stringtranslate.com

Проект П-9

Завод по производству тяжелой воды в Силакоге, штат Алабама

Проект P-9 был кодовым названием, данным во время Второй мировой войны программе Манхэттенского проекта по производству тяжелой воды . Операция Cominco в Трейле, Британская Колумбия , была модернизирована для производства тяжелой воды. DuPont построила три завода в Соединенных Штатах: на артиллерийском заводе Моргантауна, недалеко от Моргантауна, Западная Вирджиния ; на артиллерийском заводе Уобаш-Ривер , недалеко от Даны и Ньюпорта, штат Индиана ; и на артиллерийском заводе Алабамы , недалеко от Чилдерсбурга и Силакоги, штат Алабама . Американские заводы работали с 1943 по 1945 год. Канадский завод в Трейле продолжал работать до 1956 года. Было построено три ядерных реактора с использованием тяжелой воды, произведенной в рамках проекта P-9: Chicago Pile 3 в Аргонне , а также ZEEP и NRX в лабораториях Чок-Ривер в Канаде.

Происхождение

Тяжёлая вода — это форма воды , которая содержит большее, чем обычно, количество изотопа водорода дейтерия , также известного как тяжёлый водород, а не обычный изотоп водорода-1 , который составляет большую часть водорода в обычной воде. [1] Дейтерий был открыт Гарольдом Юри в 1931 году, и позже он смог сконцентрировать его в воде. [2] Его наставник Гилберт Ньютон Льюис выделил первый образец чистой тяжёлой воды электролизом в 1933 году. [3]

Хотя с самого начала тяжелая вода была предметом научного любопытства, значительный интерес к ней возник в 1939 году, когда Ганс фон Хальбан и Лев Коварски предположили, что тяжелая вода может использоваться в качестве замедлителя нейтронов в ядерном реакторе с использованием природного урана . Они провели эксперименты с ураном, используя обычную воду, но обнаружили, что атомы водорода поглощают нейтроны, тем самым предотвращая желаемую цепную реакцию. [4] Тяжелая вода, однако, была идеальным замедлителем. Управление научных исследований и разработок (OSRD) назначило Хью С. Тейлора , британского физика из Принстонского университета, ответственным за исследования тяжелой воды. Тейлор и Юри начали искать способы производства тяжелой воды в промышленных масштабах. Для своего плутониевого проекта Артур Х. Комптон запросил 2 стоуна (28 фунтов; 13 кг) этой воды. [5] Проект тяжелой воды получил кодовое название «Проект P-9» в октябре 1942 года. [6]

Проблема с использованием тяжелой воды заключалась в ее дефиците, и ученые не могли легко получить необходимое для реактора количество. В Колумбийском университете в Соединенных Штатах Энрико Ферми и Лео Силард попытались использовать графит в качестве замедлителя. Это оказалось возможным, но графит должен был быть очень чистым, так как примеси, особенно бор , имели тенденцию поглощать нейтроны. [4] 2 декабря 1942 года команда Ферми инициировала первую искусственную самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию в экспериментальном реакторе, известном как Чикагский реактор-1 . Для Манхэттенского проекта это был решающий шаг на пути к производству плутония в реакторе для использования в атомной бомбе , но для массового производства требовались гораздо более крупные реакторы. [7]

Тащить

Cominco участвовала в исследованиях тяжелой воды с 1934 года и производила ее на своем заводе Teck Cominco в Трейле, Британская Колумбия . 26 февраля 1941 года Канадский национальный исследовательский совет запросил информацию о ее возможностях производить тяжелую воду. За этим последовало письмо от Тейлора от 23 июля 1941 года, в котором он предложил Национальному комитету оборонных исследований (NDRC) контракт на производство 2000 фунтов (910 кг), за который NDRC был готов заплатить 5 долларов за фунт за низкосортную и 10 долларов за высокосортную тяжелую воду. В то время она продавалась по цене до 1130 долларов за фунт. [6]

Президент Cominco, Селвин Г. Блейлок , был осторожен. Послевоенного спроса на тяжелую воду могло не быть, а патент на процесс принадлежал Альберту Эдгару Ноулзу, поэтому требовалось соглашение о разделе прибыли. В ответ Тейлор предложил 20 000 долларов за модификацию завода. [6] [8] Там дело оставалось нерешенным до 6 декабря 1941 года, когда Блейлок встретился с британским физиком GI Higson, который сообщил ему, что Тейлор разочаровался в Cominco и решил найти альтернативный источник тяжелой воды. Блейлок пригласил Тейлора посетить Trail, что он и сделал с 5 по 8 января 1942 года. Вскоре они нашли общий язык. Блейлок согласился производить тяжелую воду в Trail и быстро получил одобрение председателя правления сэра Эдварда Битти . Контракт был подписан 1 августа 1942 года. [6]

