Исследовательский реактор Хайгерлох был немецким испытательным ядерным реактором . Он был построен в скальном подвале в Гогенцоллеришен-Ланде Хайгерлох в 1945 году в рамках немецкой ядерной программы во время Второй мировой войны .
В этом последнем крупномасштабном эксперименте уранового проекта под названием B 8 была вызвана и наблюдалась ядерная цепная реакция путем нейтронной бомбардировки урана в тяжелой воде . Критичность цепной реакции не была достигнута; завод также не был рассчитан на работу в критическом состоянии, и поэтому термин реактор, часто используемый для него сегодня, применим только в ограниченной степени. Более поздние расчеты показали, что реактор должен был бы быть примерно в полтора раза больше, чтобы стать критическим.
Американское специальное подразделение « Алсос» обнаружило объект 23 апреля 1945 года и демонтировало его на следующий день. Ученые, участвовавшие в проекте, были схвачены, а использованные материалы были вывезены в Соединенные Штаты. Сегодня на месте бывшего реактора находится Музей атомного погреба.
Основной целью немецкого уранового проекта во время Второй мировой войны было техническое использование ядерного деления , которое было экспериментально исследовано Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году и теоретически объяснено Лизой Мейтнер и Отто Фришем . В серии реакторных экспериментов, известных как «крупномасштабные эксперименты», целью было проверить теоретические соображения по получению энергии из урана на практике. Для этой цели природный уран бомбардировался нейтронами в тяжелой воде в качестве замедлителя, и наблюдалось результирующее увеличение нейтронов. Исследователи уранового проекта называли свою цель разработки не реактором, а «урановой машиной» или «урановой горелкой». [1]
В 1943 году все крупные немецкие города подверглись бомбардировкам союзников. Поэтому было решено переместить Физический институт кайзера Вильгельма в более сельскую местность. Предложение использовать для этого Hohenzollerische Lande , вероятно, исходило от главы физического отдела в Reichsforschungsrat [Вальтер Герлах, который учился в Тюбингенском университете , также был там профессором в конце 1920-х годов и, следовательно, знал этот район. Другим аргументом в пользу южной Германии было то, что до этого она была в значительной степени избавлена от воздушных налетов. Кроме того, вовлеченные ученые отдавали предпочтение южной Германии, чтобы избежать плена Советами в случае поражения. [4]
Впоследствии Институт физики кайзера Вильгельма был перемещен в Хехинген , в 15 километрах от Хайгерлоха, где он разместился на текстильных фабриках Гротца и Концельмана и в здании пивоварни бывшего францисканского монастыря Св. Люцена. Переезд происходил в несколько этапов; около трети института переехало в Хехинген к концу 1943 года, за ним в течение 1944 года последовали Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Карл-Хайнц Хёккер из Страсбурга и, наконец, сам Гейзенберг. В то же время Институт химии кайзера Вильгельма с Отто Ганом и Максом фон Лауэ был перемещен в соседний Тайльфинген (сегодня Альбштадт -Тайльфинген). [4]
В январе 1945 года в Берлине из Uranverein остались только Карл Виртц, Курт Дибнер и несколько техников . Виртц занимался организацией самого крупного на тот момент немецкого испытания реактора в еще нетронутом бункере института Далем, когда Красная Армия смогла продвинуться на расстояние 80 километров от Берлина. В результате 27 января 1945 года Герлах решил отказаться от почти завершенной испытательной установки. Он немедленно отправился в Берлин, чтобы эвакуировать всех ученых и материалы в южную Германию. [4]
