Калютрон — это масс-спектрометр , изначально разработанный и использовавшийся для разделения изотопов урана . Он был разработан Эрнестом Лоуренсом во время Манхэттенского проекта и основан на его более раннем изобретении — циклотроне . Его название произошло от Калифорнийского университетского циклотрона, в честь учреждения Лоуренса, Калифорнийского университета , где он был изобретен. Калютроны использовались на промышленном заводе по обогащению урана Y-12 на заводе Clinton Engineer Works в Оук-Ридже, штат Теннесси . Полученный обогащенный уран использовался в атомной бомбе Little Boy , которая была взорвана над Хиросимой 6 августа 1945 года.
Калютрон — это тип секторного масс-спектрометра , прибора, 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 пластину в разных местах. Массу ионов можно рассчитать в соответствии с силой поля и зарядом ионов. Во время Второй мировой войны были разработаны калютроны, чтобы использовать этот принцип для получения значительных количеств высокочистого урана-235, используя небольшую разницу масс между изотопами урана.
Электромагнитное разделение для обогащения урана было оставлено в послевоенный период в пользу более сложного, но и более эффективного метода газовой диффузии . Хотя большинство калютронов Манхэттенского проекта были демонтированы в конце войны, некоторые из них продолжали использоваться для производства изотопно-обогащенных образцов природных элементов для военных, научных и медицинских целей.
Новости об открытии деления ядра немецкими химиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году и его теоретическом объяснении Лизой Мейтнер и Отто Фришем были привезены в Соединенные Штаты Нильсом Бором . [1] Основываясь на своей модели жидкой капли ядра, он предположил, что именно изотоп урана-235 , а не более распространенный уран-238 , был в первую очередь ответственен за деление с тепловыми нейтронами . [2] Чтобы проверить это, Альфред О. К. Нир из Университета Миннесоты использовал масс-спектрометр для создания микроскопического количества обогащенного урана-235 в апреле 1940 года. Джон Р. Даннинг , Аристид фон Гроссе и Юджин Т. Бут затем смогли подтвердить, что Бор был прав. [3] [4] Лео Силард и Вальтер Цинн вскоре подтвердили, что при делении выделяется более одного нейтрона, что сделало почти несомненным возможность начала ядерной цепной реакции , и, следовательно, теоретическую возможность создания атомной бомбы . [5] Были опасения, что немецкий проект по созданию атомной бомбы разработает ее первой, особенно среди ученых, бежавших из нацистской Германии и других фашистских стран. [6]
В Университете Бирмингема в Великобритании австралийский физик Марк Олифант поручил двум физикам-беженцам — Отто Фришу и Рудольфу Пайерлсу — задачу исследования возможности создания атомной бомбы, по иронии судьбы, поскольку их статус враждебных иностранцев не позволял им работать над секретными проектами, такими как радар . [7] В их меморандуме Фриша-Пайерлса от марта 1940 года указывалось, что критическая масса урана-235 находилась в пределах порядка 10 кг, что было достаточно мало, чтобы ее мог нести бомбардировщик того времени. [8] Британский комитет Мод тогда единогласно рекомендовал продолжить разработку атомной бомбы. [9] Великобритания предложила предоставить Соединенным Штатам доступ к своим научным исследованиям, [10] поэтому Джон Кокрофт из миссии Тизарда проинформировал американских ученых о британских разработках. Он обнаружил, что американский проект был меньше британского и не так далеко продвинулся. [11]
Разочарованный Олифант вылетел в Соединенные Штаты, чтобы поговорить с американскими учеными. Среди них был Эрнест Лоуренс из Радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли . [ 12] Эти двое мужчин встречались до войны и были друзьями. [13] Лоуренс был достаточно впечатлен, чтобы начать собственное исследование урана. [12] Уран-235 составляет всего около 0,72% природного урана, [14] поэтому коэффициент разделения любого процесса обогащения урана должен быть выше 125, чтобы получить 90% урана-235 из природного урана. [15] Комитет Мод рекомендовал, чтобы это было сделано с помощью процесса газовой диффузии , [8] но Олифант в 1934 году впервые применил другую технологию: электромагнитное разделение. [16] Это был процесс, который использовал Нир. [12]
