Проект Эймса был научно-исследовательским 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, занимающейся химией и металлургией , но стал самостоятельным отдельным проектом. Проект Эймса разработал процесс Эймса , метод получения чистого металлического урана, который был необходим Манхэттенскому проекту для атомных бомб и ядерных реакторов . В период с 1942 по 1945 год здесь было произведено более 1000 коротких тонн (910 т) металлического урана. Он также разработал методы получения и литья тория , церия и бериллия . В октябре 1945 года колледж штата Айова получил премию «E» армии и флота за выдающиеся достижения в производстве - награду, обычно вручаемую только промышленным организациям. В 1947 году она стала Лабораторией Эймса , национальной лабораторией Комиссии по атомной энергии .
Открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году, [1] за которым последовало открытие ядерного деления немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом в 1938 году, [2] и 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 Соединённые Штаты во Вторую мировую войну , лауреат Нобелевской премии по физике Артур Х. Комптон был назначен ответственным за плутониевый проект, [5] [6 ] Целью проекта было создание реакторов для преобразования урана в плутоний, поиск способов химического отделения плутония от урана и, в конечном итоге, разработка 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 дизайна. [10]
Комптон основал Металлургическую лабораторию проекта в Чикагском университете в феврале 1942 года. Ее миссией было строительство ядерных реакторов для создания плутония, который будет использоваться в атомных бомбах. [11] За советом по созданию химического отдела лаборатории Комптон, физик, обратился к Герберту Маккою , [12] который имел значительный опыт работы с изотопами и радиоактивными элементами. Маккой порекомендовал Фрэнка Спеддинга из Колледжа штата Айова в Эймсе, штат Айова , как эксперта по редкоземельным элементам , которые по химическому составу были похожи на ряд актинидов , включающий уран и плутоний. [13] Комптон попросил Спеддинга возглавить химический отдел металлургической лаборатории. [14]
Из-за нехватки мест в Чикагском университете Спеддинг предложил организовать часть химического факультета в колледже штата Айова, где у него были коллеги, готовые помочь. Было решено, что Спеддинг будет проводить половину недели в Эймсе, а половину — в Чикаго. [15] Планировалось, что сотрудники Эймса в конечном итоге переедут в Чикаго, когда освободится место, но этого не произошло. Успех проекта Эймса привел к тому, что он стал отдельной лабораторией в рамках Манхэттенского проекта. [16]
Спеддинг начал с того, что нанял двух коллег-ученых из Колледжа штата Айова на должность своих заместителей директора; Харли А. Вильгельм , эксперт в области спектрохимии и металлургии, в качестве главы металлургического отдела проекта Эймса, и Ирал Б. Джонс в качестве главы плутониевого отдела. Под их началом находились восемь начальников отделов. Проект Эймса вырос до более чем 90 научных сотрудников. [17] Общее количество сотрудников в конечном итоге превысило 500. [18] Старшие сотрудники собирались по воскресеньям утром, чтобы подвести итоги работы за предыдущую неделю и установить цели на предстоящую неделю, этот процесс стал называться «Спеддинары». [17] Сначала Спеддингу приходилось уезжать в Чикаго вскоре после каждой встречи, но в начале 1943 года на посту главы химического отдела Металлургической лаборатории его сменил Джеймс Франк , что позволило Спеддингу проводить больше времени в Эймсе. Он остался заместителем директора Металлургической лаборатории. [19] [20]
Спеддингу повезло, что он получил полную поддержку со стороны Чарльза Э. Фрили , президента Колледжа штата Айова, хотя характер работы сначала не мог быть раскрыт ему, пока проводились проверки безопасности. Как только они были завершены, Фрили пригласил Гарольда В. Гаскилла, декана по естественным наукам, в качестве администратора проекта Эймса. [21] Инженерный корпус армии США взял под свой контроль Манхэттенский проект в июне 1942 года, а проект Эймса — в конце 1942 года. [22]
Первым пунктом повестки дня был поиск урана для ядерного реактора, который предлагал построить Энрико Ферми . Урановая руда была легко доступна. Около 1200 коротких тонн (1100 т) богатой руды из Бельгийского Конго хранилось на складе в Порт-Ричмонде на Статен-Айленде . [23] Около 300 коротких тонн (270 т) в год добывалось на шахте Эльдорадо в Порт-Радиуме на Большом Медвежьем озере недалеко от Полярного круга на Северо-Западных территориях Канады . Компания «Эльдорадо» также управляла нефтеперерабатывающим заводом в Порт-Хоупе, Онтарио , где перерабатывалась канадская и бельгийская руда. Ориентировочные потребности Манхэттенского проекта на 1942 год составляли 200 коротких тонн (180 т), из которых Комптону потребовалось всего 45 коротких тонн (41 т) для предлагаемого им ядерного реактора. [24]
