專業 物理

鈾方塊漂流記

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撰文者:朱家誼譯
發文日期:2019-08-08
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  • 一個神秘的「禮物」使兩位物理學家開始研究起二戰的德國核反應爐史

    2013 年的夏天,在馬里蘭大學 (University of Maryland) 的我們收到了一個邊長兩吋、重五磅的鈾方塊。如果一個不尋常的金屬方塊忽然出現還不夠懸疑,上面還附著一張字條寫著「從希特勒試圖打造的反應爐拿來的 ー 來自忍忍者 (Ninninger) 的禮物。」

    自從 1945 年七月 16 號三位一體核彈 (Trinity bomb) 在美國新墨西哥州阿拉莫戈多 (Alamogordo, New Mexico) 附近引爆後這個世界就進入了核子時代;我們透過這一個小小的鈾方塊和其他 663 個類似的方塊來追朔核子時代的源頭。由於對納粹德國科學家武器研發的恐懼,曼哈頓計畫 (the Manhattan Project) 及其製造的武器所釋放的強大能力應運而生;也就是說「希特勒試圖打造的反應爐」裡的這個鈾方塊代表的雖然是當時德國實驗失敗但卻催生了核子時代。

    但是還是有些疑惑未解,譬如這塊鈾是怎麼在 70 年後從德國跑到馬里蘭的?還有多少類似的東西?這些東西去哪了?誰是忍忍者?研究這塊鈾方塊及其歷史數年的時間揭開了一個複雜、有趣但還不完整的故事。我們的研究揭露了一些關於德國核子計畫的新訊息 ー 其實德國是有能力製造出核子反應爐的。


    希特勒試圖打造的反應爐

    我們對這個鈾方塊的研究當然從軟的柿子著手,既然蒂莫西·寇斯 (Timothy Koeth) 沒辦法從核能的歷史書籍上那些畫質不好的相片裡馬上認出這個方塊,那就乾脆從隨著方塊一起過來的紙條上的第一句話出發。「從希特勒嘗試打造的反應爐拿來的」這句話無疑是指二戰時德國科學家為了得到核能和潛在核子武器所作的核子研究計畫。不少德國科學家有參與這個計畫,其中最著名的一位就是維爾納·海森堡 (Werner Heisenberg)。

    相較於曼哈頓計畫最終決定由中央帶領各個科學家一起合作,德國的核子研究人員則是分成三個團隊各別做自己的實驗。而這些實驗團隊的代號是由實驗的所在城市命名,分別是柏林 (B, Berlin)、戈托夫 (G, Gottow) 和萊比錫 (L, Leipzig)。雖然德國科學家在美國認真投入核研究的兩年前就開始了,但是對於持續反應的核反應爐的進展卻是龜速1。緩慢的原因又多又複雜,其中包含對有限資源的爭奪、人事鬥爭和無能的科學管理。

    到了 1944 年的冬天,當同盟國 (the Allies) 開始入侵德國時,德國核子科學家們不顧一切地嘗試建造一座可以達到臨界態的反應爐 (關於核反應爐的物理機制請見「註解」)。當時德國並沒有發現曼哈頓計畫的大進展,雖然或多或少已經知道將要輸掉戰爭了,科學家們還是希望能夠第一個做出自持 (self-sustaining) 的核子反應爐來挽救他們在物理界的聲譽2


     

    註解:核反應爐裡的物理

    核反應爐的機制說簡單不簡單、說複雜也不複雜。當反應爐組裝好之後唯一需要動到的部份就只有控制棒,用放入或移出爐心控制能量的輸出;不過決定反應爐各式各樣零組件的數量和擺設就需要對核融合深入的理解了。