Принцип электромагнитного разделения заключается в том, что заряженные ионы отклоняются магнитным полем, и более легкие отклоняются сильнее, чем тяжелые. Причина, по которой Комитет Мод, а позже и его американский аналог, Секция S-1 Управления научных исследований и разработок (OSRD), обошли электромагнитный метод, заключалась в том, что, хотя масс-спектрометр был способен разделять изотопы, он давал очень низкие результаты. [17] Причиной этого было так называемое ограничение пространственного заряда . Положительные ионы имеют положительный заряд, поэтому они имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, что приводит к рассеиванию пучка. Опираясь на свой опыт точного управления пучками заряженных частиц из работы со своим изобретением, циклотроном , Лоуренс подозревал, что молекулы воздуха в вакуумной камере нейтрализуют ионы и создадут сфокусированный пучок. Олифант вдохновил Лоуренса превратить свой старый 37-дюймовый (94 см) циклотрон в гигантский масс-спектрометр для разделения изотопов . [12]
37-дюймовый циклотрон в Беркли был демонтирован 24 ноября 1941 года, а его магнит использовался для создания первого калютрона. [ 18] Его название произошло от Калифорнийского университета и циклотрона . [ 19] Первоначально работа финансировалась Радиационной лабораторией из ее собственных ресурсов с грантом в 5000 долларов от Исследовательской корпорации . В декабре Лоуренс получил грант в размере 400 000 долларов от Комитета по урану S-1. [20] Калютрон состоял из источника ионов в виде коробки с щелью в ней и горячими нитями внутри. Тетрахлорид урана ионизировался нитью, а затем проходил через щель 0,04 на 2 дюйма (1,0 на 50,8 мм) в вакуумную камеру. Затем магнит использовался для отклонения ионного пучка на 180°. Обогащенные и обедненные пучки поступали в коллекторы. [21] [22]
Когда калютрон впервые заработал 2 декабря 1941 года, всего за несколько дней до того, как японское нападение на Перл-Харбор привело к вступлению США во Вторую мировую войну , коллектор получил пучок урана интенсивностью 5 микроампер (мкА). Догадка Лоуренса о влиянии молекул воздуха в вакуумной камере подтвердилась. Девятичасовой запуск 14 января 1942 года с пучком 50 мкА дал 18 микрограммов (мкг) урана, обогащенного до 25% урана-235, что примерно в десять раз больше, чем произвел Нир. К февралю усовершенствования в технике позволили генерировать пучок 1400 мкА. В том же месяце 75 мкг образцов, обогащенных до 30%, были отправлены в британскую и металлургическую лабораторию в Чикаго. [22]
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, используя высоковольтное электричество, а не магнетизм. [23] Работа продолжалась до февраля 1943 года, когда, ввиду большего успеха калютрона, работа была прекращена, и команда была переведена на другие обязанности. [18] В Корнеллском 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 пучки были более точными, чем ожидалось, и, как и Лоуренс, пришли к выводу, что это было результатом стабилизации пучка воздухом в вакуумной камере. В феврале 1942 года их группа была объединена с командой Лоуренса в Беркли. [24] [25]
Хотя процесс был продемонстрирован как работающий, все еще требовались значительные усилия, прежде чем прототип мог быть испытан в полевых условиях. Лоуренс собрал команду физиков для решения проблем, включая Дэвида Бома , [26] Эдварда Кондона , Дональда Кукси , [27] А. Теодора Форрестера, [28] Ирвинга Ленгмюра , Кеннета Росса Маккензи , Фрэнка Оппенгеймера , Дж. Роберта Оппенгеймера , Уильяма Э. Паркинса, Бернарда Питерса и Джозефа Слепиана . [27] В ноябре 1943 года к ним присоединилась британская миссия во главе с Олифантом, в которую входили австралийские физики Гарри Мэсси и Эрик Берхоп , а также британские физики, такие как Джоан Карран и Томас Аллибон . [29] [30]
