Проект Эймса был научно-исследовательским и опытно-конструкторским проектом, который был частью более крупного Манхэттенского проекта по созданию первых атомных бомб во время Второй мировой войны . Он был основан Фрэнком Спеддингом из колледжа штата Айова в Эймсе, штат Айова, как ответвление Металлургической лаборатории Чикагского университета, посвященной химии и металлургии , но стал отдельным самостоятельным проектом. Проект Эймса разработал процесс Эймса , метод получения чистого металлического урана, который был необходим Манхэттенскому проекту для его атомных бомб и ядерных реакторов . Между 1942 и 1945 годами он произвел более 1000 коротких тонн (910 т) металлического урана. Он также разработал методы подготовки и литья тория , церия и бериллия . В октябре 1945 года колледж штата Айова получил премию армии и флота «E» за выдающиеся достижения в производстве, награду, которая обычно вручается только промышленным организациям. В 1947 году она стала Лабораторией Эймса , национальной лабораторией при Комиссии по атомной энергии .
Открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году [1], за которым последовало открытие ядерного деления немецкими химиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году [2], а также его теоретическое объяснение (и наименование) Лизой Мейтнер и Отто Фришем вскоре после этого [3] , открыли возможность управляемой цепной ядерной реакции с ураном . [4] 20 декабря 1941 года, вскоре после нападения Японии на Перл-Харбор , которое привело США ко Второй мировой войне , лауреат Нобелевской премии по физике Артур Х. Комптон был назначен ответственным за плутониевый проект, [5] [6] целью которого было создание реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов химического отделения плутония от урана и, в конечном итоге, проектирование и создание атомной бомбы . [7] [8] Это стало Манхэттенским проектом . [9] Хотя успешный реактор еще не был построен, ученые уже разработали несколько различных, но многообещающих концепций конструкции. [10]
В феврале 1942 года Комптон основал Металлургическую лабораторию проекта в Чикагском университете. Ее задачей было построить ядерные реакторы для создания плутония, который будет использоваться в атомных бомбах. [11] За советом по созданию химического отделения лаборатории Комптон, физик, обратился к Герберту Маккою , [12] который имел значительный опыт работы с изотопами и радиоактивными элементами. Маккой рекомендовал Фрэнка Спеддинга из колледжа штата Айова в Эймсе, штат Айова , в качестве эксперта по редкоземельным элементам , которые были химически похожи на ряд актинидов , включающий уран и плутоний. [13] Комптон попросил Спеддинга стать главой химического отделения металлургической лаборатории. [14]
Из-за нехватки места в Чикагском университете Спеддинг предложил организовать часть химического отделения в колледже штата Айова, где у него были коллеги, готовые помочь. Было решено, что Спеддинг будет проводить половину каждой недели в Эймсе, а половину — в Чикаго. [15] Предполагалось, что сотрудники Эймса в конечном итоге переедут в Чикаго, когда появится свободное место, но этого так и не произошло. Успех проекта Эймса обеспечил то, что он стал отдельной лабораторией в рамках Манхэттенского проекта. [16]
Спеддинг начал с того, что нанял двух коллег-ученых из колледжа штата Айова, чтобы они стали его заместителями директора; Харли А. Вильгельм , эксперт по спектрохимии и металлургии, в качестве главы металлургического отдела проекта Эймса, и Айрал Б. Джонс в качестве главы плутониевого отдела. Под их началом было восемь руководителей секций. Проект Эймса вырос до более чем 90 научных сотрудников. [17] Общее количество сотрудников в конечном итоге превысило 500 человек . [18] Старший персонал собирался по воскресеньям утром, чтобы рассмотреть работу предыдущей недели и поставить цели на предстоящую неделю, процесс, который стал называться «Speddinars». [17] Сначала Спеддингу приходилось уезжать в Чикаго вскоре после каждой встречи, но в начале 1943 года его сменил на посту главы химического отдела в Металлургической лаборатории Джеймс Франк , что позволило Спеддингу проводить больше времени в Эймсе. Он оставался заместителем директора в Металлургической лаборатории. [19] [20]
