Калютрон - Calutron

Мужчина стоит перед С-образным объектом вдвое больше его.
Бак калютрона Alpha снят с магнита для извлечения урана-235

Калютрон представляет собой масс - спектрометр первоначально разработан и использован для разделения изотопов от урана . Он был разработан Эрнестом Лоуренсом во время Манхэттенского проекта и основан на его более раннем изобретении - циклотроне . Его название было получено от Циклотрона Калифорнийского университета, в честь учреждения Лоуренса, Калифорнийского университета , где он был изобретен. Калютроны использовались на заводе по обогащению урана Y-12 в промышленных масштабах на заводе Clinton Engineer Works в Ок-Ридже, штат Теннесси . Полученный обогащенный уран был использован в атомной бомбе Little Boy, которая была взорвана над Хиросимой 6 августа 1945 года.

Калютрон представляет собой секторный масс-спектрометр , прибор, в котором образец ионизируется, а затем ускоряется электрическими полями и отклоняется магнитными полями . Ионы в конечном итоге сталкиваются с пластиной и производят измеримый электрический ток . Поскольку ионы разных изотопов имеют одинаковый электрический заряд, но разные массы, более тяжелые изотопы меньше отклоняются магнитным полем, в результате чего пучок частиц разделяется на несколько пучков по массе, ударяя по пластине в разных местах. Масса ионов может быть вычислена в соответствии с силой поля и заряда ионов. Во время Второй мировой войны калютроны были разработаны для использования этого принципа для получения значительных количеств урана-235 высокой чистоты, используя небольшую разницу масс между изотопами урана.

В послевоенный период от электромагнитной сепарации для обогащения урана отказались в пользу более сложного, но более эффективного метода газовой диффузии . Хотя большинство калютронов Манхэттенского проекта были демонтированы в конце войны, некоторые из них остались использоваться для производства изотопно-обогащенных образцов природных элементов для военных, научных и медицинских целей.

Происхождение

Новости об открытии деления ядер немецкими химиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманном в 1938 году и его теоретическое объяснение Лиз Мейтнер и Отто Фриш были доставлены в Соединенные Штаты Нильсом Бором . Основываясь на своей жидко-капельной модели ядра, он предположил, что именно изотоп урана-235, а не более распространенный уран-238 , был в первую очередь ответственен за деление тепловыми нейтронами . Чтобы проверить это, Альфред О.К. Ниер из Университета Миннесоты использовал масс-спектрометр для создания микроскопического количества обогащенного урана-235 в апреле 1940 года. Джон Р. Даннинг , Аристид фон Гросс и Юджин Т. Бут смогли подтвердить, что Бор был верный. Лео Сциллард и Уолтер Зинн вскоре подтвердили, что за одно деление выделяется более одного нейтрона, что почти гарантировало возможность инициирования цепной ядерной реакции и, следовательно, создание атомной бомбы было теоретической возможностью. Были опасения, что немецкий проект атомной бомбы будет разработан первым, особенно среди ученых, которые были беженцами из нацистской Германии и других фашистских стран.

Диаграмма, показывающая источник, поток частиц отклоняется на 180 ° и попадает в коллектор
Схема разделения изотопов урана в калютроне

В Университете Бирмингема в Великобритании австралийский физик Марк Олифант поручил двум физикам-беженцам - Отто Фришу и Рудольфу Пайерлсу - исследовать возможность создания атомной бомбы, по иронии судьбы, потому что их статус вражеских инопланетян не позволял им работать над секретными проектами, такими как радар. . В их меморандуме Фриша-Пайерлса от марта 1940 г. указывалось, что критическая масса урана-235 находится в пределах порядка 10 кг, что достаточно мало для того, чтобы его мог нести бомбардировщик того времени. Британский комитет Мод единогласно рекомендовал продолжить разработку атомной бомбы. Великобритания предложили , чтобы дать Соединенным Штатам доступ к его научным исследованиям, поэтому Миссия Tizard «s Джон Кокрофт проинформировала американские ученый о британских разработках. Он обнаружил, что американский проект меньше, чем британский, и не так далеко продвинулся.

Разочарованный Олифант прилетел в Соединенные Штаты, чтобы поговорить с американскими учеными. Среди них Эрнест Лоуренс в Университете Калифорнии «s Радиационной лаборатории в Беркли . Двое мужчин познакомились до войны и были друзьями. Лоуренс был достаточно впечатлен, чтобы начать собственное исследование урана. Уран-235 составляет лишь около 0,72% природного урана, поэтому коэффициент разделения любого процесса обогащения урана должен быть выше 1250 для получения 90% урана-235 из природного урана. Комитет Мод рекомендовал делать это с помощью процесса газовой диффузии , но Олифант в 1934 году первым изобрел другой метод: электромагнитное разделение. Это был процесс, который использовал Ниер.