Лоуренс строил большой циклотрон в Беркли, один с 184-дюймовым (470 см) магнитом. [31] Он был преобразован в калютрон, который был включен впервые 26 мая 1942 года. [32] Как и 37-дюймовая версия, он выглядел как гигантская буква С, если смотреть сверху. Оператор сидел в открытом конце, откуда можно было регулировать температуру, настраивать положение электродов и даже заменять компоненты через воздушный шлюз во время 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 это увеличивало пропускную способность. [33] [34]
Проблема заключалась в том, что пучки мешали друг другу, создавая серию колебаний, называемых хэш. Было разработано устройство, которое минимизировало помехи, в результате чего в сентябре 1942 года были получены достаточно хорошие пучки. Роберт Оппенгеймер и Стэн Франкель изобрели магнитную прокладку , устройство, используемое для регулировки однородности магнитного поля. [35] Это были листы железа шириной около 3 футов (1 м), которые были прикреплены болтами к верхней и нижней части вакуумного бака. Эффект прокладок заключался в небольшом увеличении магнитного поля таким образом, чтобы помочь сфокусировать ионный пучок. Работа над прокладками продолжалась до 1943 года. [33] [34] Основными патентами на калютрон были «Методы и устройства для разделения материалов» (Лоуренс), [36] «Магнитные прокладки» (Оппенгеймер и Франкель), [35] и «Система калютрона» (Лоуренс). [37]
Берхоп и Бом позже изучали характеристики электрических разрядов в магнитных полях, сегодня известных как диффузия Бома . Их статьи о свойствах плазмы в условиях магнитного удержания нашли применение в послевоенном мире в исследованиях по управляемому ядерному синтезу . [38] Другие технические проблемы были более приземленными, но не менее важными. Хотя пучки имели низкую интенсивность, они могли, в течение многих часов работы, все еще расплавлять коллекторы. Поэтому к коллекторам и облицовке бака была добавлена система водяного охлаждения. Были разработаны процедуры для очистки «мусора», который конденсировался внутри вакуумного бака. Особой проблемой была блокировка щелей «мусором», что приводило к потере фокуса ионных пучков или полной остановке. [39]
Химикам нужно было найти способ получения большого количества тетрахлорида урана ( UCl
4) из оксида урана . [40] (Нир использовал бромистый уран.) [41] Первоначально они производили его, используя водород для восстановления триоксида урана ( UO
3) в диоксид урана ( UO
2), который затем реагировал с четыреххлористым углеродом ( CCl
4) для получения тетрахлорида урана. Чарльз А. Краус предложил лучший метод для крупномасштабного производства, который включал реакцию оксида урана с тетрахлоридом углерода при высокой температуре и давлении. Это дало пентахлорид урана ( UCl
5) и фосген ( COCl
2). Хотя тетрахлорид урана и не столь вреден, как гексафторид урана , используемый в процессе газовой диффузии, он гигроскопичен , поэтому работу с ним приходилось проводить в перчаточных боксах , которые поддерживались сухими с помощью пентоксида фосфора ( P
4О
10). Присутствие фосгена, смертоносного газа, ставшего причиной 85 000 смертей в качестве химического оружия во время Первой мировой войны , требовало, чтобы химики носили противогазы при работе с ним. [40]
Из 19,6 миллионов долларов, потраченных на исследования и разработки электромагнитного процесса, 18 миллионов долларов (92 процента) были потрачены в Радиационной лаборатории в Беркли, а дальнейшие работы проводились в Университете Брауна , Университете Джонса Хопкинса и Университете Пердью , а также корпорацией Tennessee Eastman . [42] В 1943 году акцент сместился с исследований на разработки, проектирование и обучение рабочих для эксплуатации производственных объектов на заводе Clinton Engineer Works в Оук-Ридже, штат Теннесси . К середине 1944 года в Радиационной лаборатории работало около 1200 человек. [43]