Спеддингу повезло, что он получил полную поддержку Чарльза Э. Фрили , президента колледжа штата Айова, хотя характер работы не мог быть раскрыт ему поначалу, пока проводились проверки безопасности. После того, как они были завершены, Фрили пригласил Гарольда В. Гаскилла, декана по науке, в качестве администратора проекта Эймса. [21] Инженерный корпус армии США взял под контроль Манхэттенский проект в июне 1942 года, а проект Эймса — в конце 1942 года. [22]
Первым пунктом повестки дня было найти уран для ядерного реактора, который Энрико Ферми предлагал построить. Урановая руда была легкодоступна. Около 1200 коротких тонн (1100 т) высококачественной руды из Бельгийского Конго хранилось на складе в Порт-Ричмонде на Статен-Айленде . [23] Около 300 коротких тонн (270 т) в год добывалось на руднике Эльдорадо в Порт-Радиуме на Большом Медвежьем озере недалеко от Полярного круга в Северо-Западных территориях Канады . Компания Эльдорадо также управляла очистным заводом в Порт-Хоупе, Онтарио , где перерабатывалась канадская и бельгийская руда. Оценочные потребности Манхэттенского проекта на 1942 год составляли 200 коротких тонн (180 т), из которых Комптону требовалось всего 45 коротких тонн (41 т) для его предлагаемого ядерного реактора. [24]
Главной проблемой были примеси в оксиде урана, которые могли действовать как нейтронные яды и предотвращать ядерную цепную реакцию. Из-за наличия примесей в ссылках, опубликованных до 1942 года, обычно указывалась его температура плавления около 1700 °C (3090 °F), тогда как чистый металлический уран фактически плавится при 1132 °C (2070 °F). [25] [26] [27] Питер П. Александер из Metal Hydrides Incorporated в 1938 году дал первые указания на то, что температура плавления урана была «всего лишь 1100 °C (2010 °F) и даже несколько ниже». [28] [29]
Наиболее эффективным способом очистки оксида урана в лаборатории было использование того факта, что нитрат урана растворим в эфире . Масштабирование этого процесса для промышленного производства было опасным предложением; эфир был взрывоопасен, и фабрика, использующая большие количества, скорее всего, взорвется или сгорит. Комптон и Спеддинг обратились к Mallinckrodt в Сент-Луисе, штат Миссури , у которой был опыт работы с эфиром. Спеддинг обсудил детали с инженерами-химиками Mallinckrodt, Генри В. Фарром и Джоном Р. Рухоффом, 17 апреля 1942 года. В течение нескольких месяцев было произведено шестьдесят тонн высокочистого оксида урана. [30] [31]
Единственный металлический уран, доступный в продаже, производился компанией Westinghouse Electric and Manufacturing Company с использованием фотохимического процесса. [32] Оксид урана реагировал с фторидом калия в больших чанах на крыше завода Westinghouse в Блумфилде, штат Нью-Джерси . [24] Это дало слитки размером с четвертак , которые продавались примерно по 20 долларов за грамм. Но Эдвард Крейц , руководитель группы Металлургической лаборатории, ответственной за изготовление урана, хотел получить металлическую сферу размером с апельсин для своих экспериментов. С процессом Westinghouse это стоило бы 200 000 долларов и заняло бы год. [33] Гидридный или «гидраметный» процесс, разработанный Александром, использовал гидрид кальция в качестве восстановителя для преобразования урановой руды в металл. [29] [34] Таким образом, заводу Metal Hydrides в Беверли, штат Массачусетс , удалось произвести несколько фунтов металлического урана. К сожалению, гидрид кальция содержал неприемлемое количество бора , нейтронного яда, что делало металл непригодным для использования в реакторе. Прошло несколько месяцев, прежде чем Клемент Дж. Родден из Национального бюро стандартов и Union Carbide нашел способ получения достаточно чистого гидрида кальция. [24]