    在一些像鈾-235 和鈽-239 這類同位素裡,只要原子核多吸收了一個中子就很容易發生核分裂;畢竟這些可分裂同位素的原子核非常接近不穩定,只要多加入一個中子就會分裂成兩個較小的核分裂產物 (fission fragment), 譬如像鋇和銫這種較輕的元素。除了這些核分裂產物外還會順便釋放兩、三個中子,外加大量可以用來產生電力的能量;既然一個中子就可以造成核分裂並製造更多中子,那新的中子當然也可以接下去導致更多核分裂,這種現象就是著名的核連鎖反應 (nuclear chain reaction)。這種自持的循環會一直持續下去直到可分裂材料被消耗完,而這個過程就是形成臨界核反應爐的基本運作原理。

    要形成可自持的連鎖反應可分裂材料至少要超過一定的量,稱為臨界質量 (critical mass)。大致上有兩個相互競爭的機制會影響可分裂鈾堆的中子輸出:核分裂釋放出的中子有可能會再造成其他核分裂、也可能從鈾堆逃掉完全不再參與核分裂。雖然還有其他的可能性造成這些中子無法使用,不過如果設計得當,失去中子的問題還是可以解決的,所以自持反應爐並非遙不可及。為了把問題定量化,物理學家們定義了中子增殖因數 (neutron multiplication factor) ,keff,也就是將第 n+1 代的中子數除以第 n 代的中子數。

    現在燃料堆可不可以自持就可以被分成三種類型:如果是次臨界態 (subcritical) 燃料堆,也就是說 keff小於 1 的情形,此時遺失的中子比核分裂出來的還多,所以中子數量就會隨著時間減少;但如果是臨界態燃料堆,也就是 keff 正好為 1 的情形,每一代的中子數都一樣;最後,在超臨界 (supercritical) 的狀態下,這個 keff 就會大於 1,也就是每次循環的中子數量都會增加。一個穩定運作 (keff=1) 的核反應爐需要一再地微調燃料堆的幾何,通常是通過加入或拿出一個、甚至多個負責吸收中子的控制棒,就像開車想要維持等速免不了有時要踩油門有時踩煞車一樣。

    在德國的實驗裡,科學家是靠經驗找尋最好的幾何和鈾的最小需要量。德國科學家將會製造中子的鐳-鈹混核物放到燃料堆的中央當作一開始的中子源,接下來測量改變約含 0.7% 可分裂 235U 的天然鈾對外圍中子數量的影響。

     
        註解

    這張圖是從二戰中盟軍一次偵查任務時得到的,圖中顯示了各個反應爐實驗的臨界態計算。(此圖感謝 AIP Niels Bohr Library and Archives 提供。) 每一條線都代表一個實驗的次臨界態增殖因數。每個實驗裡當鈾增加後線段的斜率就會接近無窮大,而每次新的實驗中線段斜率都會增加;這代表德國科學家雖然沒有成功但也離臨界態不遠了。
     



    在不放棄希望的情況下,官方決定要把以海森堡為首的柏林反應爐實驗在盟軍入侵之前向南移。他們最終座落在德國西南方小城海格洛赫 (Haigerloch) 的一個城堡下方洞窟裡3 (見圖一照片)。
     

    fig1
    圖一:B-VIII 反應爐實驗的實驗室入口,位於德國海格洛赫的一座城堡下方。這個地點現在已經變成了地下原子博物館 (Atomkeller Museum)。
    (此圖感謝 The AIP Emilio Segrè Visual Archives, Goudsmit Collection 提供。)

     

    海森堡團隊在他們的洞窟實驗室裡開始了他們最後一個實驗:B-VIII,也是柏林基地團隊的第八個實驗,海森堡在他 1953 年出版的 Nuclear Physics (直譯:核物理) 裡有寫到該反應爐的設置4。這個實驗性質的核反應爐的組成有 644 個重五磅的鈾方塊;如圖二所示,這些方塊是用飛機纜線串成一長串掛在蓋子上,接著這種「命帶劫煞之鈾吊燈」會被淹沒到裝著被一圈石墨環繞重水著的水槽裡。這種配置雖然已經是當時德國核子計畫裡最好的設計,但是還是無法成為自持的臨界反應爐 (詳情請見 Physics Today 2000 年七月號第 34 頁由 Hans Bethe 的文章)。
     

    fig2
    圖二:B-VIII 反應爐結構的照片。664 個鈾方塊被飛機纜繩綁成很多串,而每串方塊之間的距離都經過精心計算;根據反應爐的設計,最後整個設備會被放入裝滿重水的槽裡。(圖取自參考資料 4;為 LepoRello 的照片,CC BY-SA 3.0。)
     