Значительную часть большого прогресса 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 прорывались сквозь бюрократическую волокиту, несмотря на то, что не знали, в чем заключается проект. Правительственные чиновники начали рассматривать разработку атомных бомб вовремя, чтобы повлиять на исход войны, как реальную возможность. Ванневар Буш , директор OSRD, который курировал проект, посетил Беркли в феврале 1942 года и нашел атмосферу там «стимулирующей» и «освежающей». [44] 9 марта 1942 года он доложил президенту Франклину Д. Рузвельту , что, возможно, к середине 1943 года можно будет произвести достаточно материала для бомбы, основываясь на новых оценках Роберта Оппенгеймера, что критическая масса сферы чистого урана-235 составляет от 2,0 до 2,5 килограммов. [45] [46]
Эксперименты с 184-дюймовым магнитом привели к созданию прототипа калютрона, названного XA. Он содержал прямоугольный трехкатушечный магнит с горизонтальным полем, в котором баки калютрона могли стоять бок о бок, с четырьмя вакуумными баками, каждый с двойным источником. [47] На заседании Исполнительного комитета S-1 25 июня 1942 года, который заменил Комитет по урану S-1 19 июня, было предложено построить электромагнитный завод в Ок-Ридже, где должны были располагаться другие объекты по разделению урана Манхэттенского проекта , по соображениям экономии и безопасности. Лоуренс выдвинул возражение из-за своего желания разместить завод по электромагнитному разделению гораздо ближе к Беркли. [48] Район плотины Шаста в Калифорнии оставался на рассмотрении для электромагнитного завода до сентября 1942 года, к тому времени Лоуренс снял свои возражения. [49] На заседании 25 июня также была назначена компания Stone & Webster в качестве основного подрядчика по проектированию и инжинирингу. [50]
Армия взяла на себя ответственность за Манхэттенский проект 17 сентября 1942 года, с бригадным генералом Лесли Р. Гроувсом-младшим в качестве директора, [51] хотя армия официально не принимала контракты с Калифорнийским университетом от OSRD до 1 мая 1943 года. [52] Майор Томас Т. Креншоу-младший стал инженером округа Калифорния в августе 1942 года, а капитан Гарольд А. Фидлер , который вскоре его сменил, стал его помощником. Креншоу основал свой офис в лаборатории Доннера в Калифорнийском университете. [53] [54] В сентябре 1942 года Исполнительный комитет S-1 рекомендовал построить опытный завод на пять танков вместе с секцией производственного завода на 200 танков. [51]
В период с октября 1942 года по ноябрь 1943 года Гроувс ежемесячно посещал Радиационную лабораторию в Беркли. [46] Отчеты показали, что по сравнению с альтернативами газодиффузионной установки или ядерного реактора , производящего плутоний , электромагнитная установка займет больше времени и потребует более дефицитных материалов для строительства, а также больше рабочей силы и больше электроэнергии для эксплуатации. Стоимость килограмма расщепляющегося материала, таким образом, будет намного выше. С другой стороны, в то время как альтернативные процессы все еще сталкивались со значительными техническими препятствиями, электромагнитный процесс был доказано работоспособным и мог быть построен поэтапно, что позволило бы немедленно начать производство расщепляющегося материала. [55] Гроувс отменил пилотную установку 14 ноября в пользу немедленного перехода к производственному заводу. [56]
Радиационная лаборатория передала предварительные проекты завода по производству в Stone & Webster до конца года, но один важный вопрос остался нерешенным. Оппенгеймер утверждал, что оружейный уран должен был бы на 90% состоять из урана-235. Эдвард Лофгрен и Мартин Камен считали, что этого нельзя было бы достичь без второго этапа обогащения. [39] Эти два этапа стали известны как Альфа и Бета. [57] В марте 1943 года Гроувс одобрил строительство пяти гоночных трасс Альфа и двух Бета. В сентябре он разрешил построить еще четыре гоночных трассы Альфа, которые стали известны как Альфа II, а также еще две гоночные трассы Бета для обработки их продукции. [39] [58]