Еще 29 июля 1944 года случайно обнаруженный картофельный и пивной погреб Haigerloch Schwanenwirt был арендован за 100 рейхсмарок в месяц в качестве нового места расположения берлинского исследовательского реактора . [5] Фельзенкеллер был построен в начале 20-го века для туннеля для Hohenzollerische Landesbahn . [6] В узкой долине Эйахталь он был врыт в гору под Шлосскирхе и защищен от бомбардировок слоем скалы из ракушечника толщиной 20-30 метров . [7]
Секция туннеля длиной около 20 метров и высотой около трех метров имела трапециевидное поперечное сечение, с потолком шириной около четырех метров и полом шириной около пяти метров. Туннель поддерживался по всей своей длине деревянными опорными балками , которые располагались на расстоянии двух метров друг от друга. Небольшое двухсекционное крыльцо скрывало вход. [8]
Для реактора в задней части скального погреба вырыли цилиндрическую яму глубиной три метра, на потолке погреба установили транспортный кран, а в заброшенной пивной на противоположной стороне улицы установили дизельный генератор . К концу 1944 года работы по переоборудованию в скальном погребе, замаскированном под «пещерную исследовательскую станцию», продвинулись настолько, что там можно было начать строительство реактора. [7]
31 января 1945 года Герлах, Виртц и Дибнер покинули столицу во главе небольшого конвоя (автомобильный транспорт). За ними следовали несколько грузовиков, груженных несколькими тоннами тяжелой воды, урана, графита и технического оборудования. После ночного путешествия по обледеневшей автостраде конвой остановился на следующий день примерно в 240 километрах к югу от Берлина в Тюрингии Штадтильм, куда рабочая группа Дибнера была перемещена предыдущим летом. Герлах считал, что лаборатория Дибнера была более продвинутой, чем у Гейзенберга, и решил без лишних слов выгрузить материалы там. Очень раздраженный изменением плана, Виртц связался с Гейзенбергом в Хехингене , который немедленно отправился в Штадтильм вместе с фон Вайцзеккером и прибыл туда через три дня после авантюрного путешествия на велосипеде, поезде и автомобиле. [9]
На месте Гейзенберг попытался убедить Герлаха все-таки отвезти материалы в Хайгерлох. 12 февраля 1945 года они вдвоем отправились в Гогенцоллерн, чтобы осмотреть ситуацию на месте. Вирц тем временем остался в Штадтильме, чтобы убедиться, что материалы не будут использованы в экспериментах Дибнера. После того, как Герлах убедился в Хайгерлохе, что Фельзенкеллер лучше подходит в качестве нового места для реактора, он снова согласился на перемещение. Грузовики были снова закуплены, и 23 февраля 1945 года физик Эрих Багге отправился из Хайгерлоха с новым конвоем, чтобы забрать материалы из их хранилища в Штадтильме. [9]
Четыре недели спустя после отъезда из Берлина, 1,5 тонны урана, 1,5 тонны тяжелой воды, 10 тонн графита и небольшое количество кадмия наконец прибыли в Хайгерлох в конце февраля 1945 года. Уран был добыт в Санкт-Йоахимстале в Судетах и прибыл с немецкой Degussa. [10] Тяжелая вода была произведена Norsk Hydro в Норвегии . Кроме того, физик Фриц Бопп из Берлина привез 500 миллиграммовый образец радия -бериллия в качестве источника нейтронов. Более десяти тонн оксида урана, а также небольшое количество металлического урана и тяжелой воды остались в Дибнере в Штадтильме. [9]
Как только материалы прибыли в Хайгерлох, работа по восстановлению испытательного объекта началась немедленно. Фон Вайцзеккер и Виртц играли ведущую роль в строительстве и экспериментах. Сам Гейзенберг руководил проектом из Хехингена, часто разъезжая на велосипеде между двумя городами. Помимо Багге и Боппа, в проекте на месте участвовали и другие ученые, в том числе Хорст Коршинг и Эрих Фишер. [11]
