Uranwürfel aus dem deutschen Atomprogramm helfen dabei, das Scheitern von Heisenbergs letztem Versuchsreaktor neu zu bewerten. Eine Analyse verbindet erhaltene Materialien mit historischen Unterlagen und einem überprüften Computermodell. Demnach fehlte deutlich mehr Uran und schweres Wasser, als Heisenberg später vermutete. Die Untersuchung betrifft den Weg zu einem funktionierenden Reaktor, nicht den Nachweis einer nahezu fertigen Atombombe.
Uranwürfel gehörten 1945 zum Versuchsaufbau des deutschen Uranprojekts in Haigerloch. Dort sollte eine Kettenreaktion entstehen, die sich selbst erhält. Doch der als B8 bezeichnete Versuchsreaktor erreichte dieses Ziel nicht. Werner Heisenberg stellte den Abstand zum Erfolg nach dem Krieg als vergleichsweise gering dar. Eine Untersuchung in PNAS Nexus von Patrick Park, Brittany Robertson, Timothy Koeth und weiteren Forschern kommt anhand materieller und schriftlicher Spuren zu einem anderen Bild.
Die erhaltenen Uranwürfel sind kleine, unscheinbare Relikte eines historischen Großprojekts. Ihre dunkle Oberfläche lässt kaum erkennen, welche Fragen sich mit ihnen untersuchen lassen. Die Forscher analysierten zwei Exemplare und bezogen außerdem Dokumente zur Menge und Beschaffenheit weiterer Materialien ein. Aus solchen Spuren lässt sich ein früheres Experiment genauer rekonstruieren, als wenn ausschließlich die späteren Erinnerungen seiner Beteiligten herangezogen werden. Für diese Verbindung aus Materialuntersuchung und Archivarbeit verwendet das Team den Begriff nukleare Archäologie.
Die Vorgeschichte dieser Forschung reicht Jahre zurück. Wie die University of Maryland berichtete, erhielt Koeth 2013 einen Uranwürfel mit einem beigefügten Hinweis auf das deutsche Reaktorprojekt. Gemeinsam mit Miriam Hiebert begann er, dessen Herkunft und den Verbleib weiterer Exemplare zu untersuchen. Dazu gehörten Messungen ebenso wie Recherchen in Archiven und der Vergleich mit Museumsbeständen. Die Frage lautete zunächst, ob das Objekt tatsächlich aus dem historischen Programm stammen konnte. Die spätere Reaktoranalyse geht darüber hinaus und untersucht, welche technischen Möglichkeiten die damaligen Materialien überhaupt eröffneten.
Für die Neubewertung erstellte das Team ein Modell des B8-Experiments und verglich dessen Ergebnisse mit Messungen aus dem Jahr 1945. Dadurch lässt sich prüfen, ob die Rekonstruktion das tatsächlich beobachtete Verhalten nachvollziehen kann. Es handelt sich also weder um einen wieder in Betrieb genommenen Originalreaktor noch um eine bloße Schätzung anhand eines Fotos. Materialanalysen und historische Angaben liefern die Ausgangsdaten für die Berechnung. Wo die Überlieferung lückenhaft ist, bleiben Annahmen und Unsicherheiten Teil des Ergebnisses.
Nach der Analyse hätte die untersuchte Bauweise ungefähr die doppelte Uranmenge und mehr als doppelt so viel schweres Wasser benötigt, wie im Versuch eingesetzt wurde. Der erforderliche Vorrat hätte damit auch die geschätzten insgesamt verfügbaren deutschen Bestände überstiegen. Eine kleine zusätzliche Lieferung hätte das grundlegende Problem demnach nicht gelöst. Diese Aussage bezieht sich auf die untersuchten historischen Materialien und Konzepte. Sie erklärt, weshalb der Eindruck eines nur knapp verfehlten Erfolgs irreführend sein kann, ohne daraus eine allgemeine Aussage über jeden denkbaren Reaktor abzuleiten.
