В декабре 1939 года Гейзенберг подготовил обширный обзор «Возможность технического получения энергии при расщеплении урана», где предложил две схемы урановых котлов. В первом реакторе уран и тяжелая вода-замедлитель смешивались в сферическом котле радиусом около 60 сантиметров, охлаждаемом обычной водой, которая и играла роль рабочего тела установки, содержащей около тонны тяжелой воды и 1200 килограмм урана. В другом варианте уран и тяжелая вода не смешивались, а располагались слоями площадью около одного квадратного метра и толщиной в несколько сантиметров, причем после трех слоев урана и тяжелой воды предполагалось разместить дециметровую прослойку чистого углерода, еще один слой которого должен был составлять внешнюю оболочку уранового котла.
В начале января 1940 года Физический институт Общества кайзера Вильгельма был окончательно передан Управлению вооружения вермахта, что самым решительным образом отразилось на судьбе директора института, нидерландского физика-экспериментатора Петера Дебая. Этого выдающегося ученого даже не спасло от увольнения Нобелевское лауреатство, поскольку иностранный подданный никак не мог участвовать в секретных германских проектах. После того как Дебая поставили перед выбором – принятие немецкого гражданства либо увольнение, он эмигрировал в Америку, а «Урановый проект» потерял еще одного ценного сотрудника. На освободившуюся должность был назначен временным «уполномоченным руководителем», поскольку Дебай официально так и не подал в отставку, Дибнер. Считается, что именно с этого момента началась конкуренция, перешедшая в открытое противостояние между научными коллективами, руководимыми Дибнером и Гейзенбергом, которое и замедлило работу над выполнением «Уранового проекта».
В начале зимы 1940 года группа Гейзенберга закончила расчеты по эффективности применения графита в качестве замедлителя, которые показали, что ни графит, ни гелий не подходят для выполнения такой функции, поскольку в этом случае реактор имел бы слишком большие размеры. Разумной альтернативой оставалась только тяжелая вода, причем для контрольных экспериментов по запуску уранового котла, по оценкам Гейзенберга, потребовалось бы не менее двух тонн урана и тяжелой воды.
В тот период основным поставщиком уранового концентрата была немецкая фирма «Ауэр», занимавшаяся после захвата Чехословакии в 1939 году разработкой местных урановых рудников. Переработка руды осуществлялась на небольшом горно-химическом предприятии в Ораниенбурге. Каждый месяц там выпускалось около тонны оксида урана, и первая партия была отгружена а адрес Инженерного управления вермахта уже в январе 1940 года. В этом же году в лабораториях «Уранового проекта», расположенных в Берлине, Лейпциге, Гейдельберге, Вене и Гамбурге был поставлен целый ряд экспериментов на урановых котлах самой различной конструкции. В некоторых из них использовались оксид урана и твердая углекислота в виде сухого льда как замедлитель нейтронов. При этом нужны были сотни килограммов оксида урана, который от Дибнера ежедневно требовали разные лаборатории. При этом все время возникали мелкие конфликты. Так, Гейзенберг выставил заявку на целую тонну оксида урана и при этом категорически отказывался проводить совместные эксперименты с другими научно-исследовательскими группами.
Лаборатория в Гейдельберге под руководством профессора Боте поставила один из самых масштабных экспериментов в «Урановом проекте», когда в громадном урановом котле было смешано более четырех тонн оксида урана и полтонны обычной воды. Результаты этого опыта окончательно убедили исследователей, что без тяжелой воды урановый котел запустить просто невозможно.
После оккупации Бельгии в руки специалистов попало более двух тонн уранового концентрата из Бельгийского Конго в виде уранита натрия. С этим материалом из-за большого количества примесей и высокой влажности в берлинской радиохимической лаборатории профессора Дросте поставили необычный эксперимент. Уранит упаковали в килограммовые бумажные пакеты, которые образовали метровый куб, играющий роль уранового котла. Однако ни примеси с водой, ни бумага не смогли послужить эффективными замедлителями нейтронов, и все опыты не дали никакого результата.
