【軍事博評】William:《奧本海默》之外——為何納粹沒法造出原子彈?

2023-08-01 07:49:57 最後更新日期:2023-08-01 11:43:30
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 91b062b在相當長時間內都被世人當成是納粹德國核計劃領軍人物維爾納·海森堡,不過因為他的角色正正和奧本海默相差很遠,今天我們也「幸運地」看不到一齣名為《海森堡》的大德意志電影……(網絡圖片)

 

電影《奧本海默》以相對冷辟的科學題材及傳記式電影,成為近期票房焦點和民間討論話題,且連帶也帶起各地對於科學史與二戰史的討論,實屬可喜可賀。小弟上星期因為不在香港且也未有時間看電影,就暫且不作影評。不過這電影其實也帶出一個歷史疑問:就算很多頂尖猶太裔物理學家給納粹黨趕跑了,但德國仍是歐洲大學核子物理學的核心國家,而且根據歷史紀錄,德國物理學家開始探討核裂變的軍事應用,至少早美國半年時間,為何最後是美國成功而德國失敗?包括國力 / 工業能力差距在內,原因可能很多很多,但大部分人都沒能說出根本原因……

91b062b2現收藏於普朗克研究所的國防軍陸軍軍械局《Energiegewinnung aus Uran》報告最完整版本。當中包括海森堡手繪的鈾機器中快中子與慢中子引發的裂變反應,以及當時尚未運行的B3反應堆結構草圖與照片。(圖片來自連結)

 

1942年2月國防軍陸軍部軍械局編輯的報告《Energiegewinnung aus Uran》其實是研究二戰早期納粹德國核計劃的重要史料,尤其是下有述的「鈾俱樂部」的研究成果報告,但因為戰亂關係,戰後餘下的拷貝不超過3本且相當殘缺,唯一比較完整的還收納在普朗克學會的資料庫中,很難讓人接觸到;美軍 ALSOS科學顧問團 / 特種部隊所找到的也只是缺本,並將其翻譯過來。近年,有學者重頭研究過報告內容及用詞等,發現一些特別的地方。本文將綜合核物理學家Manfred Popp 2016年關於Energiegewinnung aus Uran》的再研究及其他資料,再探討為何納粹原子彈計劃一開始就失敗。

nuclearfission可裂變物質有較高機率自發發放中子,在密度高的環境(如裂變物質內)有機會撞到另一個可裂變物質原子核並讓其裂變,除產生新物質外,也會產生能量及多個新中子。假若可裂變物質密度與質量足夠,裂變的物質所發放的中子至少保證有一個可撞上其他原子核,保持持續穩定釋放能量與中子,這就是所謂臨界反應;若密度進一步提高甚至大幅提高(如受到以內爆或高速撞擊所引發的超壓擠壓),原子核被撞擊後放出的所有中子都可撞上其他原子核,那反應會在每一次撞擊後以幾何級數提高,最終在百萬份之一秒內釋放巨大能量,這就是核武器的超臨界連鎖反應。而為讓爆炸更劇裂及核物質消耗更完全,核武器會再加入鈹這類中子源及加設中子反射層,以讓更多中子參與反應。(網絡圖片)

 

「鈾俱樂部」只是俱樂部?

納粹德國的科學家奧托·哈恩(Otto Hahn)和弗里德里希·威廉·施特拉斯曼(Friedrich Wilhelm Straßmann)等於1938年發現核裂變現象後,帝國教育、科學與文化部即收到理論物理學家喬格·朱斯(Georg Joos)關於鈾機器(Uranmaschine,即美國叫的鈾反應堆)的潛在軍事報告後,核軍事應用的初步探討即已開始;至戰爭爆發後這討論即由德國陸軍部軍械局(Heereswaffenamt)所接管,此後所謂鈾俱樂部(Uranverein,一班理論、應用物理科學家、相關其他科學家與軍方代表組成的研討組織)才正式成立,同時陸軍部也開始對於相關的物理研究機構進行軍事控制。

