Οι Ναζί δεν γνώριζαν πως να κατασκευάσουν ατομική βόμβα

Posted on 21/09/2015

0


Αριστερά: κύβος του Heisenberg (5cm σε κάθε διεύθυνση)

Αριστερά: ένας κύβος του Heisenberg (5cm σε κάθε διεύθυνση). Δεξιά: μια πλάκα του Wirtz (η βάση είναι 18cm και το πάχος 1cm)

Δείγματα ουρανίου με τα οποία πειραματιζόταν τη δεκαετία του 1940 ο μεγάλος φυσικός Βέρνερ Χάιζενμπεργκ μαρτυρούν ότι η ναζιστική γερμανία δεν είχε πετύχει αυτοσυντηρούμενες αλυσιδωτές αντιδράσεις και επομένως δεν βρισκόταν κοντά στην ανάπτυξη πυρηνικών όπλων, αναφέρει διεθνής ερευνητική ομάδα.

Διαβάστε επίσης: Γνώριζε ή όχι πώς να κατασκευάσει μια ατομική βόμβα ο πατέρας της Αρχής της Αβεβαιότητας Werner Heisenberg;

Το γερμανικό πρόγραμμα ανάπτυξης πυρηνικών όπλων, γνωστό ως Uranprojekt, ξεκίνησε το 1939, λίγους μήνες μετά την ανακάλυψη της ραδιενεργού διάσπασης από τον Ότο Χαν και τον Φριτς Στράσμαν στο Βερολίνο.

H εξέλιξη αυτή θορύβησε τις ΗΠΑ, ειδικά μετά την περιβόητη επιστολή που συνυπέγραφε ο Άλμπερτ Αϊνστάν και η οποία προειδοποιούσε τον αμερικανό πρόεδρο Φράνκλιν Ρούσβελτ πως έπρεπε να βιαστεί για να προλάβει τους Γερμανούς.

Το αμερικανικό Πρόγραμμα Μανχάταν, το οποίο έδωσε τα πρώτα πυρηνικά όπλα, ξεκίνησε λίγο αργότερα το 1939 και σταδιακά επεκτάθηκε με το προσωπικό του να φτάνει τους 130.000 εργαζομένους.

Περίπου ένα χρόνο νωρίτερα, το 1938 στο Σικάγο, ο ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι πέτυχε για πρώτη φορά να προκαλέσει μια αυτοτροφοδοτούμενη αλυσιδωτή αντίδραση, η οποία βρίσκεται στην καρδιά τόσο των πυρηνικών όπλων όσο και των αντιδραστήρων για την παραγωγή ενέργειας.

H σχάση ενός πυρήνα U-235

Από την σχάση ενός πυρήνα U-235 με ένα νετρόνιο, προκύπτουν οι πυρήνες Kr-92 και Ba-141 και 3 νετρόνια.

Μια τέτοια αντίδραση μπορεί να ξεκινήσει με ένα από τα ισότοπα του ουρανίου, το ουράνιο-235. Όταν βομβαρδιστεί με νετρόνια, το ουράνιο-235 μετατρέπεται σε ένα ασταθές ισότοπο ουρανίου-236, το οποίο διασπάται αυθόρμητα σε ελαφρύτερα στοιχεία και απελευθερώνει μεγάλα ποσά ενέργειας. Απελευθερώνει όμως και νετρόνια, τα οποία συνεχίζουν την αντίδραση από την αρχή. Η αντίδραση τροφοδοτεί έτσι τον εαυτό της.

Πίσω στη Γερμανία, ομάδα σημαντικών επιστημόνων όπως ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ πειραματιζόταν με το ουράνιο για την ανάπτυξη όπλων και αντιδραστήρων. Τα περισσότερα από τα δείγματά τους έπεσαν στα χέρια των Συμμάχων το 1945, έκτοτε όμως ήρθαν στην επιφάνεια κι άλλα.

Η νέα μελέτη εξετάζει τρία από αυτά τα νέα δείγματα: κονιορτοποιημένο ουράνιο από έναν «κύβο του Χάιζενμπεργκ» -ουσιαστικά έναν κύβο καθαρού ουρανίου· ένα μικρό τμήμα από έναν δεύτερο κύβο του Χάιζενμπεργκ· και μερικά τμήματα μιας «πλάκας του Βιρτζ» -μιας πλάκας ουρανίου που βαφτίστηκε προς τιμήν του Καρλ Βιρτς, συνεργάτη του Χάιζενμπεργκ.