В июне 1940 года, после разгрома континентальных войск антигитлеровской коалиции, пал без боя Париж, и двигавшиеся с войсками специалисты «Уранового проекта» захватили строящийся американо-французский циклотрон, который вскоре удалось под страхом репрессий наладить «парижской группе физиков Жолио-Кюри», руководимой берлинским профессором Вольфгангом Гентнером. В это же время в пригороде Берлина началось строительство уранового котла, выполненного целиком по сделанному Гейзенбергом проекту Института физики. В собранном виде ядерный реактор представлял собой полутораметровый алюминиевый цилиндр, в котором было слоями уложено пять с половиной тонн окиси урана и парафинового замедлителя. В центре цилиндра размещался «ядерный запал» в виде источника нейтронов, а сам урановый котел опускался в залитую водой шахту. Проводила опыт «команда Гейзенберга», включавшая профессора Вейцзеккера и доктора Виртца. Несмотря на очень большие усилия и апробацию еще двух схем урановых котлов с парафиновыми замедлителями, запустить цепную реакцию деления так и не удалось. К концу 1940 года у руководства «Уранового проекта» сложилось мнение, поддерживаемое Гейзенбергом, что урановые котлы на основе оксида урана и водно-парафиновых замедлителей в принципе неработоспособны.
Так было решено использовать в новых урановых котлах вместо оксида урана металлический уран, которого на тот момент металлохимическое предприятие Degussa успело произвести около 300 килограммов. Дальнейшая судьба этой части «Уранового проекта» полна противоречивой информации. Так, есть предположения, что уже весной 1941 года первый в мире ядерный реактор на порошковом уране и тяжелой воде был запущен франко-немецким коллективом физиков под руководством Гейзенберга и Жолио-Кюри. Причем несгибаемых французов удалось склонить к сотрудничеству лишь под угрозой прекращения подачи электроэнергии в Париж, что, несомненно, вызвало бы множество смертей в погруженном во мрак и холод зимнем городе. Единственной разумной альтернативой было предполагаемое строительство атомной электростанции.
Вариации данной гипотезы содержат догадки, что первый работающий урановый котел на металлическом уране появился не в Париже, а под Берлином, и в нем использовалась не тяжелая вода в качестве замедлителя, а намного более доступный, дешевый и технологически выгодный графит.
Альтернативная версия твердо придерживается позиции, что в данном направлении исследования «Уранового проекта» зашли в тупик и все три ведущие научно-исследовательские команды, включающие группы Дибнера (Берлин), Езау (Геттинген) и Ардене (Лихтерфельде), так и не смогли найти схему работоспособного уранового котла. Любопытна история последней лаборатории, возглавляемой известным изобретателем и финансируемой министром связи Онезорге. Ардене вошел в «Урановый проект» с предложением построить на деньги «почтового ведомства» в Лихтерфельде ленточный генератор Ван-де-Граафа с напряжением в один миллион вольт. Вскоре в Мерсдорфе открылся еще один «почтовый» центр атомных исследований с каскадным генератором, используемом, как и в Лихтерфельде, в схеме мощного циклотрона.
Между тем среди научных руководителей «Уранового проекта» разгоралась полемика противников и сторонников тяжелой воды. Дело в том, что еще в середине 1940 года профессор Боте измерил в Гейдельберге диффузионную длину пробега тепловых нейтронов в графите и получил феноменальную величину, превышающую 60 сантиметров, причем в теории для сверхчистого углерода она должна была быть еще выше. Из этого вскоре последовали организационные выводы о перспективе развития направления по применению именно этого типа замедлителя нейтронов.
Очень высокую степень очистки графита могло обеспечить одно из дочерних химических предприятий компании Siemens, и уже в январе 1941 года начались эксперименты с новым типом замедлителя нейтронов. Однако опытные результаты составили всего 35 сантиметров длины диффузионного пробега. Этот факт лег в основу довольно странной истории, считающейся одной из причин неудачи «Уранового проекта». Тут можно говорить либо о профессиональной ошибке профессора Боте, давшего экспертное заключение о непригодности графита, либо о знаменитом «саботаже Гейзенберга», который всячески поддерживал мнение Боте. Во всяком случае, считается, что именно отказ немецких ученых от использования углеродных замедлителей нейтронов не позволил им запустить свои урановые котлы. Между тем через несколько лет американцы в своем первом рабочем реакторе как раз использовали чистый графит.
