Эксперимент RaLa , или RaLa , представлял собой серию испытаний во время и после Манхэттенского проекта, разработанных для изучения поведения сходящихся ударных волн для достижения сферической имплозии, необходимой для сжатия плутониевой ямки ядерного оружия . В эксперименте использовались значительные количества короткоживущего радиоизотопа лантана-140 , мощного источника гамма-излучения ; RaLa — это сокращение от радиоактивного лантана . Метод был предложен Робертом Сербером и разработан группой под руководством итальянского физика-экспериментатора Бруно Росси .
Испытания проводились с 1 ⁄ дюймовыми (3,2 мм) сферами радиоактивного лантана, эквивалентными примерно 100 кюри (3,7 ТБк ), а позднее 1000 Ки (37 ТБк), [1], расположенными в центре имитируемого ядерного устройства. Взрывные линзы были разработаны в первую очередь с использованием этой серии испытаний. Около 254 испытаний были проведены между сентябрем 1944 года и мартом 1962 года. [2] В своей истории проекта Лос-Аламоса Дэвид Хокинс писал: «RaLa стал самым важным единичным экспериментом, повлиявшим на окончательную конструкцию бомбы». [3]
Эксперимент был предложен 1 ноября 1943 года Робертом Сербером . [1] Идея состояла в том, чтобы измерить пространственную и временную симметрию взрывного сжатия металлической сферы. Тест измерял изменения поглощения гамма-лучей в металле сферы по мере ее сжатия. Источник гамма-лучей был расположен в центре металлической сферы. Увеличение толщины (полых оболочек) и плотности (сплошных сфер) по мере сжатия было обнаружено как уменьшение интенсивности гамма-лучей вне сферы; взрывчатые вещества с меньшей плотностью не поглощали гамма-излучение достаточно, чтобы помешать эксперименту. Гамма-лучи должны были быть интенсивными и иметь правильную энергию. Слишком низкая энергия, и они полностью поглощались бы в окружающем металле; слишком высокая энергия и разница затухания во время имплозии были бы слишком малы, чтобы быть практичными. Детекторы должны были обеспечивать высокую скорость и большую площадь; камеры быстрой ионизации , которые тогда находились в стадии разработки, были единственными устройствами, которые тогда удовлетворяли требованиям. [4]
Лантан-140 был выбран, потому что он испускает гамма-лучи в желаемом диапазоне энергий (1,60 мегаэлектронвольт (МэВ) с долей 0,49 МэВ) и имеет очень высокую удельную активность , тем самым обеспечивая достаточную интенсивность излучения для получения полезных сигналов от ионизационных камер. После испытания диспергированный La-140 быстро распадается на стабильный церий-140 , что снижает опасность радиации для операторов после нескольких периодов полураспада . Он также был потенциально доступен в больших количествах, поскольку его родительский нуклид барий-140 является распространенным продуктом деления урана. Как следствие, образцы лантана-140 содержали следы бария-140 , цезия-140 и особенно стронция-90 , который все еще представляет собой проблему радиоактивного загрязнения в районе испытаний. [5] Лантан-140 имеет удельную активность 5,57×10 5 Ки/г (20,6 ПБк/г); таким образом, источник La-140 активностью 1000 Ки (37 ТБк) эквивалентен примерно 1,8 мг лантана. [1]
Образец радиолантана, осажденный в кончике небольшого конуса, за которым следовала пробка, опускался в центр металлической сферы экспериментальной сборки с помощью устройства, напоминающего удочку . Конус и пробка сопрягались с металлическим центром сборки, вместе образуя металлическую сферу. Затем часть взрывной линзы возвращалась на свое место над сферой. Несколько, как правило, четыре, ионизационных камер располагались вокруг экспериментальной установки. Сразу после детонации они генерировали сигналы, которые отображались на осциллографах во взрывобезопасном укрытии или мобильной лаборатории в резервуаре на расстоянии 150 футов (46 м), а осциллограммы записывались на камеры . Калибровочное измерение проводилось до и после каждого испытания. Ионизационные камеры и их предварительные усилители были разрушены во время взрыва, но их простая конструкция позволяла производить их в достаточных количествах. [6]