Основной проблемой были примеси в оксиде урана, которые могли действовать как нейтронные яды и предотвращать цепную ядерную реакцию. Из-за присутствия примесей в источниках, опубликованных до 1942 года, его температура плавления обычно указывалась на уровне 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 «всего 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 опасной затеей; эфир был взрывоопасным, и фабрика, использующая его в больших количествах, могла взорваться или сгореть. Комптон и Спеддинг обратились к Маллинкродту в Сент-Луисе, штат Миссури , у которого был опыт работы с эфиром. 17 апреля 1942 года Спеддинг обсудил детали с инженерами-химиками Маллинкродта Генри В. Фарром и Джоном Р. Рухоффом. За несколько месяцев было произведено шестьдесят тонн оксида урана высокой чистоты. [30] [31]
Единственный коммерчески доступный металлический уран был произведен 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] В результате были получены слитки размером с четвертак , которые продавались примерно по 20 долларов за грамм. Но Эдвард Крейц , руководитель группы Металлургической лаборатории, ответственной за производство урана, хотел для своих экспериментов металлический шар размером с апельсин. При использовании технологии Westinghouse это стоило бы 200 000 долларов, а производство 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 металлогидридов 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 компании Union Carbide придумал способ производства достаточно чистого гидрида кальция. [24]
Спеддинг и Вильгельм начали искать способы создания металлического урана. В то время он производился в виде порошка и обладал высокой пирофорностью . Его можно было прессовать, спекать и хранить в консервных банках, но чтобы он приносил пользу, его нужно было расплавить и отлить. Литье представляло трудности, поскольку уран разъедал тигли из бериллия, магнезии и графита. Для получения металлического урана пытались восстановить оксид урана водородом, но это не помогло. Хотя большинство соседних элементов таблицы Менделеева можно восстановить с образованием чистого металла и шлака , уран не вел себя таким образом. 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 безуспешно. В следующем месяце команда Эймса обнаружила, что расплавленный уран можно заливать в графитовый контейнер. [35] Хотя было известно, что графит реагирует с ураном, с этим можно было справиться, поскольку карбид образовывался только там, где они соприкасались. [36]
Примерно в это же время кто-то из радиационной лаборатории 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 отнес куб Эймсу и попросил Вильгельма провести расследование. Задача была поручена сотруднику Уэйну Х. Келлеру. [37] Он исследовал процесс (теперь известный как процесс Эймса ), первоначально разработанный Дж. К. Гоггинсом и другими в Университете Нью-Гэмпшира в 1926 году. Он включал смешивание тетрахлорида урана и металлического кальция в стальном сосуде под давлением, покрытом оксидом кальция (известный как «бомба») и нагрев его. [36] Келлер смог воспроизвести результаты Гоггина 3 августа 1942 года, создав 20-граммовую (0,71 унцию) кнопку из очень чистого металлического урана. Затем этот процесс был расширен. К сентябрю бомбы готовились в стальных трубах диаметром 4 дюйма (10 см) и длиной 15 дюймов (38 см), облицованных известью для предотвращения коррозии и содержащих до 3 кг (6,6 фунта) тетрафторида урана. К. Ф. Грей взял эти слитки и отлил их в заготовку чистого урана весом 4980 граммов (10,98 фунтов) и размерами 5 на 2 дюйма (12,7 на 5,1 см). [38]
24 сентября 1942 года Вильгельм отнес слиток Спеддингу в металлургическую лабораторию в Чикаго и представил его Комптону, первой реакцией которого было недоверие. Он подумал, что оно, должно быть, пустое. Спеддинг разрезал слиток. Оно не было пустым. Несколько дней спустя директор Металлургической лаборатории Ричард Л. Доан отправился в Эймс, где составил контракт Управления научных исследований и разработок (OSRD) для проекта Эймса на производство 100 фунтов (45 кг) чистого металлического урана. день. Это будет пилотная установка, а процесс в конечном итоге будет передан в промышленность. [39] Контракт OSRD был заменен контрактом Манхэттенского проекта в ноябре 1942 года. [40] Первоначальный контракт составлял 50 000 долларов. К 31 декабря 1945 года номинальная стоимость контрактов, переданных в рамках проекта 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 домоводства, а затем служило женской гимназией, пока в 1941 году не было построено новое; к 1942 году он использовался в основном под склады. 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 Приложение физической химии; местные жители назвали его «Маленький Анкени», в честь соседнего города Анкени, штат Айова , где находился артиллерийский завод. В поисках станков Вильгельм нашел на продажу механический цех в Эймсе. Владелец, Билл Мейтленд, когда-то изготавливал садовые инструменты, но больше не мог добывать необходимый ему металл из-за нормирования военного времени. Вильгельм купил его за 8000 долларов. Металлургическая лаборатория поставила две большие восстановительные печи мощностью 40 киловатт . [39]
Проект Эймса поставил две тонны металлического урана в Металлургическую лабораторию для строительства Чикагской энергоблока-1 , первого в мире ядерного реактора, который достиг критичности 2 декабря 1942 года. [39] Проект Эймса позже поставит более 90 процентов уран для графитового реактора Х-10 на инженерном заводе Клинтона 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]
В производстве процесс был изменен и теперь вместо кальция используется магний; магний был дешевле, доступнее и чище. Но с магнием было труднее начать реакцию, чем с кальцием, и требовалось больше нагрева. Тетрафторид урана, известный как зеленая соль из-за его характерного цвета, был поставлен компаниями Mallinckrodt, DuPont и Harshaw Chemical [44] и по прибытии был измельчен, как и магний. Бомбы обычно представляли собой трубы диаметром 6 дюймов (15 см) и длиной 36 дюймов (91 см), хотя трубы длиной 10 дюймов (25 см) и длиной 42 дюйма (110 см) могли использоваться для производства 125-фунтовых (57 дюймов) бомб. кг) слитки. Их нагревали до 650 °C (1202 °F) в течение 40–60 минут, после чего смесь самопроизвольно реагировала, достигая температуры от 1500 до 2000 °C (от 2730 до 3630 °F). Для обнаружения возгорания использовался микрофон, а бомбу перемещали в распылительную камеру для охлаждения. Если бы все работало, можно было бы производить бисквит из металлического урана и шлак из фторида магния . После того, как бомба остынет, ее откроют и будут бить молотками, пока они не разойдутся. Полученное печенье штамповали и отправляли на отливку. [45]
Литье превратило уран в слитки и удалило примеси. Металлическое печенье расплавляли в графитовом тигле и заливали в форму. В результате были получены 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). На стержнях проштамповывались номера и помещали их в деревянные ящики для отправки в металлургическую лабораторию. Оттуда их отправили в Ок-Ридж или на территорию Хэнфорда . К июлю 1943 года в рамках проекта Эймса производилось 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, Mallinckrodt, Electromet и DuPont начали производить уран по процессу Эймса, [45] и к началу 1945 года компания Ames прекратила собственное производство. [47]
Проект Эймса начал программу восстановления металлического урана из металлолома. В 1944 году для этой цели было построено новое здание, известное как Приложение 2 по физической химии. Урановую стружку промывали, сушили, пропускали через магнит для удаления примесей железа и прессовали в брикеты. Затем их отправили на переплавку. Работа была передана компании Metal Hydrides и заводу по рекуперации на территории Хэнфорда в декабре 1945 года, когда в рамках проекта Эймса было собрано 600 000 фунтов (270 тонн) металлолома. В целом в рамках проекта Эймса было произведено более 1000 коротких тонн (910 т) металлического урана. Все производство было прекращено 5 августа 1945 года, как и это произошло на предприятиях Metal Hydrides и DuPont, в результате чего Маллинкродт остался единственным производителем металлического урана в ранний послевоенный период. [48]
Начиная с 1942 года, наряду с операциями по добыче урана, в рамках проекта Эймса проводились различные металлургические исследования, связанные 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 превратиться в делящийся уран-233 . Это был еще один возможный путь к созданию атомной бомбы, особенно если бы выяснилось, что уран-233 легче отделить от тория, чем плутоний от урана. Дальнейшего развития не последовало, поскольку производство урана-233 потребовало бы полной модернизации 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, чтобы поддерживать реакцию, не добавляя ничего, кроме тория. Это было очень интересно, поскольку в то время считалось, что урана может быть мало, тогда как тория было как минимум в десять раз больше. [49]
В июле и августе 1943 года в рамках проекта Эймса была предпринята попытка создать металлический торий, используя нечто похожее на процесс Эймса. Это не увенчалось успехом, поскольку у тория гораздо более высокая температура плавления, чем у урана. Усилия продолжались и в 1944 году, и было обнаружено, что с помощью усилителя хлорида цинка можно производить сплав цинка и тория . Нагрев до 1300 ° C (2370 ° F) в графитовом тигле может расплавить цинк, который можно будет удалить. Остался торий, который был отлит в 150-фунтовые (68 кг) слитки в бериллиевых тиглях. К 31 декабря 1945 года было произведено около 4500 фунтов (2000 кг). До войны торий продавался по 3 доллара за грамм; к концу Проект Эймса производил его по цене менее 5 центов за грамм. [50] [51]
Бериллий использовался в Манхэттенском проекте в качестве отражателя нейтронов [52] и как компонент инициаторов модулированных нейтронов . [53] Только одна фирма производила его на коммерческой основе 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 помощью металлического магния и серного усилителя. Основной трудностью при работе с бериллием была его высокая токсичность. Закрытая бомба использовалась, чтобы свести к минимуму возможность 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 на основе хлорида свинца . Металл был отлит в вакууме . Когда война закончилась, исследования все еще продолжались. [55]
