Historia energetyki jądrowej i wyścigu zbrojeń podczas II wojny światowej pełna jest zwrotów akcji, które mogły całkowicie zmienić losy świata. Jednym z najbardziej brzemiennych w skutkach momentów była decyzja niemieckich naukowców o porzuceniu grafitu jako moderatora w reaktorach jądrowych. Choć dziś wiemy, że grafit jest doskonałym materiałem do spowalniania neutronów, błąd popełniony w 1941 roku przez jednego z najwybitniejszych fizyków III Rzeszy skierował niemiecki program atomowy na ślepy tor.

Czym właściwie jest moderator i dlaczego był tak ważny?

Zanim przejdziemy do samych przyczyn rezygnacji, warto zrozumieć fizykę stojącą za tym procesem. Aby doszło do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej w naturalnym uranie, neutrony uwalniane podczas rozszczepienia jąder atomowych muszą zostać spowolnione. Szybkie neutrony rzadziej trafiają w jądra uranu-235, "przelatując" obok nich. Materiał, który je spowalnia, nazywamy moderatorem.

Idealny moderator powinien mieć dwie cechy:

1. Skutecznie spowalniać neutrony poprzez zderzenia (podobnie jak kula bilardowa spowalnia po uderzeniu w inną kulę).
2. Nie pochłaniać neutronów (aby mogły one dalej wywoływać rozszczepienie).

W latach 40. XX wieku naukowcy brali pod uwagę dwa główne materiały: grafit oraz ciężką wodę (~$D_2O~#$).

Fatalny błąd Walthera Bothego

Główną przyczyną rezygnacji z grafitu był błąd eksperymentalny popełniony przez Walthera Bothego, wybitnego fizyka, który później otrzymał Nagrodę Nobla. W styczniu 1941 roku Bothe przeprowadził pomiary przekroju czynnego na pochłanianie neutronów przez grafit. Jego wyniki wskazały, że grafit pochłania zbyt wiele neutronów, by mógł służyć jako efektywny moderator w reaktorze zasilanym naturalnym uranem.

Gdzie leżał problem? Bothe nie wziął pod uwagę zanieczyszczeń. Grafit użyty do testów zawierał śladowe ilości boru – pierwiastka, który jest "gąbką" na neutrony. Nawet jedna część boru na pół miliona części grafitu wystarczy, by zdyskwalifikować ten materiał jako moderator. Niemiecki przemysł chemiczny nie dostarczył wystarczająco czystego materiału, a Bothe uznał, że to cecha samego węgla, a nie zanieczyszczeń.

Co ciekawe, w tym samym czasie w USA Leo Szilard i Enrico Fermi również napotkali ten problem. Szilard jednak domyślił się, że winny jest bor (pochodzący z elektrod używanych przy produkcji grafitu) i wymusił na producentach dostarczenie ultra-czystego materiału. To pozwoliło Amerykanom zbudować pierwszy reaktor (Chicago Pile-1) właśnie w oparciu o grafit.

Skutki rezygnacji: Pułapka ciężkiej wody

Decyzja o odrzuceniu grafitu miała katastrofalne skutki dla niemieckiego programu jądrowego (tzw. Uranverein). Niemcy uznali, że jedyną alternatywą jest ciężka woda. To z kolei wywołało szereg problemów:

Uzależnienie od jednego źródła

Produkcja ciężkiej wody była niezwykle trudna i kosztowna. Jedynym zakładem na świecie zdolnym do jej wytwarzania na skalę przemysłową była fabryka Norsk Hydro w Vemork w okupowanej Norwegii. Niemiecki program atomowy stał się całkowicie zależny od dostaw z tego jednego miejsca.

Sabotaż i "Bitwa o ciężką wodę"

Alianci szybko zdali sobie sprawę z wagi norweskiej fabryki. Seria brawurowych akcji sabotażowych (m.in. operacja "Gunnerside") oraz bombardowania lotnicze skutecznie paraliżowały produkcję. Ostateczne zniszczenie transportu ciężkiej wody na promie SF Hydro w 1944 roku przypieczętowało los niemieckich badań.

Brak działającego reaktora

Z powodu chronicznych braków moderatora, Werner Heisenberg i jego zespół nigdy nie zdołali osiągnąć stanu krytycznego w swoich prototypowych reaktorach (takich jak model B-VIII w Haigerloch). Kiedy pod koniec wojny Amerykanie przejęli niemieckie laboratoria, odkryli, że Niemcy byli o lata świetlne za projektem Manhattan.

Czy Niemcy mogli zbudować bombę?

Często pojawia się pytanie, czy gdyby nie błąd Bothego, III Rzesza dysponowałaby bronią atomową. Większość historyków uważa, że sama zmiana moderatora na grafit mogłaby nie wystarczyć. Niemiecki program był niedofinansowany, rozproszony między rywalizujące ze sobą grupy badawcze i cierpiał na braki kadrowe (wielu wybitnych fizyków pochodzenia żydowskiego wyemigrowało do USA).

Niemniej jednak, rezygnacja z grafitu była "gwoździem do trumny". Zamiast korzystać z powszechnie dostępnego węgla, naukowcy III Rzeszy uwiązali się przy rzadkiej i trudnej do zdobycia ciężkiej wodzie, co ostatecznie uniemożliwiło im stworzenie nawet eksperymentalnego stosu atomowego.

Ciekawostka: Grafit dziś

Dziś grafit jest standardem w wielu typach reaktorów, np. w brytyjskich reaktorach typu AGR (Advanced Gas-cooled Reactor) czy niesławnych radzieckich RBMK (jak w Czarnobylu). Choć ma on swoje wady (może się zapalić w ekstremalnych warunkach), jego dostępność i właściwości moderujące sprawiły, że stał się fundamentem wczesnej ery atomowej – o ile tylko pamięta się o jego dokładnym oczyszczeniu z boru.