Ab 1939 forschten Physiker im nationalsozialistischen Deutschland mit Hochdruck daran, die gerade erst entdeckte Kernspaltung zu einer Waffe zu machen – zu einer Atombombe. Werner Heisenberg führte dazu im „Uranprojekt“ geheime Experimente mit Uranwürfeln in Testreaktoren durch. Noch im Frühjahr 1945, kurz vor Ankunft der US-Truppen, bereiteten die NS-Physiker im bayerischen Haigerloch ihren Testreaktor B8 vor: 664 Uranwürfel waren in einem Tank mit 1400 Litern schwerem Wasser aufgehängt und wurden mit Neutronen beschossen. Ziel war es, eine Kettenreaktion zu erreichen – und damit die Voraussetzung für eine Atomexplosion.
Die Gerüchte über diese Atombombenentwicklung lösten das erste nukleare Wettrüsten der Geschichte aus – und starteten das folgenreiche Manhattan Project der USA. „Die Amerikaner rechtfertigten ihr Atomprogramm primär damit, einen vermeintlichen deutschen Vorsprung aufzuholen“, erklären Patrick Park von der Columbia University in New York und seine Kollegen.
Aufbau des B8-Testreaktors in Haigerloch: Skizze, schematischer Querschnitt und Längsschnitt. — © Park et al./ PNAS Nexus, CC-by 4.0
Neue Erkenntnisse zum deutschen Uranprojekt
Doch wie nahe waren die NS-Physiker an einer Atombombe? Werner Heisenberg behauptete 1947, dass dem B8-Testreaktor nur eine kleine Menge an Uran gefehlt habe, um eine Kettenreaktion zu erreichen. Ob er damit Recht hatte, ist jedoch bis heute umstritten - die technischen Informationen fehlen. Denn die USA stuften die von ihnen erbeuteten Dokumente und Materialien aus Haigerloch bis in die 1970er Jahre als geheim ein. Die Uranwürfel wurden teils von den Geheimdiensten der Sowjetunion und der USA beschlagnahmt, teils landeten sie auf dem Schwarzmarkt.
Park und seinem Team ist es nun erstmals gelungen, die nötigen Informationen zum B8-Testreaktor Heisenbergs zu beschaffen. „Wir präsentieren neue, auf historischen Dokumenten basierende Erkenntnisse, durch die wir die Menge und Reinheit des im Uranprojekt verwendeten Graphits und schweren Wassers eingrenzen können“, berichten die Forschenden. Auch die Reinheit und Dichte des verwendeten Urans konnten sie durch Analysen der wenigen noch erhaltenen Uranwürfel aus Haigerloch ermitteln.
Nicht angereichertes Uran, verunreinigtes Graphit und verdünntes schweres Wasser
Die Analysen ergaben: Das im B8-Testreaktor von Haigerloch eingesetzte Uran enthielt rund 0,724 Prozent des Isotops Uran-235. Demnach war das von den deutschen Physikern verwendete Uran nicht angereichert, was eine sich selbst erhaltende Kernspaltung erschwerte. Das als Moderator verwendete schwere Wasser hatte den neuen Daten zufolge eine Reinheit von 96,8 bis 98 Prozent, war also leicht verdünnt. Ursache dafür war dessen Knappheit: Die einzige Quelle für schweres Wasser in Europa war damals eine Fabrik in Norwegen, deren Kapazitäten stark begrenzt waren.
Als Ummantelung für den Testreaktor nutzten Heisenberg und sein Team Graphit, das aus Ermangelung anderer Quellen aus metallurgischen Schlacken des Ruhrgebiets hergestellt wurde. Dieses Graphit enthielt jedoch relativ viele Unreinheiten. „Insbesondere Bor ist ein effizienter Neutronenabsorber“, erklären die Forschenden. Möchte man eine Kettenreaktion erreichen, darf daher möglichst kein Bor im Graphit enthalten sein. „Ironischerweise entsprechen die Spezifikationen des Graphits von Haigerloch fast exakt denen, die Enrico Fermi und Leo Szilard 1940 als ungeeignet für nukleare Anwendungen ausschlossen“, so Park und sein Team.