Принцип электромагнитного разделения состоит в том, что заряженные ионы отклоняются магнитным полем, а более легкие отклоняются сильнее, чем тяжелые. Причина Мод комитета, а затем и его американский коллега, то S-1 Секция из Управления научных исследований и развития прошел (ОСРД), над электромагнитным методом было то , что в то время как масс - спектрометр был способен разделения изотопов, он произвел очень низкая урожайность. Причиной тому стало так называемое ограничение объемного заряда . Положительные ионы имеют положительный заряд, поэтому они имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, что приводит к рассеянию луча. Опираясь на свой опыт точного управления пучками заряженных частиц из его работы над своим изобретением, циклотроном , Лоуренс подозревал, что молекулы воздуха в вакуумной камере нейтрализуют ионы и создают сфокусированный пучок. Олифант вдохновил Лоуренса на преобразование его старого 37-дюймового (94 см) циклотрона в гигантский масс-спектрометр для разделения изотопов .

Четверо мужчин в костюмах склоняются над машиной.
Фрэнк Оппенгеймер (в центре справа) и Роберт Торнтон (справа) исследуют излучатель с 4 источниками для улучшенного калютрона Alpha.

37-дюймовый циклотрон в Беркли был демонтирован 24 ноября 1941 года, и его магнит был использован для создания первого калютрона. Его название произошло от Калифорнийского университета и циклотрона. Первоначально работа финансировалась Радиационной лабораторией за счет собственных ресурсов, при этом исследовательская корпорация предоставила грант в размере 5000 долларов . В декабре Лоуренс получил грант в размере 400 000 долларов от уранового комитета S-1. Калютрон состоял из источника ионов в виде ящика с прорезью внутри и горячими нитями внутри. Тетрахлорид урана ионизировался нитью накала, а затем пропускался через щель размером 0,04 на 2 дюйма (1,0 на 50,8 мм) в вакуумную камеру. Затем магнит использовали для отклонения ионного пучка на 180 °. Обогащенный и обедненный пучки поступали в коллекторы.

Когда калютрон впервые был задействован 2 декабря 1941 года, всего за несколько дней до того, как японская атака на Перл-Харбор привела Соединенные Штаты во Вторую мировую войну , коллектор получил урановый луч силой 5 микроампер (мкА). Предположение Лоуренса о влиянии молекул воздуха в вакуумной камере подтвердилось. За девять часов 14 января 1942 года с пучком 50 мкА было получено 18 микрограммов (мкг) урана, обогащенного до 25% урана-235, что примерно в десять раз больше, чем произвел Ниер. К февралю усовершенствования техники позволили генерировать пучок 1400 мкА. В том же месяце образцы 75 мкг с обогащением до 30% были отправлены в Британию и в Металлургическую лабораторию в Чикаго.

Другие исследователи также исследовали электромагнитное разделение изотопов. В Принстонском университете группа под руководством Генри Д. Смита и Роберта Р. Уилсона разработала устройство, известное как изотрон. Используя клистрон , они смогли разделить изотопы с помощью электричества высокого напряжения, а не магнетизма. Работа продолжалась до февраля 1943 года, когда ввиду большего успеха калютрона работы были прекращены, а бригада была переведена на другие должности. В Корнельском университете группа под руководством Ллойда П. Смита, в которую входили Уильям Э. Паркинс и А. Теодор Форрестер, разработала радиальный магнитный сепаратор. Они были удивлены тем, что их лучи были более точными, чем ожидалось, и, как и Лоуренс, пришли к выводу, что это было результатом стабилизации луча воздухом в вакуумной камере. В феврале 1942 года их команда была объединена с командой Лоуренса в Беркли.

Исследование

Несмотря на то, что этот процесс продемонстрировал свою эффективность, все же потребовались значительные усилия, прежде чем прототип можно было испытать в полевых условиях. Лоуренс собрал команду физиков для решения проблем, включая Дэвида Бома , Эдварда Кондона , Дональда Кукси , А. Теодора Форрестера, Ирвинга Ленгмюра , Кеннета Росс Маккензи , Фрэнка Оппенгеймера , Дж. Роберта Оппенгеймера , Уильяма Э. Паркинса, Бернарда Петерса и Джозефа. Слепян . В ноябре 1943 года к ним присоединилась британская миссия во главе с Олифантом, в которую входили коллеги-физики из Австралии Харри Мэсси и Эрик Бурхоп , а также британские физики, такие как Джоан Карран и Томас Аллибоун .