Внешняя оболочка реактора состояла из бетонного цилиндра, в который был вставлен котел из алюминия диаметром 210,8 сантиметров и высотой 216 сантиметров. Алюминиевый котел опирался на деревянные опорные балки на полу, а пространство между ними было заполнено обычной водой . Другой котел из очень легкого магниевого сплава диаметром 124 сантиметра и такой же высоты был вставлен в алюминиевый котел. Магниевый котел уже использовался в масштабном испытании B 6 , алюминиевый котел впервые использовался в масштабном испытании B 7 . Оба котла были изготовлены берлинской компанией Bamag-Meguin. [12]
Между двумя котлами находился слой графита толщиной 43 сантиметра и весом 10 тонн , который служил отражателем нейтронов и защитой. Графит впервые использовался в качестве отражателя в предыдущем крупномасштабном эксперименте B 7 ; в более ранних экспериментах он не использовался, поскольку поглощение нейтронов в графите было оценено Вальтером Боте в 1941 году слишком высоко . [13] Крышка внутреннего котла состояла из двух магниевых пластин, между которыми также находился слой графита. [12]
Всего к этой крышке с помощью 78 алюминиевых проводов было прикреплено 664 кубика из природного урана с длиной ребра пять сантиметров и весом 2,4 килограмма каждый. 40 проводов удерживали по девять кубиков каждый, оставшиеся 38 проводов удерживали по восемь кубиков каждый. [14] Кубы урана общим весом 1,58 тонны были опущены во внутренний сосуд с помощью крана, и вся конструкция была запечатана крышкой. В полученной кубической гранецентрированной решетке кубы урана были расположены в углах и в центрах граней воображаемого пространственного куба. Кубы урана были расположены на расстоянии 14 сантиметров друг от друга. [15]
Схема с шахматным расположением урановых кубиков была впервые использована Дибнером в 1943 году в крупномасштабном тесте G 3 на испытательном полигоне Управления вооружений армии в Готтове. Ранее в берлинских экспериментах использовались урановые пластины, но с более плохими результатами. Первоначально физики хотели испытать конструкцию из подвешенных урановых цилиндров, сопоставимую с сегодняшними топливными стержнями . Однако времени на изготовление таких цилиндров уже не было, и поэтому исследователи решили скопировать конструкцию Дибнера. [16] В идеале кубы должны были иметь длину ребра от шести до семи сантиметров, но ученым пришлось использовать меньшие кубы из последних экспериментов Дибнера и, следовательно, разрезать урановые пластины до тех же размеров. [12]
Источник нейтронов радий-бериллий мог быть введен в центр реактора через так называемую дымовую трубу. Во время следующего эксперимента тяжелая вода, которая хранилась в трех больших баках в конце туннеля, также была заполнена во внутренний корпус реактора через дымовую трубу. В крышке также были каналы, через которые были вставлены детекторы нейтронов . Это позволило измерить пространственное распределение нейтронов во всей конструкции, используя цилиндрическую симметрию. Строительные работы на реакторе были завершены в первую неделю марта 1945 года. [17]
В крупномасштабном эксперименте B 8 цепная реакция деления ядер должна была быть вызвана и наблюдаться путем бомбардировки урана нейтронами. Эксперименты в Хайгерлохе были фундаментальными исследованиями. Их целью было определить связанные параметры ядерной физики , такие как сечения , как можно дальше от измерений. Эти результаты были необходимы для мирного использования ядерного деления, но также были, по крайней мере, полезны для военных приложений. По крайней мере, некоторые из участников также надеялись достичь критичности установки и таким образом — предположительно впервые — продемонстрировать самоподдерживающуюся цепную реакцию деления. [18] Они не могли знать, что Энрико Ферми и его коллеги уже добились успеха в декабре 1942 года на ядерном реакторе Chicago Pile 1 в Соединенных Штатах .