.jpg/1280px-HD.4A.145_(10406006195).jpg)
Строительство электромагнитного завода в Оук-Ридже под кодовым названием Y-12 началось 18 февраля 1943 года. В конечном итоге объект будет включать девять основных технологических зданий и 200 других сооружений, занимающих почти 80 акров (32 га) площади. Участок площадью 825 акров (334 га) в долине Медвежий ручей к юго-западу от поселка Оук-Ридж был выбран в надежде, что окружающие линии хребта могут выдержать крупный взрыв или ядерную аварию. [59] Проблемы с субстратом потребовали от рабочих по раскопкам провести больше взрывных работ и раскопок, чтобы обеспечить надлежащие фундаменты для тяжелой техники на объектах. [60]
Поставки и материалы всех видов были загружены: 2157 вагонов электрооборудования, 1219 тяжелого оборудования, 5389 пиломатериалов, 1407 труб и фитингов, 1188 стали, 257 клапанов и 11 сварочных электродов. Для гоночных трасс потребовалось 85 000 вакуумных трубок . Где это было возможно, использовались готовые компоненты, но слишком много компонентов калютронов были уникальными. [61] Были созданы два отдела закупок, один в Бостоне около Stone & Webster для оборудования объекта, а другой в Ок-Ридже для строительных материалов. [62]
Главный инженер Манхэттенского округа полковник Джеймс К. Маршалл и его заместитель подполковник Кеннет Д. Николс обнаружили, что для процесса электромагнитного разделения изотопов потребуется 5000 коротких тонн (4500 тонн) меди , которая была в отчаянном дефиците. Однако они поняли, что серебро можно заменить в соотношении 11:10 медь:серебро. 3 августа 1942 года Николс встретился с заместителем министра финансов Дэниелом У. Беллом и попросил о переводе серебряных слитков из хранилища слитков Вест-Пойнта . Позже Николс вспоминал этот разговор:
Он объяснил процедуру перевода серебра и спросил: «Сколько вам нужно?» Я ответил: «Шесть тысяч тонн». «Сколько это тройских унций ?» — спросил он. На самом деле я не знал, как перевести тонны в тройские унции, и он тоже. Немного нетерпеливо 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 ответил довольно возмущенно: «Молодой человек, вы можете думать о серебре в тоннах, но Казначейство всегда будет думать о серебре в тройских унциях». [63]
В конечном итоге было использовано 14 700 коротких тонн (13 300 тонн; 430 000 000 тройских унций) серебра [64] , что тогда стоило более 600 миллионов долларов. [65] Николс должен был предоставлять ежемесячный отчет в Казначейство. Серебряные слитки весом 1000 тройских унций (31 кг) были доставлены под охраной в корпорацию Defense Plant Corporation в Картерете, штат Нью-Джерси , где они были отлиты в цилиндрические заготовки, а затем в Phelps Dodge в Бейвее, штат Нью-Джерси , где они были выдавлены в 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 Эллис-Чалмерс в Милуоки, штат Висконсин , где они были намотаны на магнитные катушки и запечатаны в сварные оболочки. [66] Наконец, они переехали на неохраняемых платформах на инженерный завод Клинтона. Там были введены специальные процедуры для обращения с серебром. Когда им приходилось сверлить в нем отверстия, они делали это над бумагой, чтобы можно было собрать опилки. После войны все оборудование было разобрано и очищено, а половицы под оборудованием были разобраны и сожжены, чтобы извлечь мельчайшие количества серебра. В конце концов, было потеряно 155 645,39 тройских унций (4 841,113 кг) или менее 0,036%. [65] [67] [68] В мае 1970 года последние 67 коротких тонн (61 тонна; 2 000 000 тройских унций) серебра были заменены медью и возвращены в Казначейство. [69]