Спеддинг и Вильгельм начали искать способы создания металлического урана. В то время он производился в виде порошка и был очень пирофорным . Его можно было прессовать, спекать и хранить в банках, но чтобы он был полезен, его нужно было расплавить и отлить. Литье представляло трудности, поскольку уран разъедал тигли из бериллия, магнезии и графита. Чтобы получить металлический уран, они попытались восстановить оксид урана водородом, но это не сработало. В то время как большинство соседних элементов в периодической таблице можно восстановить до чистого металла и шлака , уран вел себя иначе. В июне 1942 года они попытались восстановить уран углеродом в атмосфере водорода, но с умеренным успехом. Затем они попробовали алюминий, магний и кальций, но все они оказались безуспешными. В следующем месяце команда Эймса обнаружила, что расплавленный уран можно отлить в графитовый контейнер. [35] Хотя было известно, что графит реагирует с ураном, это можно было сделать, поскольку карбид образовывался только там, где они соприкасались. [36]
Примерно в это же время кто-то из лаборатории радиации Беркли Манхэттенского проекта принес 2-дюймовый (51 мм) куб тетрафторида урана — соединения урана, используемого в калютронах — в Металлургическую лабораторию, чтобы обсудить возможность использования его вместо оксида урана в реакторе. Спеддинг начал задаваться вопросом, можно ли будет производить металлический уран из этой соли , минуя проблемы с кислородом. Он отвез куб обратно Эймсу и попросил Вильгельма провести исследование. Задание было поручено его коллеге Уэйну Х. Келлеру. [37] Он исследовал процесс (теперь известный как процесс Эймса ), первоначально разработанный Дж. К. Гоггинсом и другими в Университете Нью-Гемпшира в 1926 году. Он включал смешивание тетрахлорида урана и металлического кальция в стальном сосуде высокого давления, покрытом оксидом кальция (известном как «бомба»), и его нагревание. [36] Келлеру удалось воспроизвести результаты Гоггина 3 августа 1942 года, создав 20-граммовую (0,71 унции) кнопку из очень чистого металлического урана. Затем процесс был масштабирован. К сентябрю бомбы готовились в 4-дюймовых (10 см) стальных трубах длиной 15 дюймов (38 см), покрытых известью для предотвращения коррозии и содержащих до 3 килограммов (6,6 фунта) тетрафторида урана. CF Gray взял эти слитки и отлил их в 4980-граммовую (10,98 фунта) заготовку размером 5 на 2 дюйма (12,7 на 5,1 см) из чистого урана. [38]
24 сентября 1942 года Вильгельм отвез слиток Спеддингу в Металлургическую лабораторию в Чикаго и показал его Комптону, первой реакцией которого было недоверие. Он подумал, что он должен быть полым. Спеддинг разрезал слиток. Он не был полым. Несколько дней спустя директор Металлургической лаборатории Ричард Л. Доан отправился в Эймс, где он составил контракт Управления научных исследований и разработок (OSRD) для проекта Эймса по производству 100 фунтов (45 кг) чистого металлического урана в день. Это была бы пилотная установка, а процесс в конечном итоге был бы передан в промышленность. [39] Контракт OSRD был заменен контрактом Манхэттенского проекта в ноябре 1942 года. [40] Первоначальный контракт был на 50 000 долларов. К 31 декабря 1945 года номинальная стоимость контрактов, предоставленных проекту Эймса, составила 6,907 миллиона долларов; но работа была выполнена за 4 миллиона долларов. [41]
