De Duitsers waren in WOII verder verwijderd van een kernbom dan eerder gedacht

Toen Albert Einstein in augustus 1939 de Amerikaanse president Roosevelt maande haast te maken met een onderzoeksprogramma op het gebied van kernenergie en kernwapens, verwees hij nadrukkelijk naar de situatie in Duitsland, waar dergelijk onderzoek al begonnen was. De Amerikaanse regering nam vervolgens de benodigde stappen die leidden tot het Manhattan Project en de rest is geschiedenis. Zou je zeggen.

Tot lang na de Tweede Wereldoorlog is er gediscussieerd over de vraag of de Duitse inspanningen, onder leiding van Nobelprijswinnaar Werner Heisenberg, eigenlijk wel hadden kunnen leiden tot een werkende kernreactor, laat staan tot kernwapens. Heisenberg zelf claimde in 1947 dat ze er heel dicht bij hadden gezeten, maar bewijs daarvoor ontbrak.

Tot nu toe. Onlangs lieten Amerikaanse natuurkundigen onder leiding van Patrick Park zien dat de Duitse Uranverein (de uraniumclub) verder verwijderd was van een werkende kernreactor dan eerder was aangenomen, laat staan dat ze in staat waren geweest een kernwapen te maken. Hun onderzoek verscheen eind september in het tijdschrift PNAS Nexus.

Nadat kernsplijting van uranium in 1938 was ontdekt door de Duitse chemici Hahn en Strassmann, waren het Lise Meitner en haar neef Otto Frisch die het verschijnsel verklaarden. Bij elke kernsplijting bleken neutronen vrij te komen, die op hun beurt weer voor splijting van andere uraniumkernen konden zorgen. Daarmee was het idee van een nucleaire kettingreactie geboren, met mogelijke toepassingen voor het opwekken van energie en het maken van kernwapens.

Zo eenvoudig was dat overigens niet, de eerste pogingen verliepen zonder succes. Het was de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi die er uiteindelijk na drie jaar als eerste in slaagde om een gecontroleerde kernreactie op gang te brengen. Onder de tribunes van een American football-stadion in Chicago zette hij zo in 1942 de eerste kernreactor in werking. Essentieel daarvoor was het bereiken van zogeheten criticaliteit, de toestand waarin de kernreacties evenveel neutronen produceren als er verloren gaan. Om dat te bereiken dienen de bij elke splijting vrijkomende neutronen te worden afgeremd, waardoor ze des te beter andere uraniumatomen konden splijten. Fermi gebruikte daartoe blokken grafiet, maar zag ook mogelijkheden om daarvoor zwaar water te gebruiken. Daarin is gewoon waterstof vervangen door zijn zwaardere broertje deuterium, geen H₂O, maar D₂O.

Maar hoe bepaal je wat meer dan tachtig jaar geleden de omstandigheden waren in de opstelling waaraan Heisenberg en zijn collega’s werkten? Dat vergt een knap staaltje nucleaire archeologie, gecombineerd met moderne simulatie- en rekentechnieken. Zo zijn er bijvoorbeeld in musea van de oorspronkelijk meer dan 1.100 blokjes uranium die ooit in die Duitse reactor-in-wording zaten nog een paar bewaard gebleven. Van het gebruikte zwaar water, dat na de oorlog in beslag was genomen door de geallieerden, waren al analyses bekend. Dat was afkomstig uit de Noorse fabriek Norsk Hydro, die in 1944 bij een bombardement werd verwoest. Gewapend met deze gegevens simuleerden de onderzoekers de manier waarop de blokjes uranium in de reactor gevuld met zwaar water waren opgehangen en berekenden ze de kritische factor: wanneer deze gelijk is aan 1, is de kettingreactie precies stabiel, bij een waarde lager dan 1 sterft de reactie uit, terwijl in een superkritische waarde hoger dan 1 het vermogen van de reactor exponentieel toeneemt.

Heisenberg claimde een waarde van 0,95 te hebben bereikt, wat niet ver lijkt te zijn van het gestelde doel. Dat volgt ook uit de nu gepubliceerde berekeningen, maar verdient enige nuancering. Want uitgaande van zuiverheid en de dichtheid van het gebruikte uranium zou er meer dan twee keer zoveel uranium nodig zijn geweest om een waarde net iets boven 1 te bereiken. En dat is meer dan er op dat moment in heel Duitsland beschikbaar was. En ook de beschikbare hoeveelheid zwaar water was veel te klein. Er zou meer dan twee keer zoveel nodig zijn geweest als Norsk Hydro gedurende de hele oorlog wist te produceren.

Ook een andere vraag die tot op de dag van vandaag op een antwoord wachtte is met deze studie opgelost. Want wat zou er zijn gebeurd als de Duitsers net als Fermi hun toevlucht hadden genomen tot grafiet als moderator? Ook dan waren ze van een koude kermis thuisgekomen. Het grafiet dat Siemens produceerde was namelijk niet heel zuiver, omdat het uit steenkool werd bereid. In Amerika werd hiervoor petroleum coke gebruikt, dat gemaakt wordt op basis van aardolie en daarom veel minder verontreinigingen bevat. Maar de export van petroleum coke vanuit de VS naar Duitsland was in januari 1940 tot stilstand gekomen als gevolg van de Britse blokkade van de Duitse havens. Om voor deze onzuiverheden in het grafiet te compenseren had het Duitse uranium nog veel zuiverder moeten zijn geweest.

„Een degelijk stuk werk”, noemt Machiel Kleemans dit nu gepubliceerde Amerikaanse onderzoek. Hij promoveerde vorig jaar op onderzoek naar de naoorlogse ontwikkeling van kernenergie en atoomwapens: „Vooral de ontdekking dat ook de zuiverheid en de dichtheid van het uranium tekortschoten, is een mooie aanvulling. De conclusie dat een werkende reactor tijdens de oorlog nooit een optie is geweest wordt nu in veel meer detail ondersteund.”

Correctie (20 oktober 2026 om 13.28 uur): In een eerdere versie van dit artikel stond dat de eerste kernreactor in 1942 in werking werd gesteld in een honkbalstadion in Chicago, maar het betrof een stadion voor American Football. Dat is hierboven aangepast.

Kies NRC als voorkeursbron