Ионизационные камеры были цилиндрическими, диаметром 2 дюйма (51 мм), длиной 30 дюймов (760 мм), с проводом вдоль продольной оси. Они были заполнены смесью аргона и углекислого газа при 4,5 стандартных атмосфер (460 кПа ). Восемь камер были расположены в поддоне и соединены параллельно; четыре поддона были расположены в тетраэдре вокруг экспериментальной сборки, регистрируя гамма-излучение вокруг сферы, достаточно близко, чтобы подать сигнал, и достаточно далеко, чтобы не быть уничтоженными взрывом до того, как они успеют записать требуемую информацию. [6] Инициирование взрывчатых веществ первоначально выполнялось многоточечной системой Primacord . Результаты были нестабильными, так как детонации не были достаточно синхронизированы. Гораздо лучшие результаты были получены после февраля 1945 года, когда стали доступны взрывающиеся мостовые детонаторы , разработанные группой G-7 Луиса Альвареса . [1]
Поскольку плутоний был недоступен, его заменили материалом с похожими механическими свойствами. Использовался обедненный уран , но он не был оптимальным из-за своей непрозрачности для радиации; другими вариантами были железо , медь или кадмий . Кадмий был выбран для большинства испытаний. Первый выстрел был выполнен с железным макетом плутониевой ямы . [6]
Результирующий сигнал представлял собой быстрый спад, соответствующий сжатию сферы кадмия, за которым последовало более медленное увеличение, соответствующее декомпрессии и последующему рассеиванию сферы и лантана. Различия между четырьмя кривыми на дисплее осциллографа, каждая из которых указывала на среднее сжатие в направлении детектора, позволили оценить требуемую точность синхронизации для детонаторов. [4]
Источники RaLa были высокорадиоактивными. Их приходилось опускать в испытательную установку с помощью 10-футового (3-метрового) стержня. [7] Первоначально испытания наблюдались из герметичного танка M4 Sherman ; мобильная лаборатория состояла из двух танков. Ожидалось, что каждый эксперимент загрязнит площадь около 32 000 квадратных футов (3000 м 2 ) в течение примерно полугода. Когда радиобарий был удален из радиолантана, краткосрочные уровни загрязнения оказались незначительными. [6] Затем танки были заменены стационарными укрытиями. Один из танков позже был свинцовым, герметичным, оборудованным автономным источником воздуха и использовался для отбора проб продуктов деления в обломках после взрыва после испытания Trinity . [8] Источники представляли значительный риск радиационного облучения; мощность экспозиции источника 1000 Ки (37 ТБк) на расстоянии 3 футов (1 м) составила 1130 Р/ч и 11 000 Р/ч на расстоянии 1 фута (0,30 м). Источники с активностью до 2300 Ки (85 ТБк) использовались в некоторых тестах. [4]
Система удаленной обработки образцов имела недостатки; потребовалось около шести месяцев, чтобы обнаружить их все. Химики, работавшие со смесями продуктов деления с партиями, достигавшими до 2300 Ки (85 ТБк) каждая, часто подвергались (случайно) нежелательно высоким дозам радиации. Группа, проводившая сами эксперименты, подвергалась меньшему риску; они работали в тесном сотрудничестве с группой здравоохранения, которая отвечала за обеспечение того, чтобы радиационное облучение вовлеченных людей было выживаемым. [8] Радиоактивное загрязнение представляло собой проблему. Людям, работавшим в каньоне Байо, приходилось переодеваться и принимать душ после работы. Иногда они все еще срабатывали детекторы на воротах безопасности. [9]
