Kampen om tungtvannet

Jan Folkvard Evensen. Avdeling for kreftbehandling
Klinikk for kreft, kirurgi og transplantasjon. Oslo universitetssykehus, Radiumhospitalet

---

Mot slutten av første episode av NRKs serie ”Kampen om tungvannet” blir vi presentert for 5 personer: Carl Friedrich von Weizsäcker, Erich Bagge, Otto Hahn, Werner Heisenberg og Kurt Diebner. Det fikk meg til å tenke på et bekjentskap jeg gjorde i 1998. Det hendte på den 17. ESTRO konferansen i Edinburgh. På konferansemiddagen fikk jeg en meget hyggelig og interessant borddame fra Tyskland. Hun kunne fortelle at hennes gudfar var ingen ringere enn Otto Hahn og at Werner Heisenberg ofte var på besøk i barndomshjemmet. For de uinnvidde, Otto Hahn var den som sammen med Lise Meitner og Fritz Strassman oppdaget spalting (fisjon) av uran ved å bombardere grunnstoffet med nøytroner. I 1944 ble Hahn tildelt Nobelprisen i kjemi for sitt arbeid med fisjon, mens Meitners bidrag ble fullstendig underkjent. Det hadde å gjøre med hennes jødiske bakgrunn. Hun hadde bidradd vesentlig til den teoretiske forklaring på utfallet av eksperimentene som Hahn utførte sammen med sin assistent Strassmann. Heisenberg er kjent for sitt bidrag til kvantemekanikken, den gren av fysikken som beskriver hvordan atomer og molekyler er satt sammen. Mest kjent er han for det som kalles Heisenbergs usikkerhetsrelasjon, nemlig det at en partikkels posisjon og bevegelsesmengde ikke begge kan bestemmes presist ved samtidig måling. Heisenberg fikk Nobelprisen i fysikk i 1932.

Min borddame fortalte videre at hennes far satt i fangenskap sammen med nettopp Hahn og Heisenberg etter krigen. Nå ville tilfeldighetene ha det slik at jeg relativt kort tid i forveien hadde lest J M Hansteens bokkronikk: Operation Epsilon: The Farm Hall Transcripts (Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1993) i Fra Fysikkens Verden (1), så jeg var rimelig oppdatert.

3. juli 1945 ble 6 prominente tyske professorer, tre yngre fysikere og en ”outsider” internert på Farm Hall (Fig. 1) i nærheten av Cambridge i England (2). Oppholdet varte til 3. januar 1946. De internerte i ovennevnte rekkefølge var Werner Heisenberg (1901-1976), Otto Hahn (1879-1968), Carl Friedrich Freiherr von Weizsäcker (1912-2007), Paul Karl Maria Harteck (1902-1985), Walter Gerlach (1889-1979), Karl Eugen Julius Wirtz (1910-1994), Kurt Diebner (1905-1964), Erich Rudolf Bagge (1912-1996), Horst Korsching (1912-1998) og Max Theodor Felix von Laue (1879 -1960). En av grunnene til at de ble internert skal ha vært frykten for at de skulle bli kapret av russerne (3). På Farm Hall ble de holdt isolert fra omverdenen og alle deres samtaler ble kontinuerlig avlyttet og tatt opp av skjulte mikrofoner uten deres viten. Opptakene ble umiddelbart oversatt fra tysk til engelsk og sendt videre til få utvalgte i forsvar og etterretning i Storbritania og USA. Disse såkalte “Farm Hall Transcrips” ble hemmeligholdt inntil 1992 (1).

Ved skjebnens ironi var det nettopp på Farm Hall at de norske tungtvannssabotørene, Gunnerside-gruppen, oppholdt seg før de startet på ferden som kulminerte med aksjonen mot tungtvannsanlegget på Vemork.   

Min borddame var datter av Erich Bagge. Hun var født i 1946. Bagge var en av de yngre fysikere og arbeidet som vitenskapelig assistent ved Kaiser-Wilhelm-Institutt. Han disputerte for den filosofiske doktorgrad i 1938. Temaet var “Beiträge zur Theorie der schweren Atomkerne”. I 1941 disputerte han for den såkalte ”Habilitation”, den høyeste akademiske kvalifikasjon ved flere europeiske universiteter. Temaet var “Kernzertrümmerungen und schwere Teilchen in der kosmischen Strahlung”.  Werner Heisenberg var hans veileder ved begge anledninger. Under 2. verdenskrig ble han engasjert i Tysklands prosjekt for kjerneenergi, Uranverein (3,4). Han arbeidet med anrikning av uran ved hjelp av sentrifugering, elektromagnetisme og termisk diffusjon. Dette gjorde han sammen Kurt Diebner, som for øvrig var kommissær for norsk tungtvannsproduksjon. Dette var bakgrunnen for at de begge ble internert i 1945.