    鈾方塊

    我們在圖三中的鈾方塊是海森堡的 B-VIII 實驗的一部分,面上的凹洞是在粗糙地鍛造過程中產生氣泡而造成的,這些特徵的確和早期將每個金屬元件個別分開鍛造的鈾處理方法相符5。而在方塊的兩個邊上有辛苦用手挫出來的凹槽,使 B-VIII 實驗設置中的飛機纜線串起鈾方塊時可以較穩固。
     

    fig3

    圖三:我們所擁有的鈾方塊重五磅、邊長兩寸,不過它沒有任何一個面是完全平行的。有些大凹洞應該是早期處理鈾金屬的粗糙鍛造手法特徵。
    (圖感謝 Timothy Koeth, University of Maryland 提供。)


    我們對這來自 B-VIII 反應爐的鈾方塊進行非破壞分析方法和核鑑識 (nuclear forensics) 更進一步地確認期身份。經由高解析的伽瑪射線 (gamma ray) 光譜 (請見圖四) 顯示出其的成份是正港的純天然鈾,完全沒有濃縮也沒有偷工減料,同時也確認了這個鈾方塊不曾待在達到臨界態的反應爐過,因為光譜裡沒有像銫-137 (cesium-137) 這種核分裂產物的跡象。這兩個發現都和 B-VIII 實驗中的鈾記載相符,所以我們認為這個方塊應當是海森堡的實驗裡出來的無誤。

    fig4
    圖四:在伽瑪射線光譜中如果看到在 662 keV 的地方有個峰代表成份裡有銫-137,只要是核分裂過的鈾-235 裡都找得到它。圖裡的紅色線為史密森尼美國國家歷史博物館 (Smithsonian National Museum of American History) 收藏的鈾塊光譜,是個曾經在芝加哥1號堆反應爐裡達到臨界態的鈾塊。不過我們拿到的鈾 (黑線) 明顯地看不到這個峰,也就證實了這塊鈾從來沒有在臨界連鎖反應爐裡待過。
     

    曼哈頓計畫和阿爾索斯任務

    下個要問的問題,就是德國核反應爐實驗的零件怎麼會出現在大西洋的西邊了?其實答案就藏在二戰歷史中已經幾乎被研究透徹且詳細記載的部份:阿爾索斯任務。

    1944 年盟軍將部隊推進到德國佔領的領地時,曼哈頓計畫指揮官萊斯利·格羅夫斯 (Leslie Groves) 下令執行代號阿爾索斯 (Alsos,從希臘文直譯成英文就是 Groves) 的祕密計畫將一小部份的軍事人員和科學家放到歐洲戰場前線蒐集德國科學計畫的狀態6。這個任務的目標非常廣,從情蒐和期望獲得從顯微鏡到航空等各種科學領域的數據和儀器,而其中最重要的工作就是要知道德國物理學家對核反應的研究已經到達到什麼程度了。阿爾索斯任務一開始從義大利下手,等盟軍軍力掃蕩南方時任務就慢慢移師到德國本土。塞繆爾·古德斯米特 (Samuel Goudsmit) 是這個任務其中一員,當戰爭結束後成為了美國物理學會 (American Physical Society) 的第一任主編也是物理評論快報 (Physical Review Letters) 的創始者。

    當德國南部被盟軍包圍時,海森堡底下的科學家快速地將 B-VIII 實驗拆解,將這些鈾方塊埋在附近的空地、重水被藏在桶子裡而有些重要的文件則是被藏在糞坑裡。(古德斯米特也因為收復這些文件得到一些尷尬的名聲。) 當阿爾索斯小組在 1945 年四月底抵達海格洛赫 (Haigerloch) 時,參與實驗的科學家已經被逮捕並審問反應爐相關材料的下落,但海森堡則是提早在夜幕掩護下騎著腳踏車揹著裝著鈾方塊的背包向東潛逃而逃過一劫7