Гоночная трасса XAX с двумя резервуарами и тремя катушками была готова к обучению рабочих в августе 1943 года. Были обнаружены ошибки , но их не стали активно устранять. Первое здание процесса Alpha, 9201-1, было завершено 1 ноября 1943 года. Когда первая гоночная трасса была запущена для испытаний по графику в ноябре, 14-тонные вакуумные резервуары сместились с выравнивания на целых 3 дюйма (8 см) из-за силы магнитов и должны были быть закреплены более надежно. Более серьезная проблема возникла, когда магнитные катушки начали замыкаться. В декабре Гроувс приказал разбить магнит, и внутри были обнаружены пригоршни ржавчины. Влага также была проблемой сама по себе, как и намотка провода, которая была слишком тугой. Гроувс приказал разобрать гоночные трассы и отправить магниты обратно на завод для очистки и перемотки. [62] [70] Чтобы предотвратить повторение этих проблем, были установлены жесткие стандарты подготовки и чистоты. [71]
Подготовка к трекам Beta была перенесена с XAX на учебный и опытный трек XBX в ноябре 1943 года. [72] Второй трек Alpha I был введен в эксплуатацию в январе 1944 года. Первый трек Beta и третий и первый треки Alpha, которые теперь были отремонтированы, были введены в эксплуатацию в марте 1944 года, а четвертый трек Alpha — в апреле 1944 года. Третье здание, 9201-3, содержало пятый трек, который включал некоторые модификации и был известен как Alpha I 1 ⁄ 2 . Он был введен в эксплуатацию 3 июня 1944 года. Работа над химическими зданиями Alpha и Beta, 9202 и 9203, началась в феврале 1943 года и была завершена в сентябре. Работа над зданием Бета-процесса, 9204-1, началась в мае 1943 года и была готова к эксплуатации 13 марта 1944 года, но была завершена только в сентябре 1944 года. [73] [74] [75]
Гроувс санкционировал Alpha II в сентябре 1943 года. Он состоял из двух новых зданий Alpha Process, 9201-4 и 9201-5, еще одного Beta, 9204-2, пристройки к зданию Alpha Chemical, и нового здания Beta Chemical, 9206. Когда открылось 9206, старое здание Beta Chemical, 9203, было преобразовано в лабораторию. Работа над новыми зданиями Alpha Process началась 2 ноября 1943 года; первый ипподром был завершен в июле 1944 года, и все четыре были введены в эксплуатацию к 1 октября 1944 года. Ипподромы Alpha II были сконфигурированы в линейной, а не овальной форме, хотя их все еще называли ипподромами. [73] [74] [75] Всего было 864 калютрона Альфа, расположенных на девяти гоночных трассах по 96 штук. На каждой гоночной трассе Бета было всего 36 калютронов, то есть в общей сложности 288 калютронов, хотя только 216 из них когда-либо работали. [57]
Работа над новым зданием процесса Бета началась 20 октября 1943 года. Монтаж оборудования начался 1 апреля 1944 года, и оно было готово к использованию 10 сентября 1944 года. Третье здание процесса Бета, 9204-3, было разрешено в мае 1944 года для обработки продукции газодиффузионного завода К-25 . Оно было завершено 15 мая 1945 года. Четвертое здание процесса Бета, 9204-4, было разрешено 2 апреля 1945 года и было завершено к 1 декабря 1945 года. Новая группа зданий химии Альфа, известная как группа 9207, была начата в июне 1944 года, но работы были остановлены в июне 1945 года до их завершения. Наряду с этими основными зданиями, были офисы, мастерские, склады и другие сооружения. Были две паровые установки для отопления и электростанция для производства электроэнергии. [75] [73]
Гоночные трассы Alpha представляли собой 24-кратное увеличение калютрона XA, который мог вмещать 96 калютронных танков Alpha. Калютроны были вертикальными и выстроены лицом друг к другу парами внутренних и внешних машин. Чтобы минимизировать магнитные потери и сэкономить на расходе стали, сборка была изогнута 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 форме гоночной трассы; отсюда и название. [39] Два здания Alpha I, 9201-1 и 9201-2, содержали по две гоночные трассы, и только одна в Alpha I 1 ⁄ 2 , 9201-3. Гоночные трассы Beta были меньше, линейными по форме и оптимизированы для восстановления, а не для производства, с всего 36 вместо 96 технологических бункеров. Четыре гоночных трассы Alpha II также имели линейную конфигурацию. Они внедрили множество усовершенствований, наиболее важным из которых было то, что у них было четыре источника вместо двух. [73] [75] Они также усовершенствовали магниты и вакуумные системы. [76]