Hva gjelder samtalene under oppholdet på Farm Hall er disse som nevnt gjengitt i sin helhet i ”The Farm Hall Transcripts”. De har vært og vil fortsatt være en interessant kilde for fysikere og historikere. De tyske fysikernes fremtidige karrierer etter interneringens avslutning var ofte fremme i diskusjonene på Farm Hall. Deler av disse samtalene er psykologisk interessante og delvis avslørende ved sin mangel på realisme (1).

Hvordan gikk det så med Bagge? I 1948 ble han professor ved universitetet i Hamburg. Siden ble han professor ved universitetet i Kiel, hvor han også ble bestyrer av Fysisk institutt. Han arbeidet særlig med kjernekraft i forbindelse med skipsfart og ble direktør for ”Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und chiffahrt (GKSS)”. Det første atomdrevne skip i Tyskland, NS Otto Hahn, ble sjøsatt i 1962.

Det er skrevet mye omkring Tysklands atombombeprosjekt. Amand A Lucas (2) fremhever sælig boken til Jeremy Bernstein: ”Hitlers Uranium Club” (5). Der kan man lese følgende karakterisikker av de internerte: Werner Heisenberg – very friendly and helpful; Otto Hahn – the most friendly; Carl von Weizsäcker – very friendly and genuinely cooperative; Paul Harteck – very charming personality, the driving force behind German atomic research; Walter Gerlach – always cheerful and friendly; Karl Wirtz – a clever egoist, very friendly on the surface, but cannot be trusted; Kurt Diebner – outwardly friendly, but has an unpleasant personality and cannot be trusted; Horst Korsching – a complete enigma; Max von Laue – a shy, mild-mannered man, og endelig; Erich Bagge  – a serious and very hard working young man, completely German, unlikely to cooperate. Bagge var i likhet med Diebner og Gerlach medlemmer av nazipartiet (3).

I ettertid var min borddame så elskverdig å sende meg en bok hennes far hadde skrevet sammen med bl.a. Kurt Diebner (Von der Uranspaltung bis Calder Hall (6)), som bl.a. inneholder dagboknotater fra oppholdet på Farm Hall. Videre sendte hun meg en 2 videoer som inneholdt en todelt fjernsynsfilm fra 1991, med tittel ”Ende der Unschuld”. Filmen dreier seg stort sett om ovennevnte forhold og har vært vist på tysk TV (7).

I tungt vann er hydrogenatomene skiftet ut med deuterium, derav navnet deuteriumoksid (D2O), eller tungtvann. Hydrogenkjerner inneholder ett proton, deuteriumkjerner et nøytron i tilegg. Deuterium er derfor ca. dobbelt så tungt som hydrogen. Tungtvann er 10 % tyngre enn vanlig vann. I naturlig vann er det 0.16 promille tungtvann. Tungtvann er altså ikke noe man lager, men som ekstraheres fra vanlig vann. Dette blir gjort ved elektrolyse, en prosess som ble oppdaget av Gilbert Newton Lewis (1875-1946) i 1933. Tungtvann var egentlig et biprodukt i kunstgjødselproduksjonen på Rjukan. Fabrikken på Vemork var verdens eneste kommersielle produsent av tungtvann (Fig. 3).

Hva er det med tungtvann? Under krigen var tungtvann ansett som en viktig faktor for å bygge en fisjonsreaktor. For å kunne etablere og opprettholde en kjedereaksjon er det viktig å kunne bremse og kontrollere nøytroner. Tungtvann, nærmere bestemt deuterium kjerner, er spesielt godt egnet til dette. Nøytroner bremses opp ved elastisk kollisjoner med deutriumkjerner. I elastiske kollisjoner overføres kinetisk energi fra nøytroner til deuteriumkjernen, mens summen av partiklenes kinetiske energi er konstant.

Det er to spaltbare materialer som er aktuelle i bombesammenheng: uran-235 og plutonium-239. For å gjøre en lang historie kort, tungtvann er uten interesse hva gjelder uran-235, men viktig i produksjon av plutonium-239. Tungtvann er altså ikke en bestanddel av bomben.

Bomben (Little Boy) som ble sluppet over Hiroshima 6. august 1945 besto av uran-235. Bomben (Fat Man) som ble sluppet over Nagasaki noen dager senere besto av plutonium-239.

Det var i alt 4 anslag mot tungtvannsproduksjonen. Den første endte tragisk. Den 19. november 1942 ble britiske soldater forsøkt landsatt på Hardangervidda ved hjelp av glidefly. Man fant imidlertid ikke målområdet pga. dårlig sikt. Glideflyene og ett av trekkflyene forulykket. De overlevende ble summarisk henrettet. Førtien briter mistet livet.

Den 28. februar 1943 skjedde den egentlige ”Tungtvannssabotasjen”. Elektrolyseanleggene ble sprengt uten tap av menneskeliv (fig. 4). Kommandosoldatene returnerte til England via Sverige. Elektrolyseanleggene var imidlertid oppe og gikk igjen etter ca. 3 måneder.