老實說,這反應算非常快,但由《Energiegewinnung aus Uran》報告可知,命運一開始就捉弄著納粹德國—德國著名物理學家海森堡在1939年9月評估核計劃武器化絕對不會少於五年,這對德國而言絕對符合現實情況,而傳說中他「算錯鈾核反應」的臨界質量算是個嚴重錯誤,但真正致命的,其實有三個因素,而且這三個因素都和鈾俱樂部自身有關:

 maxresdefault 17被稱為惡魔之心的鈈核心(圖中是模型)。這個鈈核心剛好是6.2公斤及3.5吋闊,剛剛位於臨界之下(內部是中空的),外殼則是一個中子反射層。如果將核心完全覆蓋在中子反射層下,中子密度就會大到立即進入臨界反應並發生小規模的裂變反應。但要達到萬噸TNT以上級別,就需要用炸葯將核芯均勻擠壓至更小體積。(網絡圖片)

 

1. 非天然存在但更容易進行核分裂的94號元素(即美國人命名的鈈)到1941年初才被美國科學家發現並分離出來,相關發現及論文更要到1945年才公開,而前幾個月德國物理學家卡爾·馮·魏茨澤克雖然計算出這種由鈾238吸收快中子後才衰變而成的非天然物質似乎也能引發裂變反應,但因為當時德國根本沒有那怕一丁點的94號元素去做詳細研究,「鈾俱樂部」大部分學者也無法得知94號元素的化學性質,故在《Energiegewinnung aus Uran》中,對94號元素的應用只提及需要用核反應堆以讓物質富集度足夠,才能研究其應用價值而被忽略了。(坊間有云因為德國科學家故執地認為搞不出慢化中子所需要純度的石墨,故延誤了鈈的富集,才導致計劃落後,這似乎沒有什麼根據,畢竟1941-42年時德國人也不肯定94號元素的實際作用,真正取得樣本及研究的美國早將其視為絕密了)

p7納粹德國第一個也是最後一個達到臨界反應的實驗用反應堆B-8,B-8是第一個用高純度石墨加重水作為慢化劑的反應堆,但B-8落成時間已是1945年3月,基本上已對戰爭沒用。由左圖可知,「鈾俱樂部」時期三個研究中心還是很沉迷的用石蠟與重水作為慢化劑,沒有嘗試使用石墨。(圖片來自連結)

 

2. 當時德國不是沒有足夠的鈾供連鎖反應研究用,施佩爾在《第三帝國内幕》中即透露當時德國至少有1200噸天然鈾。「鈾俱樂部」以下不同研究所在1940年10月至42年初曾造過6個試驗性的小型反應堆以研究連鎖反應,但全部都錯用鋁作為外殼,(而鋁是中子吸收劑),也未有嘗試使用石墨作慢化劑,到最後都以失敗告終,結果至42年之前都未能搞出具連鎖反應的反應堆,用於進一步研究。這方面就真的要怪責海森堡和瓦爾特·博特(Walther Wilhelm Georg Bothe)對於使用石墨可能性的誤算,導致反應堆研究被重水價格與供應問題徹底打亂(直到重水徹底斷供後的戰爭後期,他們才重新考慮石墨);另一方面,「鈾俱樂部」的科學家對如何富集鈾235用於核燃料上也是茫無頭緒。這某程度上要「歸功」於納粹反猶:20年代初期德國在同位素分離方法的權威古斯塔夫‧赫茲(Gustav Ludwig Hertz)因為祖父輩具猶太血統而被拒諸鈾俱樂部外,甚至無法繼續參與同位素分離研究。若無法富集鈾235,那鈾彈的發展路線基本上就斷了。加上第一項提及德國科學家對於鈈的不了解,納粹幾乎就沒有了所有能發展核彈的路徑了。

pic3不過要說德國因為丟了個猶太專家就搞不出鈾分離技術就不太妥當了,頂多只能說當時「鈾俱樂部」還未有深究如何提純鈾235而已。因為……世上最有效率的鈾分離機械—Z型離心機(Zippe-type centrifuge),其實就是由一班給蘇聯俘虜的德國與奧地利科學家設計建造的(很巧的是,指供技術指導的就包括赫茲本尊)。圖為80年代俄亥俄州一個鈾分離設施的大型Z型離心機。(圖片來自連結)