Tennessee Eastman был нанят для управления Y-12 на обычной основе затрат плюс фиксированная плата, с оплатой в размере $22 500 в месяц плюс $7 500 за ипподром для первых семи ипподромов и $4 000 за дополнительный ипподром. Рабочие были набраны в районе Ноксвилла. Типичным рекрутом была молодая женщина, недавняя выпускница местной средней школы. Первоначально обучение проводилось в Университете Теннесси . Обучение переместилось в Беркли с апреля по сентябрь 1943 года, где оно проводилось на калютроне XA и масштабной модели 1:16 ипподрома Alpha, а затем в Ок-Ридж, когда стал доступен калютрон XAX. После того, как все калютроны Alpha II стали доступны, потребовалось бы около 2500 операторов. Число сотрудников Tennessee Eastman в Y-12 резко возросло с 10 000 в середине 1944 года до 22 482 в августе 1945 года. По соображениям безопасности стажеры не были проинформированы о назначении оборудования, которым их учили управлять. [77] [78]
Первоначально калютронами управляли ученые из Беркли, чтобы удалить ошибки и достичь разумной производительности. Затем операторы Tennessee Eastman взяли на себя управление. Николс сравнил данные по производству единиц и указал Лоуренсу, что молодые девушки-операторы «деревенщины» превосходят его докторов наук. Они согласились на гонку за производство, и Лоуренс проиграл, что подняло моральный дух « девушек-калютронов » (в то время их называли операторами Cubicle) и их руководителей. Женщин обучали, как солдат, не рассуждать о причинах, в то время как «ученые не могли удержаться от трудоемкого расследования причин даже незначительных колебаний циферблатов». [79]
Некоторое время калютроны страдали от серии изнурительных поломок и отказов оборудования, усугубленных нехваткой запасных частей. Надежды на то, что гоночные трассы Alpha II будут более надежными, вскоре угасли, поскольку их преследовали отказы изоляторов. Эти проблемы постепенно преодолевались. Первые поставки обогащенного урана в Лос-Аламосскую лабораторию Манхэттенского проекта были осуществлены в марте 1944 года, они состояли из продукта Alpha, обогащенного до 13–15 процентов урана-235. Хотя он не был использован в бомбе, он был срочно необходим для экспериментов с обогащенным ураном. Последняя поставка продукта Alpha была осуществлена 11 мая 1944 года. 7 июня 1944 года Y-12 осуществил первую поставку оружейного продукта Beta, обогащенного до 89 процентов урана-235. [77] [80]
Основной проблемой была потеря исходного материала и продукта. Только 1 часть из 5825 исходного материала становилась готовым продуктом. Около 90 процентов было разбрызгано по бутылкам подачи или вакуумным резервуарам. Проблема была особенно острой с обогащенным сырьем бета-калютронов. Были предприняты чрезвычайные усилия для извлечения продукта, включая сжигание футеровок угольных приемников для извлечения урана из них. Несмотря ни на что, около 17,4 процентов продукта альфа и 5,4 процента продукта бета были потеряны. Фрэнк Спеддинг из лаборатории Эймса Манхэттенского проекта и Филип Бакстер из британской миссии были отправлены для консультаций по улучшению методов извлечения. [81] Смерть рабочего от воздействия фосгена также побудила к поиску более безопасного производственного процесса. [40]
В феврале 1945 года с жидкой термодиффузионной установки S-50 начал поступать слегка обогащенный 1,4 процента исходный материал урана-235 . Поставки продукта с S-50 были прекращены в апреле. Вместо этого продукт S-50 подавался в K-25. [82] В марте 1945 года Y-12 начал получать исходный материал, обогащенный до 5 процентов, с K-25. [83] Продукция этих установок имела вид гексафторида урана ( UF