Эксперименты проводились в каньоне Байо в месте, обозначенном как TA-10 («Техническая зона 10») (но чаще называемом Участком каньона Байо ) в округе Лос-Аламос и недалеко от границы с округом Санта-Фе , к северо-востоку от городского участка Лос-Аламоса. На участке было несколько стационарных сооружений. Лантан-140 был изолирован в здании радиохимии, TA-10-1. Было четыре места для стрельбы. Приборы для стрельбы взрывчатыми веществами и записи данных были размещены в двух зданиях управления детонацией (TA-10-13 и TA-10-15). [10]
Большие количества радиоактивного лантана были рассеяны наружными взрывами; между 1944 и 1961 годами было проведено 254 испытания. В 1948 году двое рабочих получили там радиационные ожоги . Эксперименты обычно проводились, когда ветер дул на север, но иногда ветер менял направление ранним утром. В 1949 и 1950 годах ядерные осадки от испытаний были разнесены над частями жилой зоны и дорогой; уровень радиации на дороге иногда достигал 5-10 мР/ч, и дорогу пришлось закрыть на некоторое время. [1] [10]
Каждое испытание выпускало шлейф рассеянного радиоактивного лантана. Задокументировано три испытания в 1950 году, когда выброшенная радиоактивность отслеживалась самолетом B-17 . В одном случае радиация была обнаружена над городом в 17 милях (27 км) по ветру. Эти испытания проводились одновременно с испытаниями RaLa, и их целью была разработка бортовых детекторов для отслеживания испытаний ядерного оружия в воздухе . [2] Размер и высота радиоактивного облака определялись количеством использованного взрывчатого вещества. Для первых 125 испытаний между 1944 и 1949 годами метеорологический и радиоактивный мониторинг был редким, но между 1950 и 1954 годами был введен более тщательный мониторинг, который впоследствии стал всеобъемлющим. Сообщается, что одно облако было отслежено на расстоянии до 70 миль (110 км) по ветру, над Уотрусом , Нью-Мексико . [11]
Для управления логистикой испытаний Роберт Оппенгеймер , директор лаборатории в Лос-Аламосе, назначил Луиса Альвареса руководителем программы RaLa; его группа была обозначена как E-7, RaLa и Electric Detonators Group. [4] Бруно Росси и швейцарский физик Ганс Штауб построили ионизационные камеры и электронику к концу весны. [4] Сначала работа шла неторопливо, поскольку имплозия была лишь резервным проектом; считалось, что плутониевая бомба будет иметь конструкцию оружия деления типа пушки Thin Man . Это оказалось не так, поскольку первые испытания плутония, произведенного в реакторе, в начале лета 1944 года показали неприемлемо высокие показатели спонтанного деления из-за присутствия плутония-240 , что исключало использование сборки пушки. 17 июля проект Thin Man был заброшен, и все усилия были сосредоточены на имплозии. Чтобы справиться с этой задачей, Лос-Аламосская лаборатория была реорганизована — были сформированы X-Division (Explosive Division) и G-Division (Gadget Division, или Weapon Physics Division). Группа Росси была назначена в G-Division как G-6, или RaLa Group; группа Альвареса была назначена G-7, или Electric Detonator Group. [4]
25 июля 1944 года в каньоне Байо был проведен первый предварительный запуск в качестве репетиции, проверки оборудования и измерения времени обрушения, а также скорости детонации и ударной волны. Программа была отложена примерно на месяц из-за поздних поставок радиобария, поскольку испытание, запланированное на 15 августа, было проведено только в середине сентября. Первый запуск с радиобарием состоялся 22 сентября. [12] В конце августа и по просьбе группы Росси группа RaLa была реформирована под руководством Росси, и Альварес и его группа взяли на себя исследования взрывающегося мостового детонатора . [4] По предложению Роберта Кристи для ямы были выбраны сплошные сферы вместо первоначально задуманных полых, чтобы уменьшить проблемы со струями и отколами . Первый запуск RaLa со сплошной сферой был произведен в начале декабря, но результаты оказались неубедительными. Однако снимок от 14 декабря показал (по словам Роберта Бахера ) «явные доказательства сжатия» [13] .
