Z historie: Pokusy s atomovou energií v Německu a příčiny jejich technických neúspěchů

O tomto zajímavém thematu pojednává prof. Werner Heisenberg v Naturwissenschaften. Jen v málo zkrácené formě jeho stať přetiskla angl. Nature. W. Heisenberg pracuje nyní v ústavu Maxe Plancka pro fysiku na universitě v Göttingen, který se svolením okupačních úřadů zahájil činnost.

Skoro současně s vypuknutím války dostaly se do Německa zprávy, že v USA vojenské úřady začaly podporovat bádání o atomové energii. Podle „reportu“ H. D. Smytha skutečně taková podpora byla udělena již na konci roku 1939. Pod dojmem těchto zpráv Heereswaffenamt založil zvláštní badatelskou skupinu vedenou Schumanem, která měla zkoumat možnosti využití atomové energie. Na podzim roku 1939 byli ke skupině přiděleni známí odborníci: Bothe, Clusius, Geiger, Hahn, Harteck, v. Weizsäcker a. h. , a jako středisko výzkumů byl stanoven Kaiser Wilhelm Institut für Physik v Berlíně-Dahlemu. Tak se dostal Institut pod správu Heereswaffenamtu, bez ohledu na práva soukromé „Společnosti císaře Viléma“. Mělo to za následek, že ředitel ústavu Debye, holandský občan, resignoval a odjel do své vlasti.

Již koncem roku 1939 bylo prý německým specialistům jasné, že je třeba sledovat dva směry bádání, které by mohly umožnit využití atomové energie. První směr byl odloučení isotopu U 235 z přírodního uranu, který však vyžadoval neobvyklého a složitého technického zařízení. Druhý směr bylo vytvoření reaktoru, jak dnes nazýváme soustavu uran-moderátor, která umožňuje řetězovou reakci s neutrony malé rychlosti.

Heisenberg tvrdí, že již roku 1939 theoreticky dokázal, že H₂O se pro moderátor nehodí, zato se však hodí D₂O (těžká voda) nebo C ve formě tuhy. Pro první pokusy se však použilo parafinu, jehož vodík zpomaluje neutrony. Také prý již tenkrát bylo jasné, že uran i moderátor musí být chemicky neobyčejně čisté, a že existuje patrně určitá kritická velikost soustavy.

Roku 1940 Bothe, Heisenberg a spolupracovníci prováděli měření důležitých účinných průřezů atomových jader pro absorpci neutronů i jiné práce s hlediska použití různých hmot jakožto moderátorů.

Na podzim roku 1940 byl postaven první pokusný reaktor v Berlíně-Dahlemu. Skládal se z vrstev U₃O₈ a z vrstev parafinových. Jeho k (multiplikační faktor pro neutrony) byl ovšem menší než 1 a „reaktor“ tudíž nemohl vytvořit řetězovou reakci a nemohl se stát zdrojem energie.

O plutoniu nebylo nic známo, neboť v Německu neměli cyklotron. Stavěl se sice malý cyklotron v Heidelbergu, ale jen k účelům biologickým a lékařským. Za celou dobu války v Německu nepřišli plutoniu ani na stopu!

Po neúspěchu prvního „reaktoru“ byla Auerově společnosti přikázána výroba velmi čistého U₃O₈, a společnosti Degussa výroba čistého kovového uranu.

Harteck a spolupracovníci zdokonalili po obsazení Norska továrnu Norsk Hydro ve Rjukanu tak, že roku 1942 mohla vyrábět 200 l těžké vody měsíčně. Heereswaffenamt nařídil výrobu čistého uhlíku, ale jak Heisenberg doznává, čistou tuhu se nikdy nepodařilo vyrobit. V otázce čistého uhlíku byl až do konce války velký zmatek.

Roku 1941 Döpel a Heisenberg postavili v Lipsku další pokusný „reaktor“ s neutronovou injekcí, t. j. se zdrojem neutronů v něm umístěným. Pravý reaktor takového zdroje nepotřebuje, protože třeba jediný neutron ze spontánního štěpení uranu se rozmnoží řetězovou reakcí v malém zlomku vteřiny.

Druhý německý „reaktor“ použil uranu a 150 litrů těžké vody. Zdroj neutronů (patrně směs radia a berylia) byl ve středu reaktoru; kolem něhož střídavě ve sférických vrstvách byly umístěny U a D₂O. Začátkem roku 1942 se podařilo dokázat, že soustava má multiplikační činitel k sice menší než 1, ale že počet neutronů ze zdroje vymršťovaných je soustavou násoben a rozmnožován. Nesmíme zapomínat, že nastala jen multiplikace neutronů z umělého zdroje, která je možná i pro k menší než 1, neboť 1 + k + k₂ + … = 1 : (1 – k).

Bylo prý jasné, že pouhé zvětšení lipského „reaktoru“ docílí toho, že vznikne řetězová reakce a tudíž skutečný reaktor. Proč se to však Němcům nepodařilo?