В середине 1944 года проекту Эймса было поручено производить церий. [56] Его использовали в лабораториях Беркли и Лос-Аламоса для получения сульфида церия , который использовался в тиглях для отливки плутония. [57] И снова был использован метод бомбы, на этот раз для восстановления безводного хлорида церия кальцием с использованием йодного усилителя. Для сушки хлорида церия с помощью газообразного хлористого водорода была построена специальная «сухая комната» . Полученный металл содержал примеси кальция и магния, поэтому для их удаления его пришлось переплавить. Была использована возможность превратить его в стержни диаметром 0,75 дюйма (1,9 см) и длиной 4 дюйма (10 см) желаемой формы. Поскольку церий очень активен, переплавку проводили в вакууме с использованием тигля из оксида кальция или оксида магния . Первая партия металлического церия была произведена в августе 1944 года. К августу 1945 года, когда производство закончилось, лаборатория Эймса произвела 437 фунтов (198 кг) чрезвычайно чистого (более 99%) церия. [56]
Поскольку до войны металлический уран был очень редок, о его металлургии было мало что известно, но поскольку уран использовался в реакторах, Манхэттенский проект заинтересовался его свойствами. В частности, учитывая использование воды для охлаждения, высказывались предположения о сплавах с высокой теплопроводностью и устойчивостью к коррозии. Проект Эймса произвел и испытал карбид урана , который потенциально мог использоваться в качестве топлива в реакторах вместо металлического урана. То же самое произошло и с висмутом из-за его низкого сечения захвата нейтронов , поэтому в рамках проекта Эймса были произведены и испытаны уран-висмутовые сплавы. [58]
В какой-то момент было предложено защитить уран в реакторе от коррозии путем покрытия его медной оболочкой . Поэтому в рамках проекта Эймса изучались уран-медные сплавы, которые образуются там, где уран встречается с медной оболочкой. [58] [59] На практике уран консервировали в алюминии; это тоже изучалось, как и сплавы с оловом, которым паяли банки. Испытания также проводились со сплавами урана с бериллием, кальцием, кобальтом, магнием, марганцем и торием, которые производились или использовались в других местах проекта Эймса. Были предприняты попытки отделить плутоний от урана с помощью металлургии, используя большее сродство плутония с золотом и серебром, но Манхэттенский проект решил вместо этого использовать процесс фосфата висмута , метод химического разделения. [58]
Проект Эймса также изучал торий, легируя его висмутом, углеродом, хромом, железом, марганцем, молибденом, никелем, кислородом, оловом, вольфрамом и ураном, а также легируя бериллий 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 из них представлял особый интерес, поскольку в какой-то момент Лос-Аламосская лаборатория рассматривала возможность использования его в атомной бомбе вместо металлического урана, но 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 эксплуатировался как пилотный завод, производивший килограммовые количества, а затем был передан лабораториям SAM Манхэттенского проекта для внедрения в промышленном масштабе в Ок-Ридже. [60]
Если химия и металлургия урана были плохо изучены, то химия и металлургия плутония были практически неизвестны, поскольку он существовал только в микроскопических количествах. Образцы начали поступать из реакторов в 1943 году, и хотя исследования химии плутония в рамках Манхэттенского проекта проводились 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 Государственный колледж Айовы 12 октября 1945 года и вручил награду «E» армии и флота за выдающиеся достижения в производстве за участие в добыче урана для Манхэттенского проекта. [63] Это было беспрецедентно для колледжа или университета, чтобы получить эту награду, которая обычно вручалась промышленным организациям. [64] Награда представляла собой баннер с четырьмя белыми звездами, обозначающий два с половиной года службы на войне. [65] По состоянию на 2011 год [обновлять]награда была выставлена в Университете штата Айова в Спеддинг-холле. [66]
1 ноября 1945 года Совет образования штата Айова создал Институт атомных исследований (IAR) в качестве координирующего органа исследований на Среднем Западе Соединенных Штатов со Спеддингом в качестве его директора. 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 в кампусе Колледжа штата Айова, и ее преподаватели и аспиранты составляли большую часть персонала. Спеддинг оставался его директором до выхода на пенсию в 1968 году. Управление было передано IAR. [67] Постоянные здания были построены, которые были открыты в 1948 и 1950 годах и впоследствии названы Вильгельм-холл и Спеддинг-холл. [69] Лаборатория Эймса продолжала уделять особое внимание химии и металлургии, особенно редкоземельных металлов. [67]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )температура плавления двух образцов составила 1690°С и 1688°С.
по температуре плавления 1700±25°С
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