Очень большое здание со странной штуковиной.  К его частям ведет лестница.
Отделение разработки XAX в Ок-Ридже использовалось для исследований, разработок и обучения.

Лоуренс строил в Беркли большой циклотрон с магнитом на 184 дюйма (470 см). Он был преобразован в калютрон, который впервые был включен 26 мая 1942 года. Как и 37-дюймовая версия, он выглядел как гигантская буква C. Оператор сидел на открытом конце, откуда можно было регулировать температуру, положение электродов и даже заменять компоненты через воздушный шлюз во время его работы. Новый, более мощный калютрон использовался не для производства обогащенного урана, а для экспериментов с несколькими источниками ионов. Это означало наличие большего количества коллекторов, но увеличивало пропускную способность.

Проблема заключалась в том, что лучи мешали друг другу, создавая серию колебаний, называемых хешем. В сентябре 1942 года было разработано устройство, которое минимизировало помехи, что привело к получению достаточно хороших лучей. Роберт Оппенгеймер и Стэн Франкель изобрели магнитную прокладку , устройство, используемое для регулировки однородности магнитного поля. Это были листы железа шириной около 3 футов (1 м), которые были прикреплены болтами к верхней и нижней части вакуумного резервуара. Эффект прокладок заключался в небольшом увеличении магнитного поля таким образом, чтобы помочь сфокусировать ионный пучок. Работа над прокладками продолжалась до 1943 года. Основными патентами калютрона были методы и устройство для разделения материалов (Лоуренс), магнитные прокладки (Оппенгеймер и Франкель) и система Калютрона (Лоуренс).

Позже Бурхоп и Бом изучили характеристики электрических разрядов в магнитных полях, которые сегодня известны как диффузия Бома . Их статьи о свойствах плазмы в условиях магнитного удержания найдут применение в послевоенном мире в исследованиях управляемого ядерного синтеза . Другие технические проблемы были более приземленными, но не менее важными. Хотя лучи имели низкую интенсивность, они могли в течение многих часов работы все же расплавить коллекторы. Поэтому к коллекторам и облицовке резервуара была добавлена ​​система водяного охлаждения. Были разработаны процедуры очистки «мусора», который сконденсировался внутри вакуумного резервуара. Особая проблема заключалась в блокировании щелей «грязью», из-за чего ионные пучки теряли фокус или полностью останавливались.

Химики должны были найти способ производства тетрахлорида урана ( UCl
4
) из оксида урана . (Nier использовал бромид урана.) Первоначально они производили его, используя водород для восстановления триоксида урана ( UO
3
) в диоксид урана ( UO
2
), который затем подвергали реакции с четыреххлористым углеродом ( CCl
4
) для производства тетрахлорида урана. Чарльз А. Краус предложил лучший метод для крупномасштабного производства, который включал реакцию оксида урана с четыреххлористым углеродом при высокой температуре и давлении. Это произвело пентахлорид урана ( UCl
5
) и фосген ( COCl
2
). Хотя тетрахлорид урана далеко не так опасен, как гексафторид урана, используемый в процессе газовой диффузии, он гигроскопичен , поэтому работу с ним приходилось проводить в перчаточных боксах , которые содержались сухими с помощью пятиокиси фосфора ( P
4
O
10
). Присутствие фосгена, смертельного газа, требовало от химиков использования противогазов.

Из 19,6 $ млн потрачено на исследования и разработки электромагнитного процесса, $ 18 млн (92 процентов) было проведено в лаборатории радиационной в Беркли, а также дальнейшей работы , проведенной в Университете Брауна , Университет Джона Хопкинса и Университета Пердью , и в Теннесси Eastman корпорации . В 1943 году акцент сместился с исследований на разработки, инжиниринг и обучение рабочих для эксплуатации производственных мощностей на заводе Clinton Engineer Works в Ок-Ридже, штат Теннесси . К середине 1944 года в Радиационной лаборатории работало около 1200 человек.

дизайн

Значительный прогресс в электромагнитном процессе можно отнести к стилю руководства Лоуренса. Его смелость, оптимизм и энтузиазм были заразительны. Его сотрудники работали долгие часы, а администраторы Калифорнийского университета преодолевали бюрократизм, несмотря на то, что не знали, о чем идет речь. Правительственные чиновники начали рассматривать разработку атомных бомб, чтобы вовремя повлиять на исход войны, как реальную возможность. Ванневар Буш , директор OSRD, который курировал этот проект, посетил Беркли в феврале 1942 года и нашел атмосферу там «стимулирующей» и «освежающей». 9 марта 1942 года он сообщил президенту Франклину Д. Рузвельту , что к середине 1943 года, возможно, удастся произвести достаточно материала для бомбы, основываясь на новых оценках Роберта Оппенгеймера, согласно которым критическая масса сферы из чистого урана -235 был от 2,0 до 2,5 кг.