Také na tuto otázku nacházíme v Heisenbergově stati odpověď. Roku 1942 byl o pokusech informován ministr válečné výroby Speer a celý zbrojní štáb. Bylo uvažováno o reaktoru pouze jako o možném zdroji energie, neboť pro výrobu atomové třaskaviny nebyly žádné náznaky. Plutonium bylo neznámo u U 235 považováno za isotop tak nesnadno oddělitelný od U 238, že pro válečnou dobu nebylo možno pomýšlet na vybudování rozsáhlých a složitých zařízení na rozdělování uranových isotopů. Již roku 1941 bylo dokázáno, že není možno ani zvýšit obsah U 235 v plynném fluoridu uranovém s pomocí Clusiovy-Dickelovy methody rozdělování isotopů thermodifusí.

Z praktických úvah bylo vyloučeno také použití protaktinia, neboť výroba dostatečného množství tohoto prvku je nemožná. Protaktinium je sice štěpitelné jako uran, ale pro výrobu atomové energie nemá významu.

Ministr Speer pak nařídil, aby práce postupovala dále jen v poměrně malém rozsahu. Roku 1942 se námořní odborníci zajímali o uranový reaktor s hlediska získání nové pohonné jednotky pro válečné lodi. Nejprve však bylo třeba takový reaktor uskutečnit! Je zajímavé, že Ústav císaře Viléma pro fysiku byl v té době vrácen Společnosti císaře Viléma a Heisenberg jmenován jeho ředitelem. V Ústavu byla zřízena velká podzemní laboratoř pro pokusy s velkými uranovými reaktory.

V té době se již vážně projevoval tlak války na přetížený německý průmysl. Uran byl vyráběn jen v malém množství a jeho dodávky pro pokusy ve velkém měřítku stále oddalovány. Nicméně badatelská skupina (Diebner, Pose, Czulius) v Heereswaffenamtu od roku 1941 prováděla měření s velkým reaktorem, v němž U ve formě krychlí byl umístěn jako mřížový v parafinu. Místo parafinu bylo později použito těžkého ledu a ještě později 500 litrů těžké vody.

Roku 1943 byla norská továrna na elektrolytickou výrobu těžké vody vyřazena anglickým oddílem Commandos. Sotvaže byla opravena, znovu ji koncem roku 1943 zničil úspěšný nálet bombardovacích letounů. V Německu však byly již v zásobě dvě tuny těžké vody! To by pravděpodobně stačilo k stavbě dobrého reaktoru.

Po náletech na Frankfurt n. M. na jaře 1944 dočasně byla zastavena také výroba čistého kovového uranu.

V zimě roku 1943 až 1944 v protileteckém krytu v Berlíně-Dahlemu postaven pokusný reaktor s použitím 1,5 tuny těžké vody, a přibližně stejné váhy uranu ve formě desek. Podařilo se docílit „multiplikačního“ činitele 3, tj. počet neutronů vymršťovaných pomocným zdrojem („neutronovou injekcí“) byl účinkem reaktoru třikrát větší. Pokusy byly již rušeny stálými nálety na Berlín. V únoru 1944 dostal Kaiser Wilhelm Institut přímý zásah.

Teprve v únoru 1945 se podařilo uranový reaktor z Dahlemu přestěhovat do skalního krytu v Heigerlochu (poblíže Hechingen, nyní v americkém pásmu). Nikdy se však nepodařilo docílit, aby multiplikační činitel k byl vskutku roven jedné, tj. aby se vytvořila řetězová reakce. K tomu účelu byly sice přichystány kadminové pásy (aby reakci zabrzdily a nařídily ji na určitou energetickou hladinu), ale použité hmoty nikdy nebyly dostatečně čisté, aby se vskutku vytvořila řetězová reakce. Německá technologie za vlády nacismu zřejmě velmi upadla. Heisenberg do jisté míry přiznává, že Německo za války nikdy nemohlo uskutečnit atomový reaktor, natož pumu.

Heigerloch byl 22. dubna 1945 obsazen Američany a „reaktor“ zkonfiskován.

Americká kritika německých pokusů

S. A. Goudsmit je universitním profesorem fysiky v USA. Z pověření ministerstva války strávil několik měsíců v Německu, kde zkoumal vědecké výsledky docílené za války, zejména výsledky úsilí o uvolnění atomové energie. O svých poznatcích vydal celou knihu. Goudsmit také uveřejnil ostrou kritiku Heisenbergovy statě o německých pokusech s atomovou energií.