Schweres Wasser übernahm im B8-Experiment die Aufgabe eines Moderators. Ein solcher Stoff bremst Neutronen ab und beeinflusst dadurch, wie gut eine Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann. Als mögliche Alternative wurde in der historischen Diskussion häufig Graphit genannt. Doch ein Materialname allein beschreibt noch nicht, ob ein bestimmter industrieller Werkstoff für ein Reaktorexperiment geeignet ist. Die Untersuchung berücksichtigt deshalb auch Verunreinigungen des damals verfügbaren Graphits. Spuren von Bor können Neutronen aufnehmen, die dann für weitere Spaltungen fehlen. Nach Einschätzung der Autoren wäre der verfügbare Graphit deshalb ebenfalls kein ausreichender Ausweg gewesen.
Dass Graphit grundsätzlich geeignet sein kann, war bereits bewiesen. An der University of Chicago erreichte das Team um Enrico Fermi am 2. Dezember 1942 erstmals eine kontrollierte, sich selbst erhaltende nukleare Kettenreaktion. Der Versuchsaufbau Chicago Pile-1 bestand aus Uran und Graphit und befand sich unter einer Tribüne des Universitätsstadions. Dieser Erfolg zeigte die physikalische Möglichkeit, ersetzte aber nicht die Prüfung der jeweils tatsächlich verfügbaren Materialien. Das amerikanische Beispiel lässt sich deshalb nicht ohne Weiteres auf die Bedingungen des deutschen Programms übertragen.
In der Kernphysik bezeichnet Kritikalität einen Zustand, in dem sich die Kettenreaktion selbst erhält. Der Begriff bedeutet nicht automatisch eine Explosion. Das US-Energieministerium erläutert den grundlegenden Unterschied zwischen einem Reaktor, der Energie kontrolliert freisetzt, und einer Kernwaffe, die auf eine sehr schnelle Energiefreisetzung ausgelegt ist. Beide beruhen auf Kernspaltung, stellen aber unterschiedliche Anforderungen an Konstruktion und Betrieb. Ein erfolgreiches Reaktorexperiment wäre deshalb kein Beweis für eine unmittelbar einsatzbereite Waffe gewesen.
Auch der historische Ablauf in den USA verdeutlicht die Distanz zwischen diesen Schritten. Nach Chicago Pile-1 folgten weitere große Forschungs- und Industrievorhaben, bevor Kernwaffen eingesetzt wurden. Der erste experimentelle Nachweis einer Kettenreaktion war ein Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen. Er war weder ein fertiges Kraftwerk noch das Ende der technischen Arbeit. Für Haigerloch ist deshalb schon die engere Frage bedeutsam, ob der damalige Aufbau unter den gegebenen Bedingungen überhaupt einen selbstständigen Reaktorbetrieb erreichen konnte.
Einige erhaltene Würfel spielen inzwischen sogar in der Ausbildung eine Rolle. Das Pacific Northwest National Laboratory beschreibt den Einsatz eines mutmaßlichen Heisenberg-Würfels bei Schulungen zur Erkennung radioaktiver Materialien. Dabei liegt der Nutzen im nachvollziehbaren Umgang mit Messgeräten und realen Materialeigenschaften. Die historische Herkunft eines Objekts muss dennoch anhand belastbarer Spuren geprüft werden. Ein überlieferter Name oder eine Sammlungsgeschichte ersetzt diese Untersuchung nicht.
Die Neubewertung des B8-Reaktors zeigt damit auch, wie technische Geschichte überprüfbar wird. Erinnerungen benennen Absichten und Deutungen, erhaltene Materialien setzen ihnen messbare Grenzen. Erst die Verbindung beider Ebenen erlaubt eine belastbare Einschätzung des damaligen Entwicklungsstands. Für die untersuchte Reaktorlinie spricht die Analyse gegen die Vorstellung, es habe am Ende nur eine kleine Menge zusätzlichen Materials gefehlt.
PNAS Nexus, Nuclear archaeology reassesses Heisenberg’s last reactor experiment; doi:10.1093/pnasnexus/pgag282
University of Maryland, Have You Seen this Cube?
University of Chicago, The first nuclear reactor, explained