Однако система не имела средств для регулирования критического состояния и повторного его выключения. Не было никаких стержней управления , и не было никакого способа быстрого слива тяжелой воды после ее заполнения. Если бы измеренная плотность потока нейтронов и, следовательно, скорость ядерной реакции увеличились слишком сильно, план состоял в том, чтобы прервать эксперимент до достижения критичности, быстро извлекая источник нейтронов и прекращая подачу тяжелой воды. Коэффициент Доплера, который автоматически уменьшал бы размножение нейтронов по мере повышения температуры, был использован для ограничения мощности в случае критичности. [1] Если бы, вопреки всем ожиданиям, установка вышла из-под контроля, кусок кадмия, который действовал как поглотитель нейтронов , был бы выброшен в реактор через дымоход, тем самым прервав цепную реакцию. Однако даже при очень высоком размножении нейтронов в подкритической конфигурации физики подверглись бы высокой дозе облучения, поскольку установка не имела достаточной радиационной защиты сверху. [17]
Участники знали о возможности военного использования своей работы, так как Гейзенберг уже сообщил Heereswaffenamt в конце 1939 года, что уран-235 должен быть мощным ядерным взрывчатым веществом . Фон Вайцзеккер также указал на его возможность использования в качестве оружия на раннем этапе, а также на тот факт, что новый расщепляющийся элемент — позже известный как плутоний — должен был быть создан в урановых реакторах. [19] В принципе, испытания в Хайгерлохе могли подтвердить эти предположения, но ученые также знали, что для разработки оперативного оружия потребуются многие годы обширных исследований. [20]
Гейзенберг также присутствовал в подвале во время решающего эксперимента в начале марта 1945 года, «сидя там и постоянно вычисляя». [21] После того, как реактор был закрыт и был введен источник нейтронов, тяжелая вода была осторожно вылита во внутренний корпус реактора. Подача воды прерывалась через регулярные интервалы, и увеличение нейтронов контролировалось на зондах. Построив график обратной величины измеренной интенсивности нейтронов против количества заполненной тяжелой воды — идея Гейзенберга — ученые смогли предсказать уровень воды, при котором реактор станет критическим. [17]
Однако критичности не произошло, даже после того, как вся имеющаяся тяжелая вода была заполнена. Плотность нейтронов в заполненной конструкции увеличилась в 6,7 раз по сравнению с пустым измерением. Хотя это значение было вдвое выше, чем в предыдущем эксперименте, его все еще было недостаточно для достижения самоподдерживающейся ядерной цепной реакции . Коэффициент размножения нейтронов был k = 0,85; критичность была бы k = 1. Более поздние расчеты показали, что установка должна была бы быть примерно в полтора раза больше, чтобы стать критической. [17]
Однако в данных обстоятельствах расширить объект не представлялось возможным, поскольку не было ни времени, ни достаточного количества дополнительного урана и тяжелой воды. Завод по производству тяжелой воды Norsk Hydro в Рьюкане уже был разрушен британскими бомбардировщиками в ноябре 1943 года, а в сентябре 1944 года завод Degussa во Франкфурте-на-Майне также сильно пострадал от бомбардировочного отряда. [22]
В последней попытке сделать реактор критическим, Гейзенберг хотел перевезти оставшуюся тяжелую воду и уран, которые были оставлены в Штадтильме, в Хайгерлох. Он также хотел отбросить все теории и ввести оксид урана в графитовый щит. Во время последних измерений Виртц обнаружил, что графит является лучшим замедлителем, чем предполагалось ранее. Однако они больше не могли установить связь со Штадтильмом в теперь уже разваливающейся немецкой сети связи. [23]
Более точные подробности об установке и ходе эксперимента сегодня уже невозможно определить, поскольку оригинальный отчет [11] больше не доступен среди документов Группы, впоследствии привезенных в США. [14] [24] Однако существует полное общее описание всех восьми крупномасштабных экспериментов, написанное Гейзенбергом и Виртцем позже, вероятно, около 1950 года. [1] Более поздний анализ двух фрагментов уранового куба из Хайгерлоха Институтом трансурановых элементов в Исследовательском центре Карлсруэ показал, что уран был облучен лишь относительно небольшим количеством нейтронов; плутоний не был обнаружен. Это указывает на то, что исследователи не находились на грани ядерной цепной реакции. Они были все еще далеки от возможности создания ядерного оружия. [25]
Союзники давно подозревали, что немецкие исследователи работали над атомной бомбой. Целью специального подразделения США «Алсос» , основанного в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта под руководством генерала Лесли Р. Гроувза , было раскрытие и обеспечение безопасности немецких ядерных исследовательских объектов и захват ведущих ученых. Целью было не только продвижение собственной программы Германии по созданию ядерного оружия, но и предотвращение использования знаний Советским Союзом и другими оккупационными силами . Военным руководителем миссии был подполковник Борис Паш , научную группу возглавлял физик голландского происхождения Сэмюэл Гоудсмит . [26]