6). Он был преобразован в триоксид урана, который затем пошел в обычный процесс преобразования в тетрахлорид урана. [84] 5 августа 1945 года K-25 начал производить сырье, обогащенное до 23 процентов, достаточное для подачи прямо на гоночные трассы Beta. Оставшийся продукт Alpha затем подавался в K-25. К сентябрю 1945 года калютроны произвели 88 килограммов продукта со средним обогащением 84,5 процента, а гоночные трассы Beta выдали еще 953 килограмма, обогащенные до 95 процентов к концу года. [83] Обогащенный уран из калютронов обеспечил делящийся компонент атомной бомбы Little Boy, использованной при атомной бомбардировке Хиросимы в августе 1945 года. [39] [85]
После окончания войны работы Alpha track начали приостанавливаться 4 сентября 1945 года, и полностью прекратились 22 сентября. Последние два Beta track были введены в эксплуатацию в полном объеме в ноябре и декабре 1945 года, перерабатывая сырье с K-25 и новой газодиффузионной установки K-27. [87] К маю 1946 года исследования показали, что газодиффузионные установки могут полностью обогащать уран самостоятельно, не создавая случайно критическую массу. [88] После того, как испытание показало, что это так, Гроувс приказал закрыть все, кроме одной Beta track, в декабре 1946 года. [89]
Общая стоимость электромагнитного проекта до окончания Манхэттенского проекта 31 декабря 1946 года составила 673 миллиона долларов (что эквивалентно 10,5 миллиардам долларов в 2023 году). [86]
.jpg/1280px-Calutron_silver_coils_before_being_returned_to_treasury_(Y-12_126949).jpg)
Численность рабочей силы в Y-12 сократилась с пикового военного времени в 22 482 человека 21 августа 1945 года до менее чем 1700 человек в 1949 году. [69] Все калютроны были сняты и демонтированы, за исключением учебных треков XAX и XBX в здании 9731 и гоночных треков Beta 3 в здании 9204–3. [90] [91] В 1947 году Юджин Вигнер , директор Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), запросил у Комиссии по атомной энергии разрешение на использование бета-калютронов для производства изотопов для физических экспериментов. Разрешение было получено, и был произведен широкий спектр изотопов. Литий-6 из бета-калютронов использовался для исследований в области термоядерного оружия . Многие другие изотопы использовались в мирных научных и медицинских целях. [92] Гоночные трассы Beta 3 были переданы ORNL в марте 1950 года. [91] К середине 1950-х годов калютроны Beta произвели количества всех встречающихся в природе стабильных изотопов, за исключением изотопов осмия , которые пришлось ждать до апреля 1960 года. [93] Калютроны продолжали производить изотопы до 1998 года. [94] По состоянию на 2015 год [обновлять]они все еще находятся в режиме ожидания. [95]
Как и Соединенные Штаты, Советский Союз (СССР) проводил исследования по технологиям многократного обогащения для советского проекта атомной бомбы . Пробный электромагнитный процесс был проведен в 1946 году с калютроном, использующим магнит, взятый из Германии. Место для электромагнитного завода было выбрано в Свердловске-45 в 1946 году. Пилотный завод, известный как Завод 418, был завершен в 1948 году. Была разработана более эффективная конструкция, в которой пучки частиц были изогнуты 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, обогащенный примерно до 40 процентов урана-235, был доставлен в Свердловск-45 для окончательного обогащения до 92–98 процентов. После того, как проблемы с процессом газовой диффузии были решены в 1950 году, было решено не продолжать полномасштабный электромагнитный завод. [96] [97] По состоянию на 2009 год [обновлять]он продолжает работать. [91] В 1969 году в Арзамасе-16 был построен исследовательский калютрон, известный как С-2, для высокоэффективного разделения изотопов тяжелых элементов, таких как плутоний. [96] [98] [99]
В начале 1960-х годов в Китайском институте атомной энергии в Пекине были построены четыре научно-производственных калютрона, идентичных по конструкции советским. [100] [101] [102]
В 1945 году в рамках британского проекта атомной бомбы был построен 180-градусный калютрон, аналогичный по конструкