[轉貼][資料] 德國原子彈科技的進程-1(原著者aska)

[tingan (編制派大師(特大誤))]

寫在前頭:

有非常多的架空歷史的玩家在處理二戰德國問題的時候,都希望能夠扭轉歷史
讓德國的原子彈科技提前,也讓德國人上桌叫牌的本錢更為雄厚

但是史實上德國的原子彈科技到底出了什麼問題,德國與美國不同的策略又在那裡?
而這又導致了什麼影響? 在進行新的架空歷史設定時要怎樣去躲過這些陷阱?

在幾年前的一個大型FHN設定 "新世界島戰紀"中 有出身於核子工程背景的前輩提供
了一些說明,如今時空轉換,FHN過去的龐大資料庫也所剩不多

為避免資料流失在歲月的長河之中,這些文章的轉貼也是給我們這些後入門的FHN or
 Dummyhistory玩家一些基本知識

以下的文章其原本著作權屬於清大楓橋站上的aska大
(若有不妥本人即刻刪除)

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其實使用重水可以看出德國的高標準

以下是各種緩和材料對中子的吸收性質，理想緩和材料的特性是散射機率極高
，吸收機率極低（這樣才能增加與中子碰撞的機會，使其減速被燃料吸收，使
U238 -> Pu239，因此被緩和材料吸收的中子越少，被燃料吸收的中子越多）。

因此，作用機率=吸收機率+散射機率
平均作用距離=各種作用發生的平均距離
平均吸收距離=吸收作用的平均距離
理想緩和材料的平均作用距離要大，平均吸收距離要小。

緩和材料     密度   平均作用距離（cm）  平均吸收距離（cm）
水           1.00      0.16                0.0197
重水         1.10      0.87                9.4E-5
鈹           1.85      0.50               1.04E-3
石墨         1.60      0.84                2.4E-4

從以上資料，不難發現重水比起其他的材料來的優越，不過重水的濃縮
十分困難，要經過重重的蒸餾、過濾，非常耗電，所幸，重水的質量差
是輕水的兩倍，因此比鈾的濃縮來的簡單（D/H=2,U235/U238=235/238）。

只要重水能夠大量生產，大概一個5mx5m的重水槽就可以開始做原子彈了，
因為使用重水的燃料不需要經過濃縮，使用天然鈾就可以了，因此德國
的腳步其實不比美國慢，相關的理論甚至比美國方面還完備。

重水這條路是一條捷徑，可是相對也很困難，美國在製作重水時發現製作重
水相當困難，而且對於鈾氣體濃縮具有排擠性（大家都很耗電），索性乾脆
降低標準，但是同時間分兩條路走。即又保有鈾濃縮的能力（鈾部門），又
保有轉化的能力（鈽部門），用差一點的石墨（雖然說差一點，可是當時的
杜邦還做不出來9999的Graphite）。

事實上，鈽彈是比較好做的，從一開始的三顆核彈有兩顆是鈽彈可以得知。
鈽的臨界質量約9.4kg，威力為20kT。鈾的臨界質量約30kg，威力僅15kT。
當然是鈽彈好做了。所以德國也是看準這一點，所以走鈽產率最高的重水轉
化法。所以，老美自己做不出來，乾脆把德國的重水工廠炸了。

德國當時濃縮重水當然還有很多缺點，像是去離子沒辦法作得很好，但是這
些問題德國在還沒遇到前，就投降了（但是普遍認為Heisenberg其實可以像
Oppenheimer一樣降低標準爭取進度，倘若如此，以德國的技術力，以石墨
轉化法為主的話，恐怕還在未定之天），不過卻對後世影響甚鉅。（如重水
的相關參數）

不過德國與當時的美國一樣，很多都還在嘗試階段，德國當時也有搞鈾彈的
構想，不過老是玩高標準，鈾235已經夠難濃縮了，德國偏偏要搞鈾234，含
量更低，戰爭結束後，盟軍擄獲德軍的濃縮鈾，裡面最多的竟是鈾234，嚇壞
當時不少美國曼哈頓計畫的工作人員，當然後來這堆鈾234被待到美國去了。
德國當時濃縮鈾的方式據信是離心法（所以質量更輕的鈾234才會最多），但
產量有限。

以當時德國重水產量與鈾產量，確實是落後美國一大節，不過重水轉化的困難
是在於重水濃縮，一旦上軌道之後，他的產率十分驚人，可以是石墨轉化的2
至10倍。不過德國的鈾路線大概是條死路，因為鈾234還是有若干問題，更重
要的是他十分不經濟。

因此，以現在對當時兩國製造原子彈的進度來看，是各有千秋，德國的人雖少
但是確有不少鬼才，因此做想出許多特性十分優異的方法，但是僅止於實驗室
，而美國人多，採用的方法也比較保守，因此如果德國的主持人更積極的話，
還是可以跟美國一較長短。如果那一票猶太科學家還留在德國，現在的原子能
科技會變的很不一樣。

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作者: tingan (編制派大師(特大誤)) 看板: DummyHistory
標題: [轉貼][資料] 德國原子彈科技的進程-2(原著者aska)
時間: Tue Nov 27 22:49:49 2007



在史實中Manhattan Project陸軍一開始並不積極，甚至認為這是物理學家幻
想中的武器。換成現在的角度，當時軍方看待Manhattan計畫有點像我們現在
看待星戰計畫，因此這種武器是不會有人會認真的想要來做的，況且如今德國
一不排猶，二不屠殺，歐陸來的科學家回去的會比較多，畢竟過去研究伙伴、
團對、學生都在歐洲，誰想待在狗不拉屎的新墨西哥沙漠，Los Alamos跟
Oak Ridge在當時連移民局都不知道在哪裡，荒涼可見一斑，現在又不是有家
回不得，能待在山明水秀的歐陸，何必待在連飲用水都還要配給的沙漠，尤其
陸軍對待科學家跟對待軍人一樣，（海軍這點是做的比較好）我能夠回歐陸的
大學何樂不為？因此最後會繼續留下進行研發的應該是以軍方自身的研究人員
為主體，進度嚴重落後是可以預期的。

讓Los Alamos發生意外並不是必然的，只是讓他發生意外可以讓德國確保在核彈
發展上取得絕對優勢，讓德國得以在1960年以前成為這世界上唯一有原子能武器
的國家。而Los Alamos的N-type Graphite Reactor，類似反應器沒發生意外在
核工界一直認為是運氣好，甚在在核能安全(Levis,1977)的教科書中都曾經大膽
假設此類型的反應器在低功運轉會發生正反應度回饋造成反應器解體。而MIT教授
羅斯謬森更大膽指出該類型反應器發生嚴重事故的風險，約在1000至7000爐年會
發生一次，只是最後他的預測最後是被Chernobly的RBMK反應器應證，而自Chernobly
1986年的事故之後，美國DOE立刻決定關閉在Los Alamos的N-type生產反應器。

因此，只要當時有個操作員讓該反應器在功率低於25%的情下操作28秒，那意外
就必定發生而且無法阻止，該反應器就是在如此危險的條件下運轉，因此軍方的
科學家假若對反應器物理並不熟悉的話（普遍來說，是的，因為技術軍官並不容
易晉升，大家都寧可外放跑船還昇的比較快，因此會留下來當技術軍官的通常是
成績比較差的），意外很容易發生。

現在德國不是要幫中國造無敵艦隊，很明顯的在電力的供應上會受到一定限制。
以往德國的原子彈計畫就是不希望會使德國國內電力供應受到影響，所以選在
北歐利用水力發電，但現在北歐並未被德國佔領，所以核能研究中心勢必設在
德國與盟國境內，若依上次我提議的位置，德國境內主要的研究中心應該在Geel
與Karlsruhe，如果在此兩地生產重水，勢必會影響國內的電力供應，假若電力
以提供傳統武器生產為優先，則重水生產的電力缺乏是可預期的。
如果重水廠的生產不受干擾，德國很有可能可以在1950年左右發展出原子彈。

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這樣就有兩個問題得好好想想，第一個問題是怎麼樣可以讓德國的重水生產受到阻礙，
最直接的方法是是讓德國缺電，否則就是干擾重水的生產，如破壞重水工廠。

第二個問題是，如果德國決定改採石墨轉化來生產鈽，又要怎麼避免。
史上德國是從未做過類似的做法，不過從一些資料看來，德國的想法
是比美國要激進的多了，美國還算保守。（所幸並未實體化）

美國的設計是將固體燃料(UO2)塞進石墨堆中讓鈾238滋生，利用抽控
控制棒（材料為銦、銀、鎘、硼之類對中子有高吸收能力的材料）來調
節反應度，中間有水管來避免熱累積。

而德國是誇張的多，他是把燃料製成UF6+LiF+BF3的混合物，UF6本身的
融點不高，可使用熱耦加熱使其變成液態，LiF與BF3則類似控制棒功能，
利用調節BF3與LiF的濃度來控制反應器濃度（濃度高就類似控制棒放多點
，濃度低就類似控制棒抽高點）。燃料流動主要是以幫浦打進石墨堆裡，
燃料通過石墨時便會臨界，之後再讓裝有臨界過後燃料的輸送管通過水箱
進行熱交換，即可散熱（若此時又再次通過重水為主的水箱呢？答案是又
可以冷卻並再次滋生），等到數百個至數千次的循環即可將燃料取出進行
轉化，此時融鹽中已具有相當濃度的Pu239。

融鹽滋生式(MSBR)反應器示意（德國提案）：

                  ▊ 為石墨         燃料由＝＝＝中通過
             _____________            ____________
            ∣石墨緩和板 ∣          ∣          ∣
     _______∣▊▊▊▊▊ ∣__________∣?重水槽  ∣______ooooo
BF3+UF6 →進入▊▊▊▊▊BF3+UF6+LiF → ＝＝＝＝＝        ooooo BF3+UF6+LiF →
+LiF  _______ ▊▊▊▊▊   __________  ＝＝＝＝＝  ______ooooo 進入第二個石墨
            ∣▊▊▊▊▊ ∣          ∣   ﹏﹏   ∣       熱耦 緩和區
            ∣___________∣          ∣___︴ ︴__∣
                                          ︴ ︴
                                          ︴ ︴
                                         熱交換

               第一循環第一次滋生     第一循環第二次滋生        下接第二循環

石墨緩和輕水冷卻(LGR)反應器示意（美國）：

               控制棒
               I I  I I
             __I_I__I_I___   此處踨▅▅▅▅ 為二氧化鈾燃料
            ∣石墨堆I I  ∣
            ∣石墨堆I I  ∣
         = [∣▅▅▅▅▅ ∣]=
         = [∣▅▅▅▅▅ ∣]=
輕水流入 = [∣▅▅▅▅▅ ∣]=  輕水（普通水）流出
         = [∣▅▅▅▅▅ ∣]=
            ∣___________∣


這種反應器會有非常高的滋生比，由於燃料呈液態，混合均勻，比起美國
的設計，滋生比受限於容器的形狀，這種融鹽滋生反應器簡直就是天生的
核彈製造機，因此，要如何避免該型反應器的出生，則是第二個問題。

不過，還好，這部分還有方法可以解決，因為歷史上Oak Ridge曾參考德國
的想法試做，但是該型反應器雖有極高的滋生比，但是在反應器控制上具有
極大的難度（所以NRC不會發執照，而且美國不缺鈽元素的來源，所以沒有
發展必要），因此發生核災變的風險極高（不過，德國人一切按部就班，所
以很難發生大問題。且類似反應器的風險沒有人評估過，但很明顯的是會比
Graphite Reactor的1000-7000爐年發生一次核災的風險大的多），因此此型
反應器若發生一次災變不是不可能，一旦發生德國的原子能政策應該會重新
修正，在起來也是幾年之後的事。

如果能夠好好將德國的原子彈計畫與此型反應器扯上邊，安排發生核災是很
合理的，那拖延也可以順利進行。以上是我的建議。

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推 Connels:挖...還有圖可以看 @@
推 QuentinHu:好難懂 >"<