Η τελευταία μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στην γερμανική επιθεώρηση Angewandte Chemie, πραγματοποιήθηκε από τη διεθνή ομάδα της Μαρία Βαλένιους, ραδιοχημικού στο Κοινό Κέντρο Έρευνας της Ευρωπαϊκής Επιτροπής.

Ένα πρώτο βασικό μέλημα ήταν η επιβεβαίωση της προέλευσης των δειγμάτων. Οι ερευνητές υπολόγισαν την ηλικία τους μετρώντας τη μεταστοιχείωση ενός συγκεκριμένου ισοτόπου του ουρανίου στο στοιχείο θόριο. Η ανάλυση έδειξε ότι οι κύβοι παρήχθησαν το δεύτερο εξάμηνο του 1943, ενώ οι πλάκες είχαν προηγηθεί περίπου τρία χρόνια νωρίτερα. Αυτό βρίσκεται σε συμφωνία με αναφορές σύμφωνα με τις οποίες ο Χάιζενμπεργκ εργάστηκε αρχικά με πλάκες και αργότερα με κύβους.

Η ερευνητική ομάδα κατάφερε ακόμα και να προσδιορίσει την προέλευση των δειγμάτων: τα ισότοπα στροντίου και διάφορες σπάνιες γαίες στους κύβους και τις πλάκες μαρτυρούν ότι το ουράνιο προήλθε από την περιοχή του Γιάσιμοφ στην περιοχή της σημερινής Τσεχίας, η οποία βρισκόταν τότε υπό γερμανική κατοχή (όπως μάλιστα σχολιάζει το Forbes, η πόλη του Γιάσιμοφ επανευφηύρε έκτοτε τον εαυτό της ως λουτρόπολη που υδροδοτείται από τα παλιά ορυχεία ουρανίου.

Το μεγάλο ερώτημα όμως ήταν το εάν οι Γερμανοί είχαν πετύχει αυτοτροφοδοτούμενες αλυσιδωτές αντιδράσεις. Αν αυτό είχε συμβεί, ο βομβαρδισμός του ουρανίου με νετρόνια θα είχε δημιουργήσει αυξημένες ποσότητες των ισοτόπων ουράνιο-236 (από ουράνιο-235) και πλουτώνιο-239 (από ουράνιο-238).

Η ανάλυση όμως έδειξε ότι τα δύο αυτά ισότοπα υπήρχαν στις συγκεντρώσεις που θα περίμενε κανείς να συναντήσει στο φυσικό ουράνιο. Και αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι είναι απίθανο να υπήρξε αλυσιδωτή αντίδραση.

Όπως αναφέρει η ερευνητική ομάδα σε ανακοίνωσή της, «τα πειραματικά αποτελέσματα υποστηρίζουν ιστορικές αναφορές ότι τα γερμανικά πειράματα δεν οδήγησαν σε αυτοτροφοδοτούμενη πυρηνική αντίδραση».

Όπως όλοι γνωρίζουν, οι πρώτες ατομικές βόμβες αναπτύχθηκαν στις ΗΠΑ και χρησιμοποιήθηκαν κατά της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι το 1945. Ήταν μια εξέλιξη στην οποία έπαιξε βασικό ρόλο ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ο οποίος κέρδισε «άφεση αμαρτιών» μετά τον πόλεμο προκειμένου να συμμετάσχει στο Πρόγραμμα Μανχάταν.

Η Γερμανία φαίνεται ότι βρισκόταν πολύ πίσω στις πυρηνικές της προσπάθειες. Αν όμως είχε προλάβει τους Αμερικανούς, ο παγκόσμιος χάρτης θα ήταν σήμερα πολύ διαφορετικός. Βαγγέλης Πρατικάκης – news.in.gr