К существующему заводу стоимостью 10 миллионов долларов, состоящему из 3215 ячеек, потребляющих 75 МВт гидроэлектроэнергии, были добавлены ячейки вторичного электролиза для увеличения концентрации дейтерия в воде с 2,3% до 99,8%. Для этого процесса Тейлор разработал катализатор платина-на-углероде для первых трех стадий, а Юри разработал никель- хромовый для башни четвертой стадии. [9] Было приобретено семь новых участков земли общей площадью 0,474 акра (0,192 га), которые были арендованы правительством США. Строительство было осуществлено Stone & Webster . Окончательная стоимость составила 2,8 миллиона долларов. Канадское правительство официально узнало о проекте только в августе 1942 года, [10] [11] незадолго до начала строительства в следующем месяце. Он был завершен 30 июня 1943 года, его стоимость составила 2 604 622 доллара. [9]

Производство неуклонно росло с 15 фунтов (6,8 кг) в июне 1943 года до 326 фунтов (148 кг) в январе 1944 года, 1055 фунтов (479 кг) в январе 1945 года и 1305 фунтов (592 кг) в январе 1946 года. [12] Эксплуатационные расходы завода в среднем составляли 32 979 долларов в месяц в период с июня 1943 года по декабрь 1946 года, [13] когда Манхэттенский проект был заменен Комиссией по атомной энергии . [14] Это составило 39 долларов за фунт. [13] Производство тяжелой воды на заводе Trail продолжалось до 1956 года. [10]

Американские сайты

Завод по производству тяжелой воды в Силакоге, штат Алабама

Директор Манхэттенского проекта, бригадный генерал Лесли Р. Гроувс-младший , в ноябре 1942 года нанял DuPont в качестве генерального подрядчика для строительства комплекса по производству плутония. [7] Хотя предпочтительные проекты DuPont для ядерных реакторов были с гелиевым охлаждением и использовали графит в качестве замедлителя, DuPont все еще выражал заинтересованность в использовании тяжелой воды в качестве резерва, на случай, если конструкция графитового реактора окажется по какой-то причине невыполнимой. Для этой цели было подсчитано, что потребуется 3 коротких тонны (2,7 т) тяжелой воды в месяц. Поскольку завод в Трейле, который тогда строился, мог производить 0,5 коротких тонны (0,45 т) в месяц, требовалась большая мощность. [15]

Поэтому Гроувс уполномочил DuPont создать дополнительные объекты по производству тяжелой воды на артиллерийских заводах Моргантауна, недалеко от Моргантауна, Западная Вирджиния ; на артиллерийских заводах Уобаш-Ривер , недалеко от Даны и Ньюпорта, штат Индиана ; и на артиллерийских заводах Алабамы , недалеко от Чилдерсбурга и Силакоги, штат Алабама . Хотя они были известны как артиллерийские заводы и оплачивались по контрактам Департамента артиллерийского вооружения , они были построены и эксплуатировались Инженерным корпусом армии США . Размещение их на артиллерийских заводах сэкономило расходы на приобретение земли, поскольку она уже принадлежала правительству, и у них уже был персонал и коммунальные услуги, включая парогенерирующее оборудование. Три американских завода использовали процесс, отличный от Trail; тяжелая вода извлекалась путем дистилляции, используя преимущество немного более высокой температуры кипения тяжелой воды. [15] Это не считалось эффективным процессом, но было известно, что он работает и масштабируется до промышленного процесса, и поэтому представлял меньший риск, чем другие предложения. [16] Ожидалось, что Моргантаун, Уобаш и Алабама будут производить 0,4 коротких тонны (0,36 т), 1,2 коротких тонны (1,1 т) и 0,8 коротких тонны (0,73 т) тяжелой воды в месяц соответственно [17] с концентрацией 99,75%. [18]

Моргантаун

Morgantown Ordnance Works (MOW) начинался как химическое производственное предприятие площадью 826 акров (334 га), которым управляла компания DuPont во время Второй мировой войны, а строительство основного предприятия началось летом 1940 года. [19] Первоначально производя аммиак для использования в производстве взрывчатых веществ, MOW также производил спирт, гексамин и формальдегид, прежде чем был расширен для производства тяжелой воды для использования в проекте P-9. [20] Работы в Morgantown проводились компанией DuPont по контракту с фиксированной оплатой , как и работы в Wabash и Alabama. Строительство началось 7 января 1943 года и было в значительной степени завершено раньше запланированной даты 1 сентября. Объекты были постепенно введены в эксплуатацию в период с 29 мая по 28 августа 1943 года. Стоимость составила 3 ​​490 069 долларов. Первоначально фиксированная сумма гонорара DuPont составляла 154 882 доллара, но затем она была добровольно снижена до 88 588 долларов, поскольку стоимость строительства оказалась значительно меньше первоначально оцененных 6 034 000 долларов. [21]