Два ряда панелей управления с циферблатами и переключателями.  Операторы сидят у них на четвероногих табуретах.
Панели управления и операторы калютронов на заводе Oak Ridge Y-12 . Операторы, в основном женщины, работали посменно по 24 часа в сутки.

Эксперименты с 184-дюймовым магнитом привели к созданию прототипа калютрона, названного XA. Он содержал прямоугольный магнит с тремя катушками с горизонтальным полем, в котором резервуары калютрона могли стоять бок о бок, с четырьмя вакуумными резервуарами, каждый с двойным источником. На заседании Исполнительного комитета S-1 25 июня 1942 года, который 19 июня заменил Комитет по урану S-1, было предложение построить электромагнитную установку в Ок-Ридже, где будут располагаться другие объекты Манхэттенского проекта. из соображений экономии и безопасности. Лоуренс подал возражение из-за своего желания разместить установку электромагнитной сепарации намного ближе к Беркли. Район плотины Шаста в Калифорнии рассматривался для строительства электромагнитной станции до сентября 1942 года, когда Лоуренс снял свои возражения. Встреча 25 июня также определила Stone & Webster в качестве основного подрядчика по проектированию и проектированию.

Армия взяла на себя ответственность за Манхэттенский проект 17 сентября 1942 года под руководством бригадного генерала Лесли Р. Гровса-младшего , хотя официально армия не принимала контракты с Калифорнийским университетом от OSRD до 1 мая 1943 года. Майор Томас Т. Креншоу-младший стал инженером в Калифорнии в августе 1942 года , а его помощником стал капитан Гарольд А. Фидлер , который вскоре заменил его. Креншоу основал свой офис в лаборатории Доннера Калифорнийского университета. В сентябре 1942 года исполком С-1 рекомендовал построить пятибаковый опытный завод вместе с 200-танковым отделением производственного завода.

С октября 1942 года по ноябрь 1943 года Гровс ежемесячно посещал Радиационную лабораторию в Беркли. Отчеты показали , что по сравнению с альтернативами газовой диффузионной установки или плутония -продуцирующих ядерного реактора , электромагнитная установка займет больше времени и потребует более дефицитных материалов для сборки, и нужна больше сил и больше электроэнергии для работы. Следовательно, стоимость килограмма делящегося материала будет намного выше. С другой стороны, хотя альтернативные процессы все еще сталкиваются со значительными техническими препятствиями, электромагнитный процесс доказал свою эффективность и может быть построен поэтапно, чтобы немедленно начать производство делящегося материала. 14 ноября Groves отменил пилотный завод в пользу немедленного перехода к производственному предприятию.

Радиационная лаборатория передала в Stone & Webster предварительные проекты производственного предприятия до конца года, но один важный вопрос остался нерешенным. Оппенгеймер утверждал, что уран оружейного качества должен быть на 90% чистым ураном-235. Эдвард Лофгрен и Мартин Камен считали, что этого нельзя достичь без второго этапа обогащения. Эти две стадии стали называться альфа и бета. В марте 1943 года Гровс одобрил строительство пяти ипподромов Alpha и двух Beta. В сентябре он разрешил еще четыре ипподрома Alpha, которые стали известны как Alpha II, а также еще два ипподрома Beta для обработки их продукции.

строительство

Множество промышленных зданий с множеством опор и проводов, на заднем плане - пара дымовых труб.
Электромагнитная установка Я-12

Строительство электромагнитного завода в Ок-Ридже под кодовым названием Y-12 началось 18 февраля 1943 года. В конечном итоге завод будет состоять из девяти основных производственных зданий и 200 других построек, занимающих площадь почти 80 акров (32 га). Участок площадью 825 акров (334 га) в долине Беар-Крик к юго-западу от поселка Ок-Ридж был выбран в надежде, что окружающие линии хребта могут содержать крупный взрыв или ядерную аварию. Проблемы с основанием потребовали от землеройных бригад дополнительных взрывных работ и земляных работ, чтобы обеспечить надлежащий фундамент для тяжелой техники на объектах.

Залили поставки и материалы всех видов: 2 157 вагонов электрооборудования, 1 219 единиц тяжелого оборудования, 5 389 пиломатериалов, 1 407 труб и фитингов, 1 188 единиц стали, 257 арматуры и 11 сварочных электродов. На ипподромах потребовалось 85 000 электронных ламп . Там, где это было возможно, использовались стандартные компоненты, но слишком многие компоненты калютронов были уникальными. Были созданы два отдела закупок: один в Бостоне возле Stone & Webster для производственного оборудования, а другой в Ок-Ридж для строительных материалов.