Wie viel fehlte Heisenberg und Co zur Kettenreaktion?
Im nächsten Schritt rekonstruierten die Forschenden auf Basis ihrer Analysedaten das B8-Experiment im Modell – einmal in der Original-Konfiguration und einmal in einer auf die Abstände der Uranwürfel optimierten Version. Dann berechneten sie, ob diese virtuellen Atomreaktoren die Kritikalität (Keff) erreichen würden – die Schwelle zur sich selbst erhaltenden Kettenreaktion. Das Ergebnis bestätigt: Heisenbergs B8-Reaktor erreichte einen Keff-Wert von 0,94 – und lag damit unter der nötigen Kritikalität von K=1.
„Der Abstand zwischen 0,94 und 1 erscheint rein zahlenmäßig klein, aber das täuscht“, erklären die Physiker. Denn um diese Lücke zu überwinden, hätten Heisenberg und sein Uranprojekt weit mehr Uran und schweres Wasser einsetzen müssen, als ihnen 1945 zur Verfügung standen. Konkret hätte der B8-Testreaktor doppelt so viel Uran und 2,2-mal so viel schweres Wasser benötigt, um kritisch zu werden. „Diese Mengen hätten die gesamten Produktionskapazitäten des Deutschen Reichs damals weit überschritten“, so die Forschenden.
Reale und nötige Mengen an Uran und schwerem Wasser für das Erreichen der Kritikalität (K=1, rot) mit dem B8-Reaktor von Heisenberg und Co. — © Park et al./ PNAS Nexus, CC-by 4.0
Hinzu kommt: Anders als von einigen Forschern nach dem Krieg vermutet, hätte auch eine alternative Konstruktion des Testreaktors mit Graphit statt schwerem Wasser als Moderator nicht funktioniert. Denn das in Haigerloch verwendete Graphit war dafür zu stark verunreinigt und das Natur-Uran nicht angereichert genug, wie Park und sein Team ermittelten.
Fortschritte des NS-Uranprojekts signifikant überschätzt
Zusammengenommen bedeutet dies: Das deutsche Uranprojekt war 1945 deutlich weiter von einer Atombombe entfernt als die NS-Physiker glaubten – und als die USA befürchteten. „Unsere Berechnungen sprechen dafür, dass Heisenberg den nötigen Materialbedarf signifikant unterschätzt hat“, konstatieren Park und seine Kollegen. Gleichzeitig fehlten der deutschen Kriegswirtschaft schlicht die Ressourcen, um ausreichend Uran, schweres Wasser und reinen Graphit zu beschaffen.
„Der B8-Reaktor hätte doppelt so viel schweres Wasser benötigt, wie die Norsk-Hydro-Fabrik in Norwegen während des gesamten Krieges produzieren konnte“, berichten die Forschenden. Und auch für hochreines Graphit hätten die Kapazitäten nicht einmal ansatzweise ausgereicht. „Ironischerweise lag dies zum Teil daran, dass das deutsche Atomprogramm den damaligen Prioritäten zuwiderlief. Denn schon ab 1937 erforderte Hitlers Rüstungsprogramm drastische Sparmaßnahmen in nahezu allen Sektoren.“
“Unsere Ergebnisse bestätigen damit, dass Deutschland im Zweiten Weltkrieg weder einen Schwerwasserreaktor noch einen Graphitreaktor hätte bauen können“, so das Fazit von Park und seinen Kollegen. Die Angst vor einer „deutschen Atombombe“ war demnach zumindest im Jahr 1945 unbegründet.
Quelle: Patrick Park (Columbia University, New York) et al., PNAS Nexus, 2026; doi: 10.1093/pnasnexus/pgag282