Американцы не знали точно, насколько далеко продвинулись немецкие исследования до конца 1944 года. Миссия «Алсос I» зимой 1943/44 года в Италии была в значительной степени безуспешной. Только в конце ноября 1944 года, во время миссии «Алсос II» во Франции , в офисе Вайцзеккера в Страсбургском университете были найдены письма других членов Ассоциации по изучению урана, из которых можно было сделать вывод, что у Германии нет атомной бомбы и она не будет создана в обозримом будущем. [27] Однако были также обнаружены документы, указывающие на подозрительную исследовательскую лабораторию в будущей французской оккупационной зоне в Хехингене. Чтобы опередить французские войска, Гроувс и Паш рассматривали возможность атаки на объект с воздуха с помощью парашютистов или его уничтожения бомбардировками. Однако физику Гоудсмиту удалось убедить их, что урановый проект не стоит усилий, и поэтому они решили провести наземную операцию. [28]
Первые специальные подразделения миссии «Алсос III» пересекли Рейн вместе с 7-й армией США 26 марта 1945 года. 30 марта 1945 года они смогли забрать физиков Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера в Гейдельберге , которые работали там на своем циклотроне . Там Гоудсмит узнал, что ядерные исследовательские объекты уранового проекта были перемещены в Хайгерлох около Хехингена и в Штадтильм в будущей советской зоне оккупации . Паш решил сначала отправиться в Штадтильм, чтобы опередить советскую армию. Им удалось прибыть туда примерно за три недели до советских войск, но Дибнер уже бежал со своими сотрудниками и материалами в сторону Мюнхена в будущей американской зоне оккупации . Теперь им оставалось только не допустить попадания реактора Хайгерлоха во французские руки. [29]
Французская армия прибыла в Хайгерлох 22 апреля 1945 года, но они не заметили подземную ядерную лабораторию. Миссия Алсос прибыла во французскую оккупационную зону на день позже в рамках «Операции Убежище», нашла аппарат и демонтировала его на следующий день. Только теперь американцы поняли, что немецкие исследования отстают от их собственных более чем на два года. [30] Теперь им также стало очевидно, что весь немецкий урановый проект был очень маленького масштаба по сравнению с Манхэттенским проектом:
Здесь находилась центральная группа лабораторий, и все, что она представляла собой, — это небольшая подземная пещера, крыло небольшой текстильной фабрики, несколько комнат в старой пивоварне.
- Сэмюэл Гаудсмит , 24 апреля 1945 г., [31]
Немецкие ученые, с другой стороны, считали, что их работа была более продвинутой, чем у американцев, и изначально не сотрудничали. Кубы урана и тяжелая вода были вывезены из объекта и хорошо спрятаны. Однако после нескольких часов допросов Виртц и фон Вайцзеккер были уговорены раскрыть тайники ложным обещанием, что им будет разрешено возобновить свои эксперименты после войны под защитой союзников. [32] 659 из 664 кубов урана были найдены зарытыми в поле рядом с замковой церковью; тяжелая вода была доставлена в подвал старой мельницы. Фон Вайцзеккер спрятал научные документы, включая совершенно секретные отчеты по исследованиям ядерной физики, в выгребной яме за своим домом в Хехингене. [33]
Материалы и научные отчеты были изъяты американцами и отправлены в Соединенные Штаты через Париж . [33] Части реакторной установки, которые не удалось вывезти, были уничтожены несколькими небольшими взрывами. Более крупный взрыв в скальном подвале, вероятно, серьезно повредил бы барочную замковую церковь наверху. Приходской священник в то время смог предотвратить это, показав церковь американцам и убедив Паша проводить только небольшие взрывы. [34]
Французская оперативная группа под руководством физика Ива Рокара , прибывшая в Хехинген вскоре после американских войск, искавших объект, нашла только кусок урана из лаборатории размером с кусочек сахара. [32] Тем не менее, как говорят, части исследовательского реактора Хайгерлох, такие как высокочистые графитовые блоки, были повторно использованы в первом французском ядерном реакторе ZOÉ. [35]
Ученые из двух Институтов кайзера Вильгельма были арестованы американцами в своих офисах и домах в Хехингене и Тайльфингене. Сам Гейзенберг был арестован несколько дней спустя в Урфельде-ам-Вальхензее , где он владел домом и провел последние дни войны со своей семьей; Герлах и Дибнер были найдены в Мюнхене и его окрестностях . [36] Десять ведущих фигур уранового проекта (Багге, Дибнер, Герлах, Хан, Гейзенберг, Коршинг, фон Лауэ, фон Вайцзеккер и Виртц, а также физик Пауль Хартек ) были интернированы в ходе операции «Эпсилон» с июля 1945 по январь 1946 года в Британском Фарм-Холле с июля 1945 по январь 1946 года. Там, в августе 1945 года, они узнали об атомных бомбах, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки, и, таким образом, о прогрессе, достигнутом американцами в ядерной технологии, и его последствиях. [37] Немецкие ученые были глубоко потрясены, но в то же время испытали облегчение:
Я бы сказал, что был абсолютно убежден в возможности создания урановой машины, но я никогда не думал, что мы создадим бомбу, и в глубине души я был очень рад, что это будет машина, а не бомба.
