sürekli zincirleme reaksiyon için nötron emen çok fazla bor içerdiğini doğruladı. Ekip, farklı uranyum ve grafit oranlarını sanal ortamda test etti ve dönemin Alman hammaddesiyle hiçbir düzenekte zincirleme reaksiyonun oluşmadığını buldu. Saf grafitin Amerikalılara önemli bir avantaj sağladığı belirtildi.

Araştırmacılar ayrıca Almanya ekonomisinin yapısal sorunlarına dikkat çekti: Nükleer programın doğası, dönemin Almanya'sının sanayi öncelikleriyle doğrudan çelişiyordu. Grafit fabrikaları, savaş makinesi ve çelik sanayisinin ihtiyaçlarıyla rekabet ediyordu.

Araştırmanın bazı sınırlamaları da bulunuyor. Nükleer model kısmen arşiv malzemelerine dayanıyor ve fizikçiler gerçek örnekleri laboratuvarda yıllar sonra inceledi. Araştırmacılar, verilerinde grafit içinde kalan bor miktarının diğer minerallerle birlikte azaldığını varsaydı. Dönemde kullanılan ağır suyun kesin saflığına ilişkin tahmin ise 1947'deki laboratuvar analizine dayanıyor. Yazarlar, suyun bu sürede ne kadar kirlendiğini tam olarak bilmediklerini ve bu durumun hesaplamalarda küçük bir yanılgı payı bıraktığını ekledi. Ancak fiziksel malzeme eksikliğine ilişkin genel tablo olgusal temelde kalıyor. Kullanılan nükleer arkeoloji yöntemlerinin, Nazi Almanyası'nın nükleer projesinin gerçek durumuna ilişkin en net yanıtı verdiği belirtiliyor.