Πως κατασκευάζεται μια ατομική βόμβα

Για να κατασκευάσει κανείς μια ατομική βόμβα θα πρέπει πρώτα να αποκτήσει την κατάλληλη ποσότητα σχάσιμου υλικού. 
Έστω μια συσκευή συγκεκριμένων διαστάσεων που περιέχει ικανή ποσότητα σχάσιμων πυρήνων (π.χ. ουρανίου), ώστε να είναι δυνατή μέσα σ’ αυτή η πραγματοποίηση αλυσωτών αντιδράσεων σχάσης.
Η ποσότητα του σχάσιμου υλικού, όπως το ουράνιο, χαρακτηρίζεται από το μέγεθος k, τον συντελεστή πολλαπλασιασμού, που ορίζεται ως το πηλίκο του ρυθμού παραγωγής νετρονίων προς τον ρυθμό απώλειας νετρονίων.
Όταν το k είναι ίσο με τη μονάδα, ο ρυθμός παραγωγής είναι ίσος με τον ρυθμό απώλειας νετρονίων και ο αριθμός των νετρονίων μέσα στη συσκευή παραμένει σταθερός στον χρόνο. Συνεπώς και ο αριθμός των σχάσεων, οπότε και ο ρυθμός παραγωγής θερμικής ενέργειας, παραμένουν σταθεροί στον χρόνο. Λέμε τότε ότι η συσκευή σχάσης είναι κρίσιμη.
Όταν ο συντελεστής k είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα, ο ρυθμός παραγωγής είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό απώλειας νετρονίων. Kατά συνέπεια, ο αριθμός νετρονίων αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Επομένως και ο αριθμός των σχάσεων, άρα και ο ρυθμός παραγωγής ενέργειας, αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου. Λέμε τότε ότι η συσκευή είναι υπερκρίσιμη.
Όταν ο k είναι μικρότερος από την μονάδα, ο αριθμός των νετρονίων, άρα και ο ρυθμός παραγωγής ενέργειας, μειώνεται με τον χρόνο. Λέμε τότε ότι η συσκευή σχάσης είναι υποκρίσιμη.
Ο συντελεστής k εξαρτάται από τα υλικά, τις διαστάσεις και την γεωμετρία της συσκευής, από την ποσότητα αλλά και την πυκνότητα των σχάσιμων πυρήνων, όπως π.χ. του ουρανίου-235.
Για δεδομένη δομή, γεωμετρία και υλικά της συσκευής, η ποσότητα μάζας από σχάσιμους πυρήνες και η οποία απαιτείται για να είναι η συσκευή κρίσιμη ονομάζεται κρίσιμη μάζα

Η κρίσιμη μάζα εξαρτάται από την δομή και την γεωμετρία της συσκευής. Η κρίσιμη μάζα μιας «γυμνής» σφαίρας είναι περίπου 50 χιλιόγραμμα καθαρού ουρανίου-235 ή 10 χιλιόγραμμα καθαρού πλουτωνίου-239. 
Γυμνή ονομάζεται μια συσκευή σχάσης όταν το σχάσιμο υλικό δεν περιβάλλεται από άλλο υλικό, οπότε κάθε νετρόνιο που διαφεύγει από το σχάσιμο υλικό δεν είναι δυνατόν να επιστρέψει πίσω σ’ αυτό και αποτελεί οριστική απώλεια ως προς την αλυσωτή αντίδραση σχάσης. 
Περιβάλλοντας την συσκευή με κατάλληλο υλικό, τότε κάποια νετρόνια που διαφεύγουν από το σχάσιμο υλικό ανακλώνται (για αυτό το υλικό ονομάζεται ανακλαστής) και επιστρέφουν στο σχάσιμο υλικό. Τα νετρόνια που διαφεύγουν και από τον ανακλαστή αποτελούν οριστικές απώλειες. 
Με την τοποθέτηση του ανακλαστή γίνεται οικονομία νετρονίων, οπότε και η κρίσιμη μάζα, η μάζα σχάσιμου υλικού που απαιτείται για να έχουμε κρίσιμη συσκευή, είναι μικρότερη από αυτήν της γυμνής συσκευής.
Το μόνο φυσικό σχάσιμο υλικό είναι το ουράνιο-235 και αυτό βρίσκεται στο φυσικό ουράνιο σε αναλογία μάζας 0,7%. Το υπόλοιπο είναι ουράνιο-238, που δεν είναι σχάσιμο. Με φυσικό ουράνιο είναι αδύνατον να κατασκευάσει κανείς ακόμη και κρίσιμο σύστημα με διαστάσεις και βάρος που να μπορεί να «μεταφερθεί» στον στόχο.

