山西
德国在二战期间距离制造核弹比此前认为的更远。1939年8月，阿尔伯特·爱因斯坦致信美国总统罗斯福，敦促美国加速核能和核武器的研究。他特别提到，德国已经启动相关研究。美国政府随即采取措施，最终促成了曼哈顿计划的诞生。接下来的故事，大家都已耳熟能详。二战结束后，关于诺贝尔奖得主维尔纳·海森堡领导的德国研究能否制造出可运行的核反应堆，甚至核武器，一直存在争议。
海森堡本人在1947年曾声称，德国当时已经非常接近成功，但这一说法始终缺乏证据。直到最近，这一问题才有了更清晰的答案。美国物理学家帕特里克·帕克的团队近期研究表明，德国“铀俱乐部”距离建成可运行的核反应堆，比之前认为的还要遥远，更遑论制造核武器。该研究在9月底发表于《PNAS Nexus》。1938年，德国化学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼发现了铀核裂变。
随后，丽泽·迈特纳和她的侄子奥托·弗里施解释了这一现象：每次核裂变会释放中子，这些中子又能引发其他铀原子核的裂变。由此，核链式反应的设想被提出，人们看到了其在发电和制造核武器方面的潜在用途。然而，事情并不顺利，最初的尝试都以失败告终。意大利物理学家恩里科·费米经过三年的努力，最终在1942年于芝加哥一座棒球场的看台下，成功启动了第一座核反应堆。
关键在于达到“临界状态”：核反应产生的中子数量必须等于流失的中子数量。为此，需要减缓每次裂变释放的中子，使其更容易引发其他铀原子核的裂变。费米使用石墨块来减速中子，也考虑过使用重水。重水中，普通氢被较重的氘取代，因此其化学式为D₂O。1945年4月底，美国和英国士兵拆除了位于德国海格洛赫的一座实验性核反应堆。海格洛赫距离斯图加特南部约50公里。照片左上方是负责曼哈顿计划安全事务的约翰·兰斯代尔上校。
要重现80多年前海森堡及其同事使用的实验装置，必须结合核科学考古与现代模拟、计算技术。德国那座未建成的反应堆中，原本装有1100多块铀块，如今仍有少数留存在博物馆中。战后被盟军缴获的重水也已被分析：它来自挪威诺斯克水电与化学公司的一家工厂，该厂于1944年被轰炸摧毁。研究人员利用这些资料，模拟了铀块在装有重水的反应堆中的悬挂方式，并计算了临界因子。
当临界因子为1时，链式反应恰好稳定；低于1时，反应将逐渐熄灭；高于1时，反应堆功率则会呈指数级增长。海森堡声称德国研究已达到0.95的临界因子，似乎距离目标不远。然而，最新的计算结果显示，尽管数值接近这一水平，但还需考虑其他条件。根据铀的纯度和密度，要使临界因子略高于1，铀的用量必须是实际用量的两倍。而当时的德国并没有这么多铀。
重水的供应同样严重不足。要达到所需水平，重水的用量必须超过诺斯克公司在整个战争期间的总产量的两倍。这项研究还回答了另一个长期悬而未决的问题：如果德国像费米那样使用石墨作为中子减速剂，结果会如何？答案依然不乐观。由于德国西门子公司生产的石墨纯度不高，原料来自煤炭。而美国使用石油焦生产石墨，杂质少得多。1940年1月，英国封锁德国港口，美国对德石油焦出口也因此中断。为弥补石墨中的杂质，德国所用铀必须达到更高纯度。
帕特里克·帕克团队的研究得到了马希尔·克莱曼斯的认可。克莱曼斯去年刚完成关于战后核能与核武器发展的博士研究。他评价道：“这是一项扎实的研究。尤其是发现铀的纯度和密度不达标，是很好的补充。研究以更详尽的证据支持了一个结论：战争期间，建成一座可运行的核反应堆从来都不是现实选项。”
作者：罗布·范登贝格
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