Především uvádí, že některé překvapující rysy Heisenbergova pojednání zřejmě měly sloužit uklidnění Němců, kteří byli velmi zklamáni tím, že jejich proslavení odborníci tak žalostně selhaly. Za války nacisté slibovali německému národu všechny druhy „nadzbraní“, které rozdrtí protivníky. Mezi nimi byla také atomová puma. Např. v létě roku 1944 ji Völkischer Beobachter v poněkud zastřené formě sliboval v referátě o přednášce fysika von Weizsäckera, která líčila pokroky atomové fysiky. Goudsmit ironicky připomíná, že při prvních pokusech s atomovým reaktorem se vzňal práškovitý, kovový uran a přivolaní hasiči blahopřáli Heisenbergovi k úspěchu „atomové třaskaviny“.

Organisace SS si roku 1944 stěžovala, že Německo nepracuje dost usilovně na uranové bombě. Na tuto stížnost odpověděl prof. Gerlach, tehdejší ředitel německého uranového projektu; ve své odpovědi uvádí, že teorie i experiment dokazují neuskutečnitelnost konstrukce malé pumy. Podle Gerlachova názoru bylo by zapotřebí alespoň několika tun atomové třaskaviny.

Němečtí vědci byli po celou dobu války pevně přesvědčeni, že jsou na správné stopě, a že jejich výzkumy daleko předstihují pokroky docílené v USA. Goudsmit dokazuje toto tvrzení četnými písemnými dokumenty. Např. v jednom nalezeném dopise, zaslaném Goeringovu štábu v červenci roku 1943 se uvádí: „Naše práce pokračuje rychle. Ačkoliv v krátkém čase nepovede k výrobě atomových motorů nebo třaskavin, poskytuje nám alespoň jistotu, že v tomto oboru nepřátelské mocnosti nemají pro nás přichystáno žádné překvapení.“

V prosinci 1944 prof. Gerlach psal Hitlerovu zástupci Bormannovi: „Naše výzkumy mohou se neočekávaně a rozhodujícím způsobem uplatnit pro výsledek války… Jsem přesvědčen, že jsme stále hodně vpředu před Amerikou“.

Německé dokumenty jasně dokazují, že němečtí odborníci nedospěli k správnému pojetí problému atomové pumy. Nikdy nepřišli na stopu objevu uranového reaktoru, který by vyráběl plutonium a umožnil tudíž výrobu poměrně malé pumy. Jejich představa pumy nikdy se nedostala z bludného kruhu představ jakéhosi „výbušného reaktoru“. Dnes víme, že výbušný reaktor z přírodního uranu by byl několik set tun těžký; dříve než by vybuchl, pravděpodobně by se hmoty v něm obsažené roztavily anebo zcela mírnou explosí roztříštily.

Je tedy pochopitelné, že němečtí odborníci byli velmi překvapeni, když přišly první zprávy o uvolnění atomové energie. Z propagační ofensivy byli zatlačeni do defensivy. Museli národu vysvětlit, proč původně byli optimističtí a proč nakonec tak zklamali. Goudsmit ironicky Heisebergovu stať nazývá „německý Smythův report“.

Pravé důvody německého neúspěchu v atomovém projektu jsou podle Goudsmita jiné než důvody uváděné Heisenbergem. Němečtí vědci především postrádali potřebné intuice k řešení tak nesnadného úkolu; mnoho dílčích problémů chápali zcela nesprávně. Fašistický režim nikdy nemohl umožnit pokrok čisté vědy v takové šíři, jaké bylo zapotřebí k řešení problému atomového reaktoru.

Goudsmit vytýká Heisenbergovi, že ve své stati neodsuzuje nacistický režim vzhledem k jeho fatálnímu vlivu na německou vědu. Heisenberg pouze uvádí, že „veřejný zájem na atomové fysice v Německu v letech 1933 až 1939 byl velmi nepatrný“. Heisenbergova zpráva je vlastně pohádkou o úspěchu, kterou německý lid měl být přesvědčen, že němečtí vědci byli na cestě k úspěchu. Goudsmit připouští, že kdyby byla válka trvala o jeden až dva roky déle, byli by možná v Německu měli malý atomový reaktor nepatrného výkonu. Nikdy by však nepřišli na stopu řešení atomové pumy. Není správné dělati viníka neúspěchu jen z ministra zbrojení a techniky Speera, a vůbec z válečných poměrů v Německu, říká Goudsmit. Nesmíme zapomínat, že objev štěpení uranu 1939, tedy základní objev nutný k uvolnění atomové energie, byl proveden právě v Německu! A přesto Němci dále již nepokročili.

Velmi ostře Goudsmit odsuzuje také tvrzení Heisebergovo, že mírové využití atomové energie pro techniku mělo vlastně již svůj začátek v Německu za války. Je to tvrzení přehnané a nepravdivé v tom smyslu, že podle nalezeného písemného materiálu němečtí vědci byli pevně přesvědčeni, že jdou rychlou a správnou cestou k uskutečnění zkázonosné atomové pumy, která rozhodne válku ve prospěch Německa.

Obr. Přístroj, v němž bylo poprvé vyrobeno v USA plutonium

Zdroj: Vilém Santholzer Mírové využití atomové energie, Melantrich v Praze 1949