Главный инженер округа Манхэттен полковник Джеймс Маршалл и его заместитель подполковник Кеннет Д. Николс обнаружили, что для процесса электромагнитного разделения изотопов потребуется 5000 коротких тонн (4500 тонн) меди , которой крайне не хватало. . Однако они поняли, что серебро можно заменить в соотношении 11:10. С 3 августа 1942 года Николс встретился с заместителем министра финансов , Daniel W. Bell , и попросил перевода серебра в слитках от Депозитария West Point слитках . Николс позже вспоминал этот разговор:

Он объяснил процедуру передачи серебра и спросил: «Сколько вам нужно?» Я ответил: «Шесть тысяч тонн». «Сколько это тройских унций ?» - спросил он. На самом деле я не знал, как конвертировать тонны в тройские унции, и он тоже. Немного нетерпеливый, я ответил: «Я не знаю, сколько тройских унций нам нужно. но я знаю, что мне нужно шесть тысяч тонн - это определенное количество. Какая разница, как мы выражаем количество? »Он довольно возмущенно ответил:« Молодой человек, вы можете думать о серебре в тоннах, но Министерство финансов всегда будет думать о серебре в тройских унциях ».

В итоге было использовано 14 700 коротких тонн (13 300 тонн; 430 000 000 тройских унций) серебра на сумму более 1 миллиарда долларов. Николс должен был ежемесячно предоставлять финансовую отчетность. Серебряные слитки весом 1000 тройских унций (31 кг) были доставлены под охрану в Defense Plant Corporation в Картерете, штат Нью-Джерси , где они были отлиты в цилиндрические заготовки, а затем в Phelps Dodge в Бэйуэй, штат Нью-Джерси , где они были экструдированы. на полосы толщиной 0,625 дюйма (15,9 мм), шириной 3 дюйма (7,6 см) и длиной 40 футов (12 м). Около 258 вагонов были отправлены под охраной по железной дороге в Аллис-Чалмерс в Милуоки, штат Висконсин , где они были намотаны на магнитные катушки и запечатаны в сварные кожухи. В конце концов, они переехали на неохраняемых платформах на инженерный завод Клинтона. Там были введены особые процедуры обращения с серебром. Когда им приходилось просверливать в нем отверстия, они делали это поверх бумаги, чтобы можно было собрать опилки. После войны все оборудование было разобрано и очищено, а половицы под механизмами были разорваны и сожжены, чтобы получить незначительное количество серебра. В итоге была потеряна только 1 / 3,600,000-я. В мае 1970 года последние 67 коротких тонн (61 тонна; 2 000 000 тройских унций) серебра были заменены медью и возвращены в Казначейство.

Большая конструкция овальной формы
Ипподром Alpha I. Калютроны расположены вокруг кольца.

Беговая дорожка XAX с двумя баками и тремя катушками была готова для обучения рабочих в августе 1943 года. Ошибки были обнаружены, но не стали активно устраняться. Первое технологическое здание Alpha, 9201-1, было завершено 1 ноября 1943 года. Когда первая гоночная трасса была запущена для испытаний по графику в ноябре, 14-тонные вакуумные баки выскользнули из центровки на целых 3 дюйма (8 см). ) из-за силы магнитов, и их нужно было закрепить более надежно. Более серьезная проблема возникла, когда магнитные катушки начали закорачиваться. В декабре Гроувс приказал сломать магнит, и внутри были обнаружены пригоршни ржавчины. Влага тоже была проблемой сама по себе, как и слишком тугая намотка провода. Гроувс приказал снести ипподромы, а магниты отправить обратно на завод для очистки и перемотки. Были введены жесткие стандарты подготовки и чистоты, чтобы предотвратить повторение этих проблем.

В ноябре 1943 года подготовка к работе с трассами Beta была перенесена с XAX на тренировочную и развивающую трассу XBX. Вторая гоночная трасса Alpha I была введена в эксплуатацию в январе 1944 года. Первая гоночная трасса Beta, а также третья и первая ипподромы Alpha, которые сейчас ремонтировались, были введены в эксплуатацию в марте. 1944, и четвертый Альфа ипподром в апреле 1944 г. а третий здания, 9201-3, содержали пятый ипподром , который включал некоторые модификации, и были известно как Альфа I 1 / 2 . Он был введен в эксплуатацию 3 июня 1944 года. Работы над химическими корпусами Alpha и Beta, 9202 и 9203, начались в феврале 1943 года и были завершены в сентябре. Работа над технологическим зданием Beta, 9204-1, началась в мае 1943 года и была готова к эксплуатации 13 марта 1944 года, но не была завершена до сентября 1944 года.

Гроувс разрешил Alpha II в сентябре 1943 года. Он состоял из двух новых производственных зданий Alpha, 9201-4 и 9201-5, еще одного Beta, 9204-2, пристройки к химическому зданию Alpha и нового здания Beta Chemistry, 9206. Когда 9206 открылся, старый химический корпус Beta, 9203, был преобразован в лабораторию. 2 ноября 1943 года начались работы над новыми производственными корпусами Alpha II; первая гоночная трасса была построена в июле 1944 года, и все четыре были введены в эксплуатацию к 1 октября 1944 года. Беговые дорожки Alpha II имели линейную компоновку, а не овальную, хотя их все еще называли беговыми дорожками. Всего было 864 калютрона Alpha, расположенных на девяти беговых дорожках из 96. На каждой беговой дорожке Beta было всего 36 калютронов, всего 288 калютронов, хотя только 216 из них когда-либо работали.

Работа над новым технологическим зданием Beta началась 20 октября 1943 года. Установка оборудования началась 1 апреля 1944 года, и оно было готово к использованию 10 сентября 1944 года. Третье технологическое здание Beta, 9204-3, было авторизовано в мае 1944 года для обработки мощность газодиффузионной установки К-25 . Строительство было завершено 15 мая 1945 года. Четвертое технологическое здание Бета, 9204-4, было санкционировано 2 апреля 1945 года и было завершено к 1 декабря 1945 года. В июне 1944 года была начата строительство новой группы химических зданий Альфа, известной как группа 9207. но работы были остановлены в июне 1945 г. до их завершения. Наряду с этими основными постройками были офисы, мастерские, склады и другие постройки. Были две паровые электростанции для отопления и электростанция.

Операции

Длинная прямоугольная конструкция
Бета-ипподром. Эти беговые дорожки второй ступени были меньше, чем ипподромы Alpha, и содержали меньше технологических бункеров. Обратите внимание, что овальная форма беговой дорожки Alpha I была оставлена ​​для простоты обслуживания.

Беговые дорожки Alpha были в 24 раза больше калютрона XA, который вмещал 96 баков калютрона Alpha. Калютроны стояли вертикально и располагались друг напротив друга парами внутренних и внешних машин. Чтобы свести к минимуму магнитные потери и снизить расход стали, узел был изогнут в овальную форму, которая образовала замкнутую магнитную петлю длиной 122 фута (37 м), шириной 77 футов (23 м) и высотой 15 футов (4,6 м). в виде беговой дорожки; отсюда и название. Два здания Альфа I, 9201-1 и 9201-2, каждый из которых содержит два беговых дорожек, с единственным в Альфа Я 1 / 2 , 9201-3. Беговые дорожки Beta были меньше, линейны по форме и оптимизированы для извлечения, а не для производства, с 36 бункерами вместо 96. Четыре гоночных трека Alpha II также имели линейную конфигурацию. В них было внесено множество улучшений, самое важное из которых - четыре источника вместо двух. У них также были улучшенные магниты и вакуумные системы.

Теннесси Истман был нанят для управления Y-12 на основе обычных затрат плюс фиксированная плата, с оплатой в размере 22 500 долларов в месяц плюс 7 500 долларов за гоночную трассу для первых семи гоночных треков и 4000 долларов за дополнительную гоночную трассу. Рабочие были наняты в районе Ноксвилля. Типичным новобранцем была молодая женщина, недавно окончившая местную среднюю школу. Изначально обучение проводилось в Университете Теннесси . С апреля по сентябрь 1943 года обучение было переведено в Беркли, где оно проводилось на калютроне XA и модели беговой дорожки Alpha в масштабе 1:16, а затем в Ок-Ридж, когда стал доступен калютрон XAX. После того, как все калютроны Alpha II будут доступны, потребуется около 2500 операторов. Штат Теннесси Истман в Y-12 увеличился с 10 000 в середине 1944 года до 22 482 в августе 1945 года. По соображениям безопасности стажеры не были проинформированы о назначении оборудования, которому их учили работать.

Изначально калютроны использовались учеными из Беркли для устранения ошибок и достижения разумной скорости работы. Затем операторы Tennessee Eastman взяли верх. Николс сравнил производственные данные единиц и указал Лоуренсу, что молодые «деревенские» девушки-операторы превосходили его докторскую степень. Они согласились на производственную гонку, и Лоуренс проиграл, что повысило моральный дух " Calutron Girls " (в то время их называли операторами кабины) и их руководителей. Женщин учили, как солдат, не объяснять почему, в то время как «ученые не могли удержаться от трудоемкого расследования причин даже незначительных колебаний циферблатов».