Первые испытания с использованием электродетонаторов и твердых ям были проведены 7 и 14 февраля 1945 года; до этого времени использовалось инициирование на основе примакорда. Электродетонаторы показали значительное улучшение достигнутой степени сжатия и симметрии и использовались во всех последующих испытаниях RaLa. На основании этих результатов к концу февраля была утверждена конструкция Gadget , как эвфемистически называли бомбу. [13] Также были необходимы другие методы испытаний, поскольку эксперименты RaLa давали только косвенные указания на образование проблемных струй, которые преследовали ранние имплозивные конструкции, но RaLa был самым важным. [6]
Период полураспада La-140 составляет 40,224 часа; он подвергается бета-распаду до стабильного церия-140 . Он был получен из бария-140, распространенного продукта деления, выделенного из отработанного топлива из графитового реактора X-10 Национальной лаборатории Ок-Ридж [14] , а позднее, после 1948 года, также из ядерных реакторов, производящих плутоний-239, на площадке Ханфорда . Барий был выделен в специально построенной горячей лаборатории в Ок-Ридже и отправлен в свинцовой чушке в Лос-Аламос, где он использовался для извлечения лантана. Лаборатория в Ок-Ридже была первой лабораторией, где для работы с радиоактивными материалами использовались дистанционные манипуляторы. Доставка осуществлялась грузовиком с экипажем из двух человек, который проехал 1500 миль (2400 км) без остановок. [1]
В Ок-Ридже урановые стержни облучались в течение 40 дней, затем оставлялись остывать в течение 1–5 дней, после чего растворялись. Затем барий извлекался, а раствор испарялся; твердый материал затем отправлялся в Лос-Аламос. По состоянию на 1949 год, полный цикл производства включал до 1728 стержней (34,5 партии по 50 стержней). До 1949 года производственная площадка в Ок-Ридже обрабатывала урановые стержни, облученные как на месте, так и в Ханфорде; после этого обрабатывался только материал Ханфорда. [15]
Сначала изоляция бария проводилась в здании 3026-C (706-C), где существующая лаборатория была переоборудована для этой цели за 5 месяцев; первый запуск был завершен в сентябре 1944 года. 3026-C был разработан для работы с источниками от 1 до 10 Ки (37 и 370 ГБк), но условия вынудили его адаптировать для работы с источниками 100 Ки (3,7 ТБк). Его мощности было недостаточно, поскольку спрос рос. В мае 1945 года было завершено строительство специального здания 3026-D (706-D), примыкающего к 3026-C и предназначенного для обработки источников до 1000 Ки. Первый запуск в 3026-D состоялся 26 мая 1945 года, в тот же день, что и последний запуск в установке 3026-C. [16]
К марту 1949 года там было произведено 31 партия, в среднем более 2000 Ки каждая, для Лос-Аламоса. Однако спрос продолжал расти; к июлю 1950 года цель производства на партию составила 10 000 Ки (370 ТБк), а к началу 1950-х годов потребности выросли до 50 000 Ки (1800 ТБк). К 1954 году партии выросли до 64 805 Ки (2,3978 ПБк), и в том же году AEC решила построить новый объект в Национальной лаборатории Айдахо для производства RaLa. В октябре 1956 года Oak Ridge завершили свой 68-й и последний запуск RaLa. Всего Oak Ridge переработали более 30 000 урановых стержней и отправили более 500 000 Ки (19 ПБк) в Лос-Аламос. [15]
Во время приготовления RaLa высвобождались летучие продукты деления. При растворении партия из 50 шлаков производила 2500 Ки (93 ТБк) ксенона-133 , 1300 Ки (48 ТБк) йода-131 (большие количества, так как топливо приходилось обрабатывать «свежим») и небольшое количество криптона-85 . Поскольку для ограничения выбросов продуктов деления было принято мало мер предосторожности, производство RaLa стало основным источником радиоактивного загрязнения в Ок-Ридже. [15] Выбросы йода были важным фактором в решении перенести объект в Айдахо. Более поздние усовершенствования позволили сократить выбросы йода до уровней примерно в 100 раз ниже. [17]
Серьезная авария с выбросом радиоактивности произошла на объекте 3026-D около 5 часов вечера 29 апреля 1954 года. После растворения третьей партии урановых стержней жидкость в резервуаре растворителя не полностью покрывала стержни в течение примерно 29 часов, которые перегревались из-за остаточного тепла . Когда для четвертой партии добавляли кислоту, бурная реакция с горячим металлом производила газы и выталкивала раствор вверх по загрузочному желобу стержней и трубам. Персонал здания надел противогазы и эвакуировал здание. Уровень радиации на третьем этаже здания достигал 100 рентген в час (Р/ч) и был снижен до 100 мР/ч к 7 утра следующего дня. Наибольшее облучение человека составило 1,25 Р жесткого излучения и 4,7 рентгена эквивалентного физического мягкого излучения . [16]
