Начало практических работ по созданию ядерного оружия
26 сентября 1939 года Управление армейских вооружений для рассмотрения вопроса о способах создания ядерного оружия собрало совещание специалистов в области ядерной физики, на которое были приглашены Пауль Хартек, Ханс Гейгер, Вальтер Боте, Курт Дибнер, а также Карл-Фридрих фон Вайцзеккер и Вернер Гейзенберг. На нём было принято решение засекретить все работы, имеющие прямое или косвенное отношение к урановой проблеме и осуществлению программы, получившей название «Урановый проект» — . Участники совещания посчитали возможным создание ядерного оружия за 9-12 месяцев.
Всего в Германии было 22 научные организации, напрямую связанные с атомным проектом.
Разработками ведал имперский министр вооружений Альберт Шпеер, административным руководителем группы Гейзенберга, Отто Гана, Вайцзеккера и др., стал физик Эрих Шуман.
Концерн «ИГ Фарбениндустри» начал изготовление шестифтористого урана, пригодного для получения урана-235, а также сооружение полупромышленной установки по разделению изотопов. Она представляла собой две концентрические трубы, одна из которых (внутренняя) нагревалась, а вторая (наружная) охлаждалась. Между ними должен был подаваться газообразный шестифтористый уран и при этом более легкие изотопы (уран-235) должны были бы подниматься вверх быстрее, а более тяжелые (уран-238) медленнее, что позволило бы отделять их друг от друга (метод Клузиуса — Диккеля).
Тогда же Вернер Гейзенберг начал теоретические работы по конструированию ядерного реактора.
В своём отчёте «Возможность технического получения энергии при расщеплении урана», законченном в декабре 1939 г., Гейзенберг пришёл к следующему выводу: «В целом можно считать, что при смеси уран — тяжёлая вода в шаре радиусом около 60 см, окружённом водой (около 1000 кг тяжёлой воды и 1200 кг урана), начнется спонтанное выделение энергии». Одновременно Гейзенберг рассчитал параметры другого реактора, в котором уран и тяжёлая вода не смешивались, а располагались слоями. По его мнению, «процесс расщепления поддерживался бы долгое время», если бы установка состояла из слоёв урана толщиной 4 см и площадью около 1 м2, перемежаемых слоями тяжелой воды толщиной около 5 см, причем после трехкратного повторения слоев урана и тяжёлой воды необходим слой чистого углерода (10-20 см), а весь реактор снаружи также должен быть окружен слоем чистого углерода.
На основании этих расчетов фирма «Ауэрге» получила заказ на изготовление небольших количеств урана, а норвежская фирма Norsk Hydro должна была поставить тяжёлую воду. Во дворе Физического института в Берлине для подтверждения расчётов Гейзенберга началось сооружение реакторной сборки.
Первой неудачей германского ядерного проекта стало то, что установка для разделения изотопов по методу Клузиуса — Диккеля, смонтированная в Леверкузене, оказалась неработающей, и в начале 1941 г. учёные вынуждены были признать, что разделение изотопов урана этим методом невозможно. В результате немецкие учёные потратили на бесплодные эксперименты около года.
Немецкие физики разработали не менее пяти способов обогащения урана. Закономерно то, что среди них наиболее перспективным считался «инерционный способ» — то есть разделение изотопов с помощью специальной центрифуги. Считается, что проект центрифугирования не был реализован, потому что у доктора Грота, занимавшегося строительством центрифуги, не хватило терпения и денег, чтобы довести работу до конца. Также есть мнение, что близок к успеху был и барон М. фон Арденне, в лаборатории которого был построен «электромагнитный сепаратор», по своим характеристикам не уступавший аналогичному американскому устройству.
В конце 1940 г. Гейзенберг проводил эксперимент по созданию реакторной сборки на основе своих расчётов, но цепную реакцию вызвать не удалось, и Гейзенбергу и его сотрудникам стало ясно, что теоретические расчёты, положенные в основу эксперимента, неверны.
Существует мнение, что немецкие учёные не смогли осуществить самоподдерживающуюся ядерную реакцию в связи с тем, что в Германии не было достаточного количества тяжёлой воды как материала замедлителя нейтронов, тогда как более доступный графит в качестве замедлителя нейтронов немцы не использовали из-за знаменитой «ошибки Боте». Но это не совсем так. Боте не сделал никакой ошибки, просто исследуемый им графит не был достаточно чистым, а руководители проекта не занялись вопросом исследования возможности получения более чистого графита. Также есть мнение, что имел место дефицит чистого графита, который требовался в первоочередном порядке для изготовления газовых рулей баллистической ракеты Фау-2.
В серии опытов, проведённых в августе — сентябре 1941 г. в Лейпциге, В. Гейзенберг, К. Ф. фон Вайцзеккер и Р. Дёпель добились положительного результата размножения нейтронов, что служило доказательством протекавшей в массе урана цепной реакции, однако эта реакция ещё не была самоподдерживавшейся.
В записке от 27 ноября 1941 г. Гейзенберг предложил все работы по урановому проекту разделить на необходимые, важные и неважные. Необходимыми он считал только такие, которые делают возможным строительство в кратчайший срок по меньшей мере одного действующего реактора; важными те, которые могут повысить качество работы реактора; прочие работы Гейзенберг причислил к неважным.