Электролитический завод по отделке был создан в Моргантауне, поскольку этот завод находился под контролем аммиачного отделения компании DuPont. На этом заводе выход из дистилляционных установок, который на 90% состоял из тяжелой воды, расщеплялся электролизом на водород и кислород. Легкий водород, как правило, отводится первым, оставляя тяжелую воду. Этот процесс повторялся на нескольких этапах, чтобы получить готовый продукт, который на 99,75% состоял из тяжелой воды. [22] После того, как вода достигала концентрации 99,75%, тяжелая вода затем транспортировалась по железной дороге в Чикагский университет , где она использовалась в качестве потенциального замедлителя для первых ядерных реакторов, построенных в Соединенных Штатах. [20]

После окончания войны компания DuPont прекратила свою деятельность на MOW, и участок сдавался в аренду различным химическим компаниям до начала 1950-х годов, прежде чем пустовал до 1962 года, когда территория была куплена у Управления общих служб США за 1,25 миллиона долларов Ассоциацией сообщества Моргантауна. Затем собственность была передана недавно созданной компании Morgantown Ordnance Works, Inc., принадлежащей местному промышленнику Дж. У. Руби, который начал преобразовывать участок в промышленный парк. [19] В 1984 году часть участка была официально предложена для добавления в Национальный список приоритетов Агентства по охране окружающей среды (EPA) Superfund и была добавлена ​​в список два года спустя, в 1986 году. Строительство по исправлению положения началось в 2001 году и включало консолидацию загрязненных материалов на свалке на месте, которая была покрыта многослойным покрытием. Средство правовой защиты также включало долгосрочный мониторинг и институциональный контроль и было завершено в 2003 году. [23] 21 августа 2018 года Агентство по охране окружающей среды исключило районы утилизации боеприпасов из Национального списка приоритетов Суперфонда вместе с восемью другими объектами. [24]

Уобаш

Строительство началось 23 января 1943 года и было в основном завершено 22 октября. Этапы дистилляционного завода P-9 были введены в эксплуатацию между 17 июня и 18 сентября 1943 года. Общая стоимость составила $7 493 157, включая гонорар DuPont в размере $152 472, который был добровольно уменьшен с $272 776, поскольку завод был построен за существенно меньшую сумму, чем выделенные $13 665 000. [25]

Алабама

Строительство началось 11 февраля 1943 года и было завершено 15 ноября. Этапы дистилляционного завода P-9 были введены в эксплуатацию между 29 мая и 4 сентября 1943 года. Общая стоимость составила 3 ​​466 171 доллар, включая гонорар DuPont в размере 70 368 долларов, который был добровольно уменьшен с 184 680 долларов, поскольку завод был построен за значительно меньшую сумму, чем выделенные 8 285 000 долларов. [26]

Производство

Чикаго Пайл-3

Три американских завода так и не достигли запланированного производства в 4800 фунтов (2200 кг) в месяц. Был рассмотрен ряд предложений по улучшению производства, и наиболее многообещающие были реализованы. Наиболее успешным из них была реконструкция башен первой ступени в Моргантауне для уменьшения утечки, что привело к значительному улучшению производительности. Однако к этому времени, в начале 1945 года, было решено, что производство было достаточным, и расходы на выполнение этого на других заводах не могли быть оправданы. [27]

Завод по дистилляции P-9 в Алабаме был закрыт в июне 1945 года, в Уобаше — в июле, а в Моргантауне — в августе. Завод электролитической отделки в Моргантауне был закрыт в сентябре. Промежуточный продукт, оставшийся после закрытия заводов, был отправлен в Трейл. Это привело к получению примерно 1600 фунтов (730 кг) дополнительного производства в Трейл. С февраля 1944 года по август 1945 года завод электролитической отделки в Моргантауне, который заканчивал продукцию для всех трех заводов, производил в среднем 2277 фунтов (1033 кг) в месяц, что в общей сложности составило 43253 фунта (19619 кг). [27]

Электролитический финишный завод также переработал 3151 фунт (1429 кг) тяжелой воды, извлеченной из Германии миссией Алсос Манхэттенского проекта . [27] Средняя ежемесячная себестоимость производства составила 72 000 долларов США для Моргантауна, 154 000 долларов США в Алабаме и 197 400 долларов США в Уобаше, что в общей сложности составило 423 400 долларов США. Таким образом, тяжелая вода стоила 186 долларов США за фунт, исключая стоимость заводов в размере 11 967 000 долларов США. Если это включить, то она стоила 550 долларов США за фунт по сравнению со 111 долларами США за фунт в Трейле. [28]