 

3. 由報告看來,儘管介紹時曾明確且樂觀的提出核能作為能源裝置和爆炸破壞力的應用前景,但實際科學報告的內容卻幾乎沒有觸及軍用爆破本身,最多只局限於基礎原理、核物質的製造及鈾機器(即反應堆)的較詳細探討。這證明了這個鈾俱樂部除嘗試建造極早期反應堆外,其他都「只是個俱樂部」而已,甚至也沒多少討論過困難之處或需耗用多大資源,最多只是對核能未來應用進行前瞻研究,沒有作進一步的先期研究的論證與機器的建造!最後報告得出當時看來很合理的「三步」遠期任務規劃:1. 鈾機器設計與建造;2. 鈾機器的軍事應用;3. 鈾炸葯的製造。

 1 313事實上,要生成鈈除了石墨堆外,重水堆一樣可以,不過重水生產在二戰前還是需要電解進行分離,加上存量不多,價格比石墨更高,同時把鈾235提純也需要龐大電力。德國並非不能用已有龐大的萊因河 / 魯爾河水系水電工程進行相關工作,但此舉會搶奪部分金屬如鋁等的產能;更有甚者,萊因河水系全都在盟軍重轟炸機的攻擊範圍。圖為1943年懲戒行動(Operation Chastise)中受嚴重破壞的默訥水庫大壩。(圖片來自連結)

 

由陸軍部兵器局的報告,以及戰爭軍需部長斯佩爾之後對核研究的重要性批示可知,由科學家到納粹軍政當局本身,雖然不是忽視核研究,但普遍認為這個是「前景很美好,近期做不到」的計劃,至少在近期也無法對戰事幫上什麼忙,最好就慢慢去研究好了。隨後由於戰事吃緊,很多科學家都回到相關領域為戰爭服務。可以說,由42年2月陸軍部報告提交上級開始,德國的核計劃幾乎就註定輸給老美了,往後的其他因素,都顯得不重要了。

事實上這很正常,畢竟1942年初德軍各條戰線處境都不太好過,德國自身也未進入全線動員的水平,對這種近期沒能改善戰爭環境且不知要花費多少;同一時間,基於情報失誤,德國科學家們和國防軍似乎都不知道同期美國「鈾顧問委員會」(曼克頓計劃的前身)究竟在幹什麼。

91b062b3圖左為於天寧島裝彈坑作最後整備的小男孩MK-3原子彈。其使用64公斤豐度高達93%的純鈾235,由於當時更具效率的Z型離心機並未發明出來,鈾的提純工作需要經過三個步驟且極耗電力,64公斤鈾235的提純工作足足用了兩年多且需要同期美國總電力的1/7,且試也不試就直接拿去使用(因為沒足夠燃料造第二發)。圖右為曼克頓計劃生產出來的純鈾立方。就算海森堡的臨界質量計算正確,對於納粹德國而言這消耗根本耗不起,數量也不夠戰略戰術運用……事實也證明鈈彈才是王道—1945年7月中美國已造出至少足夠6至7個核彈份量的鈈元素,且費用只及一個小男孩總成本的一半,更有甚者,鈈產量在之後更可維持在每月兩個胖子的水平。(圖片來自維基百科)

 