Длинная прямоугольная конструкция
Беговая дорожка Alpha II. Таких было четыре.

На какое-то время калютроны пострадали от серии изнурительных поломок и отказов оборудования, усугубленных нехваткой запасных частей. Надежды на то, что беговые дорожки Alpha II будут более надежными, вскоре угасли, поскольку они страдали от отказов изолятора. Эти проблемы постепенно преодолевались. Первые поставки обогащенного урана в лабораторию Манхэттенского проекта в Лос-Аламосе были осуществлены в марте 1944 года и состояли из продукта Alpha, обогащенного до 13-15 процентов по урану-235. Хотя он не использовался в бомбе, он срочно требовался для экспериментов с обогащенным ураном. Последняя партия продукции «Альфа» была произведена 11 мая 1944 года. 7 июня 1944 года Y-12 осуществила первую поставку оружейной продукции «Бета» с обогащением до 89% по урану-235.

Основная проблема заключалась в потере исходного материала и продукта. Только 1 часть из 5 825 сырья стала готовой продукцией. Около 90 процентов было разбрызгано на бутыли с кормом или вакуумные резервуары. Проблема стояла особенно остро с обогащенным кормом калютронов Beta. Были приложены огромные усилия для извлечения продукта, включая сжигание углеродных футеровок приемников для извлечения содержащегося в них урана. Несмотря ни на что, было потеряно около 17,4% продукта Alpha и 5,4% продукта Beta. Фрэнк Спеддинг из лаборатории Эймса Манхэттенского проекта и Филип Бакстер из британского представительства были отправлены посоветовать, как улучшить методы восстановления. Смерть рабочего от воздействия фосгена также подтолкнула к поиску более безопасного производственного процесса.

В феврале 1945 года с жидкостной термодиффузионной установки S-50 начали поступать сырые материалы с небольшим обогащением 1,4% урана-235 . Отгрузки продукции из С-50 были прекращены в апреле. Продукт С-50 вместо него подавали в К-25. В марте 1945 года Y-12 начал получать корм, обогащенный до 5 процентов от K-25. Продукция этих установок представляла собой гексафторид урана ( UF
6
). Он был преобразован в триоксид урана, который затем пошел в обычный процесс для преобразования в тетрахлорид урана. 5 августа 1945 года К-25 начал производить корм, обогащенный до 23 процентов, достаточный для подачи прямо на ипподромы Beta. Оставшийся альфа-продукт затем загружали в К-25. К сентябрю 1945 года калютроны произвели 88 килограммов продукта со средним обогащением 84,5 процента, а беговые дорожки Beta - еще 953 килограмма с обогащением 95 процентов к концу года. Обогащенный уран из калютронов стал делящимся компонентом атомной бомбы Little Boy, использованной при атомной бомбардировке Хиросимы в августе 1945 года.

Манхэттенский проект - стоимость электромагнитного проекта до 31 декабря 1946 г.
Сайт Стоимость (1946 долларов США) Стоимость (2019 долл. США) % от общего
строительство 304 миллиона долларов 3,98 миллиарда долларов 53%
Операции 240 миллионов долларов 3,15 миллиарда долларов 41,9%
Исследование 19,6 млн. Долл. США 258 миллионов долларов 3,4%
дизайн 6,63 млн. Долл. США 86,9 млн. Долл. США 1,2%
Серебряная программа 2,48 миллиона долларов 32,5 миллиона долларов 0,4%
Всего 573 миллиона долларов 7,51 миллиарда долларов

По окончании войны «Альфа-гусеницы» начали приостанавливать операции 4 сентября 1945 года и полностью прекратили работу 22 сентября. Две последние гусеницы Бета были запущены в полную эксплуатацию в ноябре и декабре 1945 года, перерабатывая сырье от К-25 и новой газодиффузионной установки К-27. К маю 1946 года исследования показали, что газодиффузионные установки могут полностью обогатить уран сами по себе, не создавая случайно критической массы. После того, как судебное разбирательство показало, что это так, в декабре 1946 года Гроувс приказал закрыть все треки Beta, кроме одного.

Общая стоимость электромагнитного проекта до завершения Манхэттенского проекта 31 декабря 1946 года составила 673 миллиона долларов (что эквивалентно 8,82 миллиардам долларов в 2019 году).