    剩下的 659 個鈾方塊在 1945 年四月 27 號全數被挖出 (見圖五) 與重水一起被運到巴黎,之後在聯合發展信託 (CDT, Combined Development Trust) 的管制下運送到美國8。CDT 是格羅夫斯早先為了避免如蘇聯等敵國獲得發展核子計畫所需的核子原料,在美國與英國的合作下創立的組織9

     

    fig5
    圖五:二戰時 B-VIII 反應爐裡的鈾方塊被埋在靠近地下實驗室附近的空地。美國在德國的阿爾索斯任務成員找到後將他們挖起來。圖上有麥可‧波林 (Michael Perrin,最左邊那位) 塞繆爾·古德斯米特 (左邊數來第三位) 和其他成員正在取回這些地上鈾方塊。
    (Samuel Goudsmit 的照片:圖感謝 The AIP Emilio Segrè Visual Archives, Goudsmit Collection 提供。)


    但如果這些方塊已經寄送到美國了,那之後這些方塊是怎麼處置的、又為什麼會跑到寇斯的手裡?當時這些天然鈾金屬最理所當然的用途,當然是送到橡樹嶺國家實驗室 (Oak Ridge National Laboratory) 做成武器級濃縮鈾。不過我們手上這塊鈾卻是純天然、沒有添加物,所以事情絕對沒那麼單純,說不定這些鈾到了紐約後,有些鈾方塊淪落到一個或甚至多個曼哈頓計畫的高層手裡當作無傷大雅的戰爭戰利品。為了要知道是誰將我們和其他的方塊分送出來,我們在位於馬里蘭州大學公園市的國家檔案館 (National Archives at College Park) 找到了故事另外一面。

    案情不單純

    有許多學者都一直認為德國科學家沒有機會製造出能用的核反應爐,畢竟他們擁有的鈾根本不夠讓 B-VIII 核反應爐運轉;海森堡自己也說過:「這個設備要獨立地維持核分裂反應來說還是有點偏小,但只要稍微增加他的尺寸就可以開始產生能量了10。」這個論述最近被用蒙地卡羅 N 粒子法 (Monte Carlo N-particle) 的 B-VIII 反應爐心模擬證實是對的11。這個模擬中顯示了 1945 年德國所作的估算是正確的:這個反應爐爐心設計配上鈾的量和結構根本無法達到自持地核連鎖反應,但是當時如果德國在爐心裡再加入 50% 的鈾方塊事情就不好說了。

    在調查這 659 個從海格洛赫來的鈾方塊下落時,寇斯剛好看到了國家檔案館裡有個箱子寫著「德國的鈾」,不過箱子裡沒有這些鈾方塊到美國之後的訊息,不過這個箱子裡有數百件討論其他德國鈾方塊且剛被解密的文件。在德國大約還有四百個長得跟海格洛赫鈾方塊一模一樣的鈾方塊,這些鈾方塊曾經是科特·迪布納 (Kurt Diebner) 領導的戈托夫實驗團隊反應爐被廢棄前的一部分12。如果這些庫存的鈾方塊集合在一起,要讓 B-VIII 反應爐達到臨界態根本綽綽有餘。

    雖然說冰凍三尺非一日之寒,德國到戰爭結束都還無法製造出可用的反應爐原因也不只一個;但自從發現德國還有其他鈾方塊後事情就很清楚了,如果當時德國不要將資源分散而是集中在一起,核反應爐運行成功的可能性就會大大提昇。