無論是1939年10月成立的「鈾顧問委員會」,還是42年6月美國陸軍部正式接管並易名的「曼克頓計劃」,由一開始就是因應德國可能搶先把核分裂「武器化」的恐懼而展開,且目的就很明顯是武器化,無論是反應堆還是核物質的生產,都是以武器化為唯一目標而且「鈾顧問委員會」並不單單討論,反應堆、核物質富集等早就在各地大學或研究所進入預研階段,41年初確定鈈的分離方法後,反應堆研究更直奔造鈈的目的而去,也紛紛選擇價錢較低的石墨造慢化劑。雖然真正的可自持連鎖反應堆「芝加哥一號」於42年底才正式運作,但各類收集、富集核原料的方法都獲得研究並接近投入應用階段了,甚至乎如何武器化(槍式與內爆式)就在曼克頓計劃正式易名前就在研究論證了。可見「鈾顧問委員會」和「鈾俱樂部」的運作模式和執行能力完全不在同一水平。

 91b062b4愛因斯坦與匈牙利裔物理學家利奧·西拉德,後者起草了致羅斯福要求發展原子彈的信件,並由愛因斯坦簽署,直接促成曼哈頓計劃的誕生,他亦參與了第一座能進行連鎖反應的反應堆芝加哥堆一號(Chicago Pile-1 / CP-1),從而讓鈈的量產化成為可能。(圖片來自連結)

 

除此以外,「鈾顧問委員會」的成立本身就是最高領導(羅斯福)下令並賦與發展優先次序,且就算在奧本海默未加入時,已經先後有萊曼·布里格斯(Lyman James Briggs)和阿瑟·康普頓(Arthur Holly Compton)兩位著名物理學家做研究策劃與協調的領導角色,且在1941年就併入國防部主導的科學研究與開發辦公室,早就與國防部的發展緊密配合;相對而言,直至1942年前,希特拉及其他納粹領導是否知道「鈾俱樂部」的存在或其重要性都是個謎,唯一最清楚進程的好像就只有國防軍的陸軍軍備局,且雖然有物理學家瓦爾特·博特做主要領導角色,但直至1942年,這組織好像都沒有明顯的主導者(甚至連最出風頭的海森堡都不太像領導者,只負責召開會議之類,似乎還未有統籌發展方向的權限),各研究機關都是埋首在自己的研究當中。雖然軍備局安排相關物資(二氧化鈾)很稱職,但起始階段缺乏明確領導、協調及最高當局的支持,似乎就直接讓「鈾俱樂部」輸在起跑線了。

 p663直至1944年,美國才確認納粹核計劃離造出原子彈還有十萬八千里。之前美國原子彈研究大砸錢的「由零至一」及多頭猛進,更多是對納粹可能得到核武器的恐懼而「先下手為強」。(網絡圖片)

 

至於日後資源不足啊、研究設施不足之類啊,各研究機關進一步分裂不協調啊……試想想,如果「鈾俱樂部」有做協調,讓各研究所分頭以不同的中子慢化劑製作反應堆或清楚分擔不同的研究工作並監察進度,可能已搞出連鎖反應作進一步研究,甚至已能提供一個更清晰的藍圖或願景,或者對於美國可能的核計劃表示憂心忡忡,可能就吸引納粹德國進一步投入更多資源,並以另一種建設思維補充原有不足,猶未可知呢(雖然資源問題還是擺在眼前,納粹研發原子彈的成功率可能只由0變成1%而已)……或者,這算是人類的幸運吧。

 

註:重水反應堆在產鈈的能力上其實也不低,加拿大的CANDU重水反應堆和協助印度建立核力量的CIRUS池式研究反應堆,產鈈的能力就很不錯,而且用天然鈾就能發電兼處理用過的核然料,也有很大的安全性。只是,德國在二戰期間雖然有龐大水電工業,但沒有搞重水生產,全歐洲當年只有挪威與瑞典能提供,且單就供應量而言,一個能造鈈的重水堆,至少需要10噸以上的重水才能生產足夠份量,1941-44年間就算沒有受攻擊,兩國加起來而德國能得到的重水供應量,其實都未夠10噸........

CALANDRIA En一種早期型CANDU反應堆的外觀,燃燉束是打橫放的,而且在運行中也能拔出來更換。(圖片來自連結)

發佈於 軍事博評
By 2023-08-01

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