Послевоенные годы

Персонал на Y-12 упал с пика военного времени в 22 482 человека 21 августа 1945 года до менее 1700 человек в 1949 году. Все калютроны были сняты и разобраны, за исключением тренировочных треков XAX и XBX в здании 9731 и гоночных треков Beta 3 в Корпус 9204–3. В 1947 году Юджин Вигнер , директор Окриджской национальной лаборатории (ORNL), обратился в Комиссию по атомной энергии с просьбой разрешить использовать бета-калютроны для производства изотопов для физических экспериментов. Было получено разрешение, и был произведен широкий спектр изотопов. Литий-6 из калютронов Бета использовался для исследований термоядерного оружия . Многие другие изотопы использовались в мирных научных и медицинских целях. Бета-3 ипподромы были переданы ORNL в марте 1950 года. К середине 1950-х годов бета-калютроны произвели в большом количестве все встречающиеся в природе стабильные изотопы, кроме изотопов осмия , производство которых пришлось ждать до апреля 1960 года. Калютроны продолжали производить изотопов до 1998 года. По состоянию на 2015 год они все еще находятся в резерве.

Как и Соединенные Штаты, Советский Союз (СССР) проводил исследования технологий множественного обогащения для советского проекта атомной бомбы . В 1946 г. был проведен пробный электромагнитный процесс с калютроном с использованием магнита, привезенного из Германии. В 1946 году было выбрано место для электромагнитной установки на Свердловске-45 . Пилотная установка, известная как Завод 418, была завершена в 1948 году. Была разработана более эффективная конструкция, в которой пучки частиц изгибались на 225 ° вместо 180 °, как в американском калютроне. Он использовался для завершения процесса обогащения урана после того, как возникли технические трудности с процессом газовой диффузии. Уран с обогащением около 40 процентов по урану-235 был доставлен в Свердловск-45 для окончательного обогащения от 92 до 98 процентов. После того, как в 1950 году были решены проблемы с процессом газовой диффузии, было решено не создавать полномасштабную электромагнитную установку. По состоянию на 2009 год он продолжает работать. В 1969 году на Арзамасе-16 был построен исследовательский калютрон, известный как С-2, для высокоэффективного разделения изотопов тяжелых элементов, таких как плутоний.

В 1945 году британский проект атомной бомбы построил калютрон 180 °, похожий по конструкции на американский бета-калютрон, в Исследовательском центре атомной энергии в Харвелле, Оксфордшир . Благодаря успеху газодиффузионного завода в Кэпенхерсте , в Великобритании не проводилось электромагнитное разделение, и калютрон использовался для разделения изотопов в исследовательских целях. Конструкция 180 ° не была идеальной для этой цели, поэтому Харвелл построил калютрон 90 °, HERMES, «Электромагнитный сепаратор тяжелых элементов и радиоактивных материалов». Он был вдохновлен французскими сепараторами SIDONIE и PARIS в Лаборатории Рене Берна Парижского университета IX в Орсе и PARSIFAL в военной исследовательской лаборатории Комиссариата по атомной энергии и альтернативным источникам энергии в Брюйер-ле-Шатель . Израиль, Япония и Франция также построили несколько исследовательских калютронов, в том числе сепараторы SOLIS и MEIRA в Центре ядерных исследований Soreq . Существует также CERN «s Изотоп Separator On-Line Detector (ISOLDE), который был построен в 1967 году четыре научно - исследовательских и производственных calutrons были построены в Китае Института атомной энергии в Пекине идентичного дизайна для тех , кто в СССР в начале 1960 - х годов . Калютрон в Институте ядерной физики Саха в Бидхан-Нагаре в Индии был использован для производства плутония для первого ядерного испытания Индии 18 мая 1974 года.

После войны в Персидском заливе 1990–91 годов ЮНСКОМ определила, что Ирак осуществлял программу калютрона по обогащению урана. Ирак предпочел разработать электромагнитный процесс более современным, экономичным и эффективным методам обогащения, потому что калютроны было проще построить, с меньшими техническими проблемами, а компоненты, необходимые для их создания, не подлежали экспортному контролю. На момент открытия программы Ирак, по оценкам, находился на расстоянии двух или трех лет от производства достаточного количества материала для ядерного оружия. Программа была разрушена во время войны в Персидском заливе. Следовательно, Группа ядерных поставщиков добавила оборудование электромагнитного разделения к своим руководящим принципам передачи оборудования, материалов и технологий двойного назначения, связанных с ядерной областью.

Ноты

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Гатри, Эндрю; Wakerling, RK, eds. (1949). Том 1: Вакуумное оборудование и методы . National Nuclear Energy Series, Технический отдел Манхэттенского проекта; Раздел I: Проект электромагнитной сепарации. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. OCLC   546999 .
  • Гатри, Эндрю; Wakerling, RK, eds. (1949). Том 5: Характеристики электрических разрядов в магнитных полях . Национальная серия по ядерной энергии, Технический отдел Манхэттенского проекта; Раздел I: Проект электромагнитной сепарации. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. OCLC   552825 .

внешние ссылки