    戰後這些鈾方塊助長了東歐的鈾黑市,情治官約瑟·蔡斯 (Joseph Chase) 在 1954 年三月 16 號的公報上稱這些販售鈾方塊的投機份子為「幽靈幫 (ghostly gang)」13。從盟國管制委員會 (Allied Control Commission) 完全禁止德國公民擁有鈾開始,黑市商人認定這些鈾方塊是稀有珍寶且願意冒險販售14。紀錄中發現每幾個月美國官員就會收到一些恐嚇推銷信,譬如核子能委員會 (Atomic Energy Commission) 主席戴維·李林塔爾 (David Lilienthal) 就收到一封信詢問是否願意以單價數十萬美元的價格購買數個鈾方塊,否則這些鈾可能會被販售到「似乎對美國不太友善」的政治實體15。不過在 CDT 的努力下美國當時並不缺鈾礦,所以當時美國的回應是只願意用未加工的鈾金屬時價 (約六美元一磅) 購買。國家檔案館裡充斥著想大發橫財的騙子和走私者以及科學家們用盡心機想拿到部分材料來維持研究的神奇故事。

    在檔案管理找到的其中一段故事,是 1952 年德國公民赫爾穆特·高爾特澤 (Helmut Goltzer) 和吉賽拉·尼茨克 (Gisela Nitzke) 因持有一個鈾方塊而遭逮捕並被判終生監禁14,而在一則報導這次逮捕行動的報紙照片中,發現從他們公寓裡取出的鈾看起來和我們擁有的這個幾乎一模一樣;審理沒收鈾的公聽會之後馬克斯·馮·勞厄 (Max von Laue) 還寫信拜託比爾曼先生 (Mr. Bierman) 將該鈾方塊的擁有權讓給自己做研究,因為這個方塊是「無價之寶,畢竟您也知道鈾這個東西在德國已經買不到了16。」

    國家檔案館的資料裡顯示大多數的鈾方塊最終都到了蘇聯手上。1953 年在國務卿的特別助理高登·亞奈森 (Gordon Arneson) 的通信內容裡提到三不五時「我們會收到一、 兩公斤 U-235 要價百萬美元的報價書,而且還威脅如果美國不買就要將它賣給蘇聯。而看起來這個威脅好像都成真了17。」不過蘇聯怎麼使用這些方塊就不得而知了。


    在美國的方塊

    這些並沒有解開我們手上方塊的謎團。但如果它沒有去過橡樹嶺,那這 70 年間它到底在哪裡遊蕩?還有沒有同夥?我們收到方塊附的字條上第二句話「來自忍忍者 (Ninninger) 的禮物」提供了一點提示但是一點都不具體。不過連不相信命運之說的人都不得不承認我們當時運勢真的旺:收到這個方塊之後的幾天後寇斯跑到二手書店閒晃,忽然瞄到了一本 1954 年出版的 Minerals for Atomic Energy (直譯:能產生原子能的礦物) ,作者是羅伯特·奈寧格 (Robert D. Nininger)。

    儘管這本書的作者英文姓氏跟紙條上的人名差了一個「n」,寇斯強烈懷疑這本書的作者和紙條上提到的人應該是同一個。雖然羅伯特·奈寧格 2004 年在馬里蘭州的羅克維爾 (Rockville) 就已經過世,我們還是打了一通簡短的電話給他的遺孀,也證實我們的確找對人了。奈寧格顯然將方塊給了一個朋友,再轉手一次之後才到寇斯的手裡。時間拉回阿爾索斯扣押海格洛赫原料的前一個月,也就是 1945 年的三月,奈寧格被指派為曼哈頓計畫紐的約市茉莉山區 (Murray Hill Area) 過渡物資負責人18。由於茉莉山區負責監督 CDT 取得鈾的工作狀況,所以當時這些方塊從歐洲運送的地點很有可能是茉莉山。

