通过检查幸存的铀立方体和先前记录的历史证据，研究人员发现了德国最后一个实验性核反应堆的重大局限性。他们的发现表明，该项目不仅仅是缺少一些材料。该反应堆所需的铀和重水将远远超过德国在战争期间所能获得的数量。
制造原子弹的竞赛
曼哈顿计划是美国在二战期间秘密研发核武器的项目，其部分动力来自于纳粹德国可能率先实现类似突破的可能性。科学家们知道，无论谁先成功，都能获得前所未有的军事优势。
制造原子弹的一种可能途径是建造一个能够生产钚的核反应堆，钚是一种可用于核武器的放射性元素。在反应堆内部，铀原子发生核裂变，这是一个其原子核分裂并释放能量以及被称为中子的额外粒子的过程。在适当的条件下，这些中子会引发进一步的裂变反应，从而产生持续的链式反应。
尽管纳粹德国通过一项名为“铀计划”（Uranprojekt）的项目推进核研究，但历史学家们长期以来一直在争论其科学家在开发可运行的反应堆方面究竟有多接近成功。
德国最后的尝试是一个被称为B8反应堆的实验性反应堆，于1945年在物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）的指导下建造。该装置使用悬浮在重水中的天然铀立方体，重水是一种在控制核反应中起关键作用的特殊物质。
为什么重水对纳粹德国的反应堆至关重要
重水看起来与普通水非常相似，但其氢原子包含一个额外的中子。这种微小的差异使其在某些核反应堆中特别有用。
在反应堆中，重水用作中子慢化剂，这意味着它能减慢裂变过程中释放的中子速度。较慢的中子更容易引发铀的额外裂变反应，从而帮助维持可运行反应堆所需的链式反应。
然而，对德国来说，获得足够的重水是一个重大障碍。
战争期间，唯一能够供应德国项目所需重水的欧洲设施是位于挪威韦莫克（Vemork）的诺斯克水力（Norsk Hydro）工厂。德国在1940年4月占领挪威后控制了该设施。
认识到其对德国核野心的重要性，盟军通过破坏和轰炸行动将该工厂作为目标。1943年11月16日，美国的一次大规模轰炸袭击了韦莫克，促成了那里重水生产的最终终结。
科学家重新审视希特勒的最后一个核反应堆
1945年，当美军发现并拆除B8反应堆时，它从未达到临界状态。在核物理学中，临界状态是指链式反应变得自我维持的临界点，即每一代裂变反应产生足够的中子来维持下一代反应。
达到这一阈值是运行常规核反应堆的基本要求。尽管名字如此，临界状态并不意味着反应堆即将爆炸。它仅仅意味着核链式反应可以在不依赖外部中子源的情况下继续进行。
领导德国反应堆项目的海森堡坚称，B8实验已接近达到这一里程碑。他认为，该装置只需相对少量地增加铀供应即可投入运行。
但由蒂莫西·科特（Timothy Koeth）及其同事领导的一项新研究对这一评估提出了质疑。
研究人员检查了德国核项目中使用过的两个幸存的天然铀立方体。他们还研究了历史记录、技术报告、信件和其他档案文件，以重建该反应堆的能力并确定其运行所需的条件。
他们的发现描绘了一幅关于德国核进展截然不同的画面。
铀和重水的严重短缺
根据研究人员的计算，B8反应堆要实现持续的核链式反应，所需的铀大约是其实际含量的两倍，所需的重水则是其实际含量的两倍多。
所需数量超过了德国在战争期间可获得的材料。特别是，一个可运行反应堆所需的重水远远超过了德国项目从其挪威供应源所能获得的数量。
研究人员还调查了德国科学家是否可以通过使用石墨来避免重水短缺，石墨是一种碳的形式，也可以在核反应堆中减慢中子速度。
这种方法对美国科学家来说是有效的，他们于1942年使用石墨慢化反应堆实现了世界上第一次受控的、持续的核链式反应。
然而，在德国控制区可获得的石墨含有杂质，使其不适合用于相同的目的。特别是，微量的硼会吸收原本有助于维持反应的中子，从而阻止反应堆达到临界状态。
这意味着德国不能简单地用石墨替代重水来解决其供应问题。
为什么纳粹德国的核计划注定失败
研究结果表明，海森堡严重低估了他的反应堆所需的额外材料数量。
德国科学家并没有处于拥有可运行核反应堆的边缘，而是面临着他们可用资源无法克服的短缺。
该研究还为德国核计划为何未能从实验性反应堆设计过渡到能够生产原子弹材料的可运行反应堆提供了更JianCe的解释。
基于二战期间可用的设计和材料，研究人员得出结论，纳粹德国缺乏使其重水反应堆或基于石墨的替代方案投入运行所需的资源。
在战争结束八十多年后，幸存的铀立方体帮助解决了一个长期存在的历史问题，揭示了纳粹德国距离实现制造原子弹的关键步骤究竟有多远。