После доставки барий-лантанового материала в Лос-Аламос, он хранился в специальном здании на площадке Bayo Canyon Site. Сначала смесь использовалась как есть, как барий, так и лантан вместе, но это привело к неприятному радиоактивному загрязнению, которое долго не исчезало, поскольку период полураспада бария-140 составляет 12,5 дней. Вскоре после этого процесс был усовершенствован; барий был удален химическим путем, путем двойного осаждения из раствора в виде сульфата бария . [1]
Процесс был снова улучшен, чтобы обеспечить повторное отделение лантана от раствора бария по мере накопления лантана. Первоначально использовался фосфатный процесс, в котором лантан осаждался в виде фосфата лантана. Позднее от него отказались, когда был разработан метод оксалата или гидроксида ; лантан осаждался в виде гидроксида лантана , а затем преобразовывался в фильтруемый осадок путем добавления оксалата со следами фторида . Метод оксалата должен был выполняться быстро, так как ион оксалата был восприимчив к радиолизу , а лантан имел тенденцию возвращаться в раствор. Процесс оксалата мог выполняться дистанционно управляемыми устройствами. Партии содержали около 100 кюри (3700 ГБк) радиолантана, самые высокие уровни радиации, с которыми когда-либо работали люди в то время. [6] Для дистанционной обработки горячих материалов должны были быть разработаны специальные инструменты. Для экранирования источников использовались свинцовые кирпичи . Предельная доза облучения для персонала была установлена в размере 500 мбэр (5 мЗв ) на одну подготовку источника. Иногда этот предел превышался; однажды полученная доза составила 2 бэр (20 мЗв). [1]
Улучшенный процесс, отделяющий лантан от раствора хлорида бария, имел то преимущество, что барий можно было «доить» многократно, увеличивая выход радиолантана и позволяя проводить больше экспериментов. Проблемы радиоактивного загрязнения барием-140 с его периодом полураспада 12,5 дней были устранены; количество загрязняющего стронция-90 также было значительно уменьшено. Использование очищенного лантана также позволило использовать гораздо меньшее количество материала в самих испытаниях. Полуавтоматическое оборудование для «доения лантана» (изотоп бария-140 прозвали «коровой») было построено в достаточно отдаленном районе, что позволило избежать трудоемкого строительства сильно экранированного здания. На раннем этапе процесс столкнулся с загвоздкой, когда было обнаружено, что примеси железа и других металлов, вероятно, внесенные из облученного транспортного контейнера, ухудшают осаждение фосфата лантана, образуя фосфатные гели, которые засоряют фильтры. [6] Эта проблема была решена с помощью лучших транспортных контейнеров. Похожий процесс «доения» в настоящее время используется для получения технеция-99m , используемого в ядерной медицине , из «коровы» молибдена-99 в генераторах технеция-99m . [1]
Процесс разделения проводился в специальном помещении в каньоне Байо, в здании радиохимии, обозначенном как TA-10-1. Затем отделенный лантан отправлялся на испытательный полигон в свинцовом контейнере в кузове грузовика. [1] В 1951 году работы по разделению были перенесены в TA-35. [18] Испытания проводились в течение месяца, поскольку источник бария распадался и периодически «доился» для получения лантана. [1]
Технология была улучшена, и к 1951 году четыре ионизационные камеры были заменены двадцатью сцинтилляционными счетчиками , каждый из которых использовал пять галлонов жидкого сцинтиллятора . Вспышки от 100 галлонов США (380 л; 83 имп галлона) горящего сцинтиллятора были удивительно яркими в ранние утренние часы, когда обычно проводились испытания. [1] Испытания RaLa продолжались до 1962 года, после чего их заменили более совершенными методами. В настоящее время для гидродинамических испытаний используются несколько других методов. [19]
Лантан-140 имеет короткий период полураспада, около 41 часа, и не представляет угрозы после довольно короткого времени. Другие радиоизотопы , присутствующие в качестве примесей , имеют достаточно длительный период полураспада, чтобы представлять потенциальную проблему даже спустя десятилетия после испытаний; в 2002 году Национальная лаборатория Лос-Аламоса выпустила предупреждение округу Лос-Аламос и Лесной службе, проводящей прореживание деревьев в этом районе, не удалять деревья, вырубленные в различных частях каньона Байо из-за возможного содержания остаточных радиоактивных материалов. [20] Наиболее пострадавшие зоны огорожены; обнаруживаемые уровни радиоизотопов присутствуют в почве, насекомых и деревьях в близлежащих районах. Соседнее население не было проинформировано об испытаниях до середины 1990-х годов, и Лос-Аламос отказался рассекретить документацию. [5]
Первоначально опубликовано как Los Alamos Report LAMS-2532