Κατά συνέπεια υπάρχουν δυο εναλλακτικές λύσεις ως προς αυτό το το πρόβλημα κατασκευής βόμβας:
(α) Να αυξηθεί η ποσότητα του φυσικού ουρανίου σε ουράνιο-235 από 0,7% σε πολύ μεγαλύτερο ποσοστό.
Αυτός όμως ο εμπλουτισμός δεν μπορεί να γίνει με χημικές μεθόδους, εφόσον τα ισότοπα έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες.
Μπορεί όμως να επιτευχθεί με φυσικές μεθόδους που στηρίζονται στο γεγονός ότι η μάζα του πυρήνα U-238 είναι μεγαλύτερη από την μάζα του U-235.
Όμως για να επιτευχθεί η αυτό απαιτείται πολύ εξειδικευμένη τεχνογνωσία και τεχνολογία, η οποία είναι εξαιρετικά δαπανηρή και ενεργοβόρα. Εγκαταστάσεις εμπλουτισμού ανέπτυξαν με κύριο σκοπό την παραγωγή υλικού για τη βόμβα οι ΗΠΑ και η Σοβιετική Ένωση.
Οι συνήθεις περιεκτικότητες ουρανίου-235 στους πυρηνικούς αντιδραστήρες ισχύος είναι περίπου 3% που είναι εντελώς ανεπαρκείς για βόμβα.
(β) Εναλλακτικά, παράγεται η απαραίτητη ποσότητα πλουτωνίου-239. Αυτό δε βρίσκεται στη φύση σε αξιόλογες ποσότητες, είναι προϊόν της ανθρώπινης τεχνολογίας. Όταν πυρήνας ουρανίου-238 απορροφήσει ένα νετρόνιο, μεταστοιχειώνεται σε πλουτώνιο-239. Θα πρέπει λοιπόν να έχει κανείς ισχυρή πηγή νετρονίων, εν προκειμένω πυρηνικό αντιδραστήρα κατάλληλα σχεδιασμένο, ώστε βομβαρδίζοντας ουράνιο-238 να παράγει ικανή ποσότητα πλουτωνίου-239 σε εύλογο χρονικό διάστημα.
Τέτοιους αντιδραστήρες ανέπτυξαν η Γαλλία και το Ηνωμένο Βασίλειο μετά τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο, όταν οι ΗΠΑ αρνήθηκαν να μοιραστούν μαζί τους τα σχετική τεχνογνωσία και να τους δίνουν το «υλικό» για τη βόμβα. Οι αντιδραστήρες αυτοί σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να λειτουργούν με φυσικό ουράνιο. Και το μεν ουράνιο-235 εξασφαλίζει την λειτουργία (την κρισιμότητα) του αντιδραστήρα από δε το ουράνιο-238 παράγεται το σχάσιμο πλουτώνιο-239.
Χρειάζεται μερικά χρόνια λειτουργίας ενός τέτοιου αντιδραστήρα για να παραχθεί ποσότητα πλουτωνίου-239 ικανή για μια βόμβα. Το πλουτώνιο-239 που παρήχθη έτσι βρίσκεται σε ένα μίγμα που, εκτός από πλουτώνιο-239, περιέχει ουράνιο-235, ουράνιο-238 και τα κατάλοιπα της σχάσης, δηλαδή υλικά άκρως ραδιενεργά. Πρέπει λοιπόν να αποσπάσει κανείς από το μίγμα αυτό το πλουτώνιο-239, να το διαχωρίσει από τα υπόλοιπα υλικά. Και εδώ χρειάζεται εξαιρετικά προηγμένη και δαπανηρή τεχνολογία. 

Όπως συμπεραίνουμε από τα παραπάνω, το πρώτο βήμα για την κατασκευή της ατομικής βόμβας – η δημιουργία ικανής ποσότητα σχάσιμου υλικού – είναι μια τρομερά δύσκολη υπόθεση, που αρκεί να αποθαρρύνει και τον πλέον φιλόδοξο «ατομικό» βομβιστή.
Πηγή: «Ραδιενέργεια σε απλά ελληνικά», Μ. Αντωνόπουλος-Ντάμης, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης – Ε.ΚΕ.ΦΕ. «Δημόκριτος