Вильгельм нашел старое деревянное здание на юго-восточной окраине кампуса. До 1926 года это было здание факультета домоводства, а затем служило женским гимнастическим залом, пока в 1941 году не построили новое; к 1942 году оно в основном использовалось как склад. Здание было передано проекту Эймса, а деревянный пол заменили бетонным, к большому разочарованию университетского архитектора, который несколько лет пытался снести это место. Здание официально стало известно как Корпус физической химии; местные жители называли его «Маленький Энкени» в честь близлежащего города Энкени, штат Айова , где находился артиллерийский завод. В поисках станков Вильгельм нашел выставленную на продажу механическую мастерскую в Эймсе. Владелец, Билл Мейтленд, когда-то делал садовые инструменты, но больше не мог получить необходимый ему металл из-за военного нормирования. Вильгельм купил его за 8000 долларов. Металлургическая лаборатория поставила две большие 40- киловаттные восстановительные печи. [39]
Проект Эймса поставил две тонны металлического урана в Металлургическую лабораторию для строительства Чикагского реактора-1 , первого в мире ядерного реактора, который достиг критичности 2 декабря 1942 года. [39] Проект Эймса позже поставит более 90 процентов урана для графитового реактора X-10 на заводе Clinton Engineer Works в Ок-Ридже, штат Теннесси . [42] Производство выросло со 100 фунтов (45 кг) металлического урана в день в декабре 1942 года до 550 фунтов (250 кг) в день к середине января 1943 года. [43]
Для производства процесс был изменен на использование магния вместо кальция; магний был дешевле, более доступен и чище. Но также было сложнее начать реакцию с магнием, чем с кальцием, что требовало большего нагрева. Тетрафторид урана, известный как зеленая соль из-за его характерного цвета, поставлялся Mallinckrodt, DuPont и Harshaw Chemical [44] и измельчался по прибытии, как и магний. Бомбы обычно представляли собой 6-дюймовые (15 см) трубы, 36 дюймов (91 см) в длину, хотя 10-дюймовые (25 см) трубы, 42 дюйма (110 см) в длину могли использоваться для производства 125-фунтовых (57 кг) слитков. Их нагревали до 650 °C (1202 °F) в течение 40–60 минут, после чего смесь спонтанно реагировала, достигая температуры от 1500 до 2000 °C (от 2730 до 3630 °F). Микрофон использовался для обнаружения возгорания, и бомба перемещалась в распылительную камеру для охлаждения. Если все работало, то получались бисквит из металлического урана и шлак из фторида магния . После охлаждения бомбу открывали и били молотком до тех пор, пока они не разделялись. Полученный бисквит штамповали и отправляли на литье. [45]
Литье переформовывало уран в слитки и удаляло примеси. Металлические куски расплавляли в графитовом тигле и заливали в форму. Это давало стержни диаметром от 1,5 до 5,0 дюймов (от 3,8 до 12,7 см) и длиной от 20 до 30 дюймов (от 51 до 76 см). Стержни были проштампованы номером и помещены в деревянные ящики для отправки в Металлургическую лабораторию. Оттуда их отправляли в Ок-Ридж или на площадку в Хэнфорде . К июлю 1943 года проект Эймса производил 130 000 фунтов (59 000 кг) металлического урана в месяц. [45] Стоимость фунта металлического урана упала с 1000 долларов до примерно одного доллара. [46] Начиная с июля 1943 года компании Mallinckrodt, Electromet и DuPont начали производить уран по методу Эймса, [45] а к началу 1945 года Эймс прекратил собственное производство. [47]
Проект Эймса начал программу по извлечению металлического урана из лома. Новое здание, известное как Physical Chemistry Annex 2, было построено для этой цели в 1944 году. Урановая стружка промывалась, высушивалась, пропускалась через магнит для удаления примесей железа и прессовалась в брикеты. Затем их отправляли на переплавку. Работа была передана Metal Hydrides и заводу по извлечению на площадке в Хэнфорде в декабре 1945 года, к тому времени проект Эймса извлек 600 000 фунтов (270 тонн) металлолома. Всего проект Эймса произвел более 1000 коротких тонн (910 тонн) металлического урана. Все производство прекратилось 5 августа 1945 года, как и производство в Metal Hydrides и DuPont, оставив Mallinckrodt единственным производителем металлического урана в ранний послевоенный период. [48]
Начиная с 1942 года, наряду с работами по добыче урана, в рамках проекта Эймса проводился ряд металлургических исследований, связанных с разделением и очисткой тория, бериллия и редкоземельных металлов, таких как церий.