— Вернер Гейзенберг , 6 августа 1945 г., [38]
После интернирования десять исследователей вернулись домой, где, за исключением Дибнера, они смогли занять уважаемые позиции в научном сообществе. Хотя Закон № 25 Контрольного совета запрещал Германии продолжать разработку ядерного реактора в послевоенные годы, Гейзенберг уже в 1950 году снова думал о немецком реакторе. [39] Только в 1957 году первый ядерный реактор на немецкой земле, Мюнхенский исследовательский реактор, был введен в эксплуатацию. В том же году большинство участников Уранового проекта вместе с другими ведущими немецкими физиками-ядерщиками выступили против военного использования ядерной энергии в Германии в Геттингенском манифесте .
Сегодня Музей атомного погреба, открытый в 1980 году, находится в скальном погребе и хранит копию реактора, а также два из пяти оставшихся урановых кубов. Один из двух кубов был взят Гейзенбергом и найден детьми, игравшими в реке Лойзах недалеко от его дома в начале 1960-х годов. [25]
Двухсерийный немецкий телевизионный фильм « Конец невинности» 1991 года документирует развитие уранового проекта от открытия ядерного деления в 1938 году до экспериментов в Хайгерлохе и последующего интернирования ученых в 1945 году. Некоторые сцены фильма были сняты в оригинальном месте в скальном подвале Хайгерлоха. Сценарист Вольфганг Менге и режиссер Франк Бейер были награждены Deutscher Fernsehfilmpreis за сценарий и режиссуру в 1991 году. [40]
Пьеса «Копенгаген» Михаэля Фрейна 1998 года повествует о вымышленной встрече Гейзенберга с Нильсом Бором и его женой Маргарет в неуказанный момент времени после окончания войны. В конце первого акта Гейзенберг размышляет о работе над исследовательским реактором в Хайгерлохе, об отсутствии мер безопасности и попытке впервые достичь критичности. Пьеса из трех персонажей получила премию « Тони» за лучшую пьесу в 2000 году. [41] Реальная встреча между двумя мужчинами состоялась во время войны в Копенгагене в 1941 году, но из документов, которые все еще существуют сегодня, неясно, что было сказано в то время и конкретно, как это подразумевалось и интерпретировалось. [42] Согласно более поздним воспоминаниям Гейзенберга, он пытался говорить «закодировано», потому что боялся, что за Бором следят и шпионят немецкие оккупационные войска. Бор, по-видимому, неправильно его понял, или утверждения Гейзенберга были ретроспективным защитным утверждением. [43] [44] [45]
Роман 1999 года «Парадокс Клингзора» мексиканского автора Хорхе Вольпи повествует о поисках двумя учеными предполагаемого ближайшего научного советника Гитлера , под кодовым именем Клингзор. В воспоминаниях мы следуем за одним из двух главных героев, когда он раскрывает немецкую ядерную программу в Гейдельберге, Хехингене и Хайгерлохе как вымышленную часть миссии Алсос вместе с Гоудсмитом и Пашем. В конце концов, Клингзор — олицетворение зла — оказывается неосязаемым. Бестселлер получил несколько наград, включая испанскую литературную премию Premio Biblioteca Breve в 1999 году. [46]