Den 16. november 1943 sendte US Air Force 140 Boeing B-17 fly for å bombe Vemork.  Elektrolyseanleggene ble imidlertid ikke ødelagt og 21 sivile mistet livet. Etter dette oppga tyskerne produksjon av tungtvann på Rjukan.

Den siste operasjonen besto i å senke dampfergen ”Hydro” på Tinnsjø den 20. februar 1944. Lasten besto av tønner med lavanriket restlut fra elektrolysecellene. Fjorten norske sivile og 4 tyskere mistet livet. Aksjonen var kontroversiell.

Dersom leveransene av tungtvann hadde fått pågå uforstyrret ville Tyskland ha mottatt ca. 5 tonn innen juni 1944. De fikk imidlertid bare noe i underkant av 3 tonn deuteriumoksid (8).

I ”Kampen om tungvannet” blir der presentert en skisse som visstnok Heisenberg hadde overlevert Bohr da de møttes i København sist i oktober 1941. Hva som ble sagt under møtet vites ikke nøyaktig, verken Bohr eller Heisenberg gjorde seg notater om dette etter møtet.  Heisenberg har imidlertid i et brev til forfatteren Robert Jungk forsøkt å redegjøre for hva som ble sagt.  Brevet er gjengitt og oversatt til dansk i Jungks bok: ”Stærkere end tusind sole” (9). Det fremgår der at de tyske fysikere viste at det prinsipielt var mulig å lage en atombombe, men at de regnet med at de tekniske utfordringer var større enn de faktisk var. Heisenberg skriver videre at Bohr sannsynligvis hadde misoppfattet dette dit hen at de tyske forskere hadde gjort fremskritt i retning av konstruksjon av atomvåpen. Heisenberg forsøkte angivelig å rette opp misforståelsen, men lyktes ikke i det. Avslutningsvis skriver han at han var meget ulykkelig over samtalens utfall.  Da Bohr fikk lese Heisenbergs brev til Jungk ble han meget opprørt. Han laget flere utkast til brev hvor han redegjorde for hvordan han oppfattet samtalen, men brevet ble aldri sendt. For de interesserte er brevene å finne på flg. nettsted: (http://nba.nbi.dk/papers/docs/cover.html).

Hva gjelder skissen som Heisenberg skal ha vist Bohr er oven nevnte Jeremy Bernstein sannsynligvis den som har anstrengt seg mest for å finne ut av dette. Han har intervjuet er rekke personer som kunne tenkes å sitte på informasjon om skissen, inkludert Bohrs sønn, Aage. Denne benektet eksistensen av en skisse. Hans Bethe, lederen av teorigruppen i Los Alamos, var imidlertid sikker på at han av Bohr var forevist en skisse. Det var en tegning av en reaktor, og ikke av en bombe.  Hvorvidt dette var Heisenbergs originale tegning eller en skisse Bohr hadde tegnet etter hukommelse kunne han ikke si (10).

Jeremy Bernstein, selv fysiker, skriver at den mest effektive design av en reaktor er klumper av uran anbrakt i et gittermønster, innbakt i en moderator, altså tungtvann. Hensikten med tungtvannet er som tidligere nevnt å bremse nøytroner for at det lettere kan absorberes av uran og vedlikeholde en kjedereaksjon. Det er i overensstemmelse med skissen vi blir presentert i ”Kampen om tungtvannet”. Heisenberg valgte etter all sannsynlighet en annen design, plater av uran nedsunket i tungtvann. Dette fordi det innebar enklere beregninger, men utvilsom en dårligere løsning. Skissen i ”Kampen om tungvannet” er nok derfor ikke helt i overensstemmelse med skissen Heisenberg kan ha presenteret for Bohr.

Referanser

1: Hansteen JM: Operation Epsilon: The Farm Hall Transcripts, bokkronikk. Fra Fysikkens Verden, 55, nr. 4, 116-119 (1993)
2: Lucas AA: Revisiting Farm Hall. Europhysicsnews, 38, nr. 4, 25-29 (2007)
3: Sørensen SO: Tysklands atombombeprosjekt – Del II. Fra Fysikkens Verden, 70, nr. 1, 6-22 (2008)
4: Sørensen SO: Tysklands atombombeprosjekt – Del I. Fra Fysikkens Verden, 69, nr. 4, 115-123 (2007)
5: Bernstein J: Hitlers Uranium Club. Springer-Verlag N.Y., Inc (2001)
6: Bagge E, Diebner K, Jay K: Von der Uranspaltung bis Calder Hall, Rowohlt Hamburg (1957)
7: http://www.youtube.com/watch?v=YRm60jkf51g
8: Børresen HC: Var tungtvannsaksjonene i Norge berettiget? Fra Fysikkens Verden, 73, nr. 4, 116-124 (2011)
9: Jungk R: Stærkere end tusind sole – Atomforskernes skæbne. Jespersen og Pio, 1957
10: Bernstein J: What Did Heisenberg Tell Bohr about the Bomb? Scientific American, 272, May 1995, 72-77
11: Emilio Segrès Visual Archives: http://photos.aip.org/