В 1942 году Гленн Т. Сиборг установил, что при бомбардировке тория нейтронами он может быть преобразован в расщепляющийся уран-233 . Это был еще один возможный путь к атомной бомбе, особенно если бы выяснилось, что уран-233 легче отделить от тория, чем плутоний от урана. Дальнейшего развития он не получил, поскольку производство урана-233 потребовало бы полной переделки реакторов в Хэнфорде; но в апреле 1944 года Торфин Р. Рогнесс из Металлургической лаборатории подсчитал, что ядерный реактор, содержащий торий, может производить достаточно урана-233 для поддержания своей реакции без добавления чего-либо, кроме тория. Это было очень интересно, потому что в то время считалось, что уран может быть дефицитным, тогда как торий был по крайней мере в десять раз более распространенным. [49]
В июле и августе 1943 года проект Эймса пытался создать металлический торий, используя нечто похожее на процесс Эймса. Это не удалось, потому что торий имеет гораздо более высокую температуру плавления, чем уран. Усилия продолжались в 1944 году, и было обнаружено, что с усилителем из хлорида цинка они могут производить сплав цинка с торием . Нагрев до 1300 °C (2370 °F) в графитовом тигле мог затем расплавить цинк, который можно было извлечь. Это оставило торий, который был отлит в 150-фунтовые (68 кг) слитки в бериллиевых тиглях. Около 4500 фунтов (2000 кг) было произведено к 31 декабря 1945 года. Торий продавался по 3 доллара за грамм до войны; к ее концу проект Эймса производил его менее чем за 5 центов за грамм. [50] [51]
Бериллий использовался Манхэттенским проектом в качестве отражателя нейтронов [52] и как компонент модулированных нейтронных инициаторов [53] Только одна фирма производила его в коммерческих целях в Соединенных Штатах, Brush Beryllium в Лорейне, штат Огайо [54] Проект Эймса начал работу над производственным процессом в декабре 1943 года, восстанавливая фторид бериллия в бомбе с металлическим магнием и усилителем из серы. Основной трудностью при работе с бериллием была его высокая токсичность. Закрытая бомба использовалась для минимизации возможности образования токсичной бериллиевой пыли. Процесс работал, но высокие температуры и давления, создаваемые сульфидом магния, означали, что он был потенциально взрывоопасным. Затем была разработана альтернатива с использованием фторида бериллия в бомбе с металлическим кальцием и усилителем из хлорида свинца . Металл отливали в вакууме [55] . Исследования все еще продолжались, когда война закончилась [55] .
В середине 1944 года проекту Эймса было поручено произвести церий. [56] Он использовался лабораториями в Беркли и Лос-Аламосе для получения сульфида церия , который использовался в тиглях для литья плутония. [57] Опять же, был использован метод бомбы, на этот раз для восстановления безводного хлорида церия кальцием с использованием йодного усилителя. Была построена специальная «сухая комната» для сушки хлорида церия с использованием газообразного хлористого водорода . Полученный металл содержал примеси кальция и магния, поэтому его пришлось переплавить, чтобы удалить их. Была использована возможность, чтобы сделать из него стержни диаметром 0,75 дюйма (1,9 см) и длиной 4 дюйма (10 см), желаемой формы. Поскольку церий очень реактивен, переплавка проводилась в вакууме с использованием тигля из оксида кальция или оксида магния . Первая партия металлического церия была отправлена в августе 1944 года. К августу 1945 года, когда производство было прекращено, лаборатория Эймса произвела 437 фунтов (198 кг) чрезвычайно чистого (более 99%) церия. [56]
Поскольку металлический уран был настолько редок до войны, о его металлургии было известно немного, но с использованием урана в реакторах, Манхэттенский проект стал живо интересоваться его свойствами. В частности, с использованием воды для охлаждения, были предположения о сплавах с высокой теплопроводностью и устойчивостью к коррозии. Проект Эймса производил и испытывал карбид урана , который имел потенциал для использования в качестве топлива в реакторах вместо металлического урана. То же самое было и с висмутом , из-за его низкого сечения захвата нейтронов , поэтому Проект Эймса производил и испытывал сплавы урана с висмутом. [58]