Промежуточный продукт отправлялся из Уобаша и Алабамы по железной дороге в герметичных металлических контейнерах. Готовый продукт отправлялся по железной дороге из Моргантауна по железной дороге Мононгахела и Трейл через Канадскую Тихоокеанскую железную дорогу в Металлургическую лабораторию Манхэттенского проекта в Чикагском университете . [28] [29] Тяжёлая вода из Трейла использовалась для Чикагского котла 3 в Аргонне , первого реактора, использующего тяжёлую воду и природный уран. Разработанный Юджином Вигнером и построенный под руководством Уолтера Зинна , он стал критическим 15 мая 1944 года. Выделенная тяжёлая вода использовалась лабораториями Чок-Ривер для строительства ZEEP под руководством Коварски, который стал критическим в сентябре 1945 года. За ним последовал его реактор NRX в 1947 году, который также был замедлителем на тяжёлой воде. Как и CP-3 и ZEEP, он использовался для научных исследований, а не для производства плутония. [10]

Спрос на тяжёлую воду увеличился в начале 1950-х годов. [16] Завод по производству тяжёлой воды в Уобаше, теперь переименованный Комиссией по атомной энергии в завод Дана, был вновь открыт, и компания DuPont возобновила производство тяжёлой воды в мае 1952 года. [30] Площадка использовалась в качестве пилотной установки для нового производственного процесса с использованием сероводорода . Завод по производству тяжёлой воды был снова закрыт в начале 1957 года. [31] Завод и более крупный комплекс на площадке Саванна-Ривер выполнили своё предназначение, поставляя тяжёлую воду для реакторов по производству плутония в Саванна-Ривер. [32]

Примечания

  1. ^ Уолтем 2002, стр. 2.
  2. ^ HC Urey; Ferdinand G. Brickwedde; GM Murphy (1932). "Изотоп водорода с массой 2". Physical Review . 39 (1): 164–165. Bibcode : 1932PhRv...39..164U. doi : 10.1103/PhysRev.39.164 .
  3. ^ Льюис, ГН; Макдональд, Р.Т. (1933). «Концентрация изотопа H2». Журнал химической физики . 1 (6): 341. Bibcode : 1933JChPh...1..341L. doi : 10.1063/1.1749300.
  4. ^ ab Waltham 2002, стр. 6.
  5. ↑ Хьюлетт и Андерсон, 1962, стр. 66–67.
  6. ^ abcd Andrews, CD (осень 1971 г.). «Cominco и Манхэттенский проект». BC Studies (11): 51–62. ISSN  0005-2949 . Получено 21 мая 2016 г. .
  7. ^ ab Hewlett & Anderson 1962, стр. 107–112.
  8. ^ Патент США 2,044,704
  9. ^ ab Manhattan District 1947, стр. 4.7–4.9.
  10. ^ abc Waltham 2002, стр. 8–9.
  11. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 3.3–3.6.
  12. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 5.5.1.
  13. ^ ab Manhattan District 1947, стр. 5.10.
  14. ↑ Джонс 1985, стр. 600.
  15. ^ ab Jones 1985, стр. 107–108.
  16. ^ ab Hewlett & Duncan 1969, стр. 428–429.
  17. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. S3.
  18. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 2.13.
  19. ^ ab Core 1984, стр. 496–497.
  20. ^ ab Manhattan District 1947, стр. 5.32.
  21. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 4.10–4.9.
  22. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 3.18–3.21.
  23. ^ "Ordnance Works Disposal Areas Morgantown, WV". Агентство по охране окружающей среды США . Получено 1 апреля 2020 г.
  24. ^ Сенека, Рой (23 августа 2018 г.). «EPA удаляет сайт в Моргантауне, Западная Вирджиния, из списка национальных приоритетов Суперфонда». Агентство по охране окружающей среды США . Получено 1 апреля 2020 г.
  25. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 4.16–4.21.
  26. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 4.22–4.24.
  27. ^ abc Manhattan District 1947, стр. S17–S18.
  28. ^ ab Manhattan District 1947, стр. S18–S20.
  29. ↑ Манхэттенский округ 1947, стр. 3.1, 3.12.
  30. ^ "Отчет об исторических объектах – Завод боеприпасов армии Ньюпорта" (PDF) . Август 1984 г. Получено 1 марта 2014 г.
  31. ^ JW (Bill) Morris, William P. Bebbington, Robert G. Garvin, Mal C. Schroder и WC Scotten. "Тяжелая вода для площадки Savannah River" (PDF) . Citizens for Nuclear Technology Awareness . Получено 1 марта 2014 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  32. ^ "История атомной энергетики – Глава 13: Реакторы, топливо и подъем энергетики (1955–1963)" (PDF) . Сайт Savannah River . Получено 1 марта 2014 г. .

Ссылки