    全美已經有其他十個包含私人或是公開的鈾方塊被鑑定來自德國的核反應爐,但每個方塊的旅程不是毫無頭緒就是都不相同,而且故事都不完整。我們希望最終可以把所有的方塊和故事找回一個共通的源頭。史密森尼學會 (Smithsonian Institution) 的收藏裡就有一顆這種方塊擺在從芝加哥1號堆反應爐 (Chicago Pile-1 reactor) 的一小塊鈾旁邊。(兩個都被儲藏在華盛頓特區裡的大型設施裡,感覺很像印第安納瓊斯系列的電影。) 這個收藏的方塊是由紐約大學醫學中心 (New York University Medical Center) 的梅力歐·艾森巴德 (Merril Eisenbud) 所捐獻。他寫給時任物理收藏館長的信裡提到他認為這是世上僅存的獨一無二的方塊。哈佛大學也擁有一個方塊,是由曾是阿爾索斯任務一員的一位教授艾德溫·坎柏 (Edwin Kemble) 所捐獻;這顆鈾方塊顯然在物理基礎課程的學生之間傳閱過,因為這個方塊的密度使它異常地重。還有多少方塊流落在大學展示室、私人收藏和國內多少人家的地下室已經無法得知了,但如果有讀者知道任何一個鈾方塊的資訊或下落請不吝與作者分享。


    不經一事不長一智

    這些方塊代表科學界的一段歷史,當時的研究人員才剛發現次原子的世界。我們希望透過找到這些鈾方塊並將這些它們的歷史拼湊起來可以找回人類歷史上非常值得紀念但已被淡忘的一部分,畢竟這些鈾方塊和它們所代表的科學還影響著數十年後的今天。

    或許最重要的是,雖然這些鈾方塊的過去雖然是一個失敗的科學經驗,但是還是值得讚揚。使用這些方塊的實驗雖然無法運作但都是由當時最頂尖的科學家設計的。對我們來說值得欣慰的是雖然德國核子研究計畫競爭方法和科學資源缺乏擊垮了海森堡和他同事們希望達成的核能目標;但我們要記取教訓,不管在科學領域或其他追尋的人生目標都一樣,只有當我們拋開歧見一同努力才有辦法作到最好並得以解決大挑戰。



    參考資料

    1.    B. C. Reed, The History and Science of the Manhattan Project, 3rd ed., Springer (2013), p. 14.
    2.    S. Heim, C. Sachse, M. Walker, eds., The Kaiser Wilhelm Society under National Socialism, Cambridge U. Press (2009), p. 362.
    3.    Ref. 2, p. 362.
    4.    W. Heisenberg, Nuclear Physics, Philosophical Library (1953), p. 169.
    5.    Ref. 2, p. 351.
    6.    L. Groves, Now It Can Be Told: The Story of the Manhattan Project, Harper (1962), p. 191.
    7.    K. Mayer et al., J. Phys. Conf. Ser. 312, 062003 (2011).
    8.    Ref. 6, p. 242.
    9.    Ref. 2, p. 500.
    10.    Ref. 4, p. 170.
    11.    G. Grasso et al., Phys. Perspect. 11, 318 (2009).
    12.    Ref. 2, p. 358.
    13.    J. Chase to W. Colby (16 March 1951), box 49, record group 59, National Archives at College Park, MD.
    14.    Keystone Press Agency, “German couple charged with having uranium block,” 12 December 1952.
    15.    J. A. Boatright to D. Lilienthal (14 June 1949), box 49, record group 59, National Archives at College Park, MD.
    16.    M. von Laue to Mr. Bierman (21 February 1953), box 5, record group 466, National Archives at College Park, MD.
    17.    G. Arneson to J. Penfield (31 July 1953), box 494, record group 59, National Archives at College Park, MD.
    18.    US War Department Engineer Office memorandum (24 February 1945), “Property Accountability,” box 12, record group 77, National Archives at College Park, MD.

     



    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, 2019 雜誌內 (Physics Today 72, 5, 36 (2019); https://doi.org/10.1063/PT.3.4202);原文作者:Timothy Koeth, Miriam Hiebert。中文編譯:朱家誼 博士,國立中興大學物理系 博士後。

    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Timothy Koeth, Miriam Hiebert and are published on Physics Today 72, 5, 36 (2019); https://doi.org/10.1063/PT.3.4202. The article in Mandarin is translated and edited by Dr. Chia-Yi Ju, working at Department of Physics, National Chung Hsing University.

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