В какой-то момент на столе лежало предложение защитить уран в реакторе от коррозии, покрыв его медной оболочкой . Поэтому в рамках проекта Эймса изучались сплавы урана и меди, которые могли бы возникнуть там, где уран встречался с медной оболочкой. [58] [59] На практике уран был упакован в алюминий; это тоже изучалось, как и сплавы с оловом, которое использовалось для пайки банок. Испытания также проводились со сплавами урана с бериллием, кальцием, кобальтом, магнием, марганцем и торием, которые производились или использовались в других местах в проекте Эймса. Были предприняты попытки отделить плутоний от урана с помощью металлургии, используя большее сродство плутония к золоту и серебру, но в рамках проекта Манхэттен было решено использовать вместо этого процесс фосфата висмута , метод химического разделения. [58]
В рамках проекта Эймса также изучался торий, его сплавляли с висмутом, углеродом, хромом, железом, марганцем, молибденом, никелем, кислородом, оловом, вольфрамом и ураном, а также сплавляли бериллий с висмутом, свинцом, торием, ураном и цинком. [58]
Химия урана была в центре внимания многочисленных исследований проекта Эймса. Были исследованы свойства различных оксидов урана и гидрида урана . [60] Последний представлял особый интерес, поскольку в какой-то момент Лос-Аламосская лаборатория рассматривала возможность использования его в атомной бомбе вместо металлического урана, но эта идея оказалась неэффективной и была отложена. [61] Был разработан процесс восстановления обедненного металлического урана из тетрафторида урана, оставшегося от процесса электромагнитного разделения изотопов , и гексафторида урана, оставшегося от процесса газовой диффузии . Он работал как пилотная установка, которая производила килограммовые количества, прежде чем был передан в лаборатории SAM Манхэттенского проекта для внедрения в промышленных масштабах в Оук-Ридже. [60]
Если химия и металлургия урана были плохо изучены, то плутоний был практически неизвестен, поскольку существовал только в микроскопических количествах. Образцы начали поступать из реакторов в 1943 году, и хотя центр исследований Манхэттенского проекта по химии плутония находился в Металлургической лаборатории, Проект Эймса исследовал методы отделения металлического плутония от урана и продуктов деления . [62]
Генерал-майор Лесли Р. Гроувс-младший , директор Манхэттенского проекта, посетил колледж штата Айова 12 октября 1945 года и вручил награду армии и флота «E» за выдающиеся достижения в производстве за участие в производстве урана для Манхэттенского проекта. [63] Это был беспрецедентный случай, когда колледж или университет получил эту награду, которая обычно вручалась промышленным организациям. [64] Награда имела форму баннера с четырьмя белыми звездами, символизирующими два с половиной года службы в военных целях. [65] По состоянию на 2011 год [обновлять]награда была выставлена в Университете штата Айова в Спеддинг-холле. [66]
Совет по образованию штата Айова создал Институт атомных исследований (IAR) как координирующий орган для исследований на всем Среднем Западе Соединенных Штатов 1 ноября 1945 года, а Спеддинг стал его директором. Манхэттенский проект продолжал финансировать деятельность проекта Эймса, [67] но с принятием Закона об атомной энергии 1946 года ответственность перешла к недавно созданной Комиссии по атомной энергии (AEC) 1 января 1947 года. [68]
17 мая 1947 года AEC заключила контракт на управление лабораторией Эймса , которая теперь имела статус национальной лаборатории , с колледжем штата Айова. Лаборатория осталась на территории кампуса колледжа штата Айова, а ее преподаватели и аспиранты составляли большую часть персонала. Спеддинг оставался ее директором до своего выхода на пенсию в 1968 году. Администрация была делегирована IAR. [67] Были построены постоянные здания, которые были открыты в 1948 и 1950 годах и впоследствии названы Wilhelm Hall и Spedding Hall. [69] Лаборатория Эймса сохранила фокус на химии и металлургии, особенно редкоземельных металлов. [67]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )температура плавления для двух образцов составила 1690 °C и 1688 °C
для точки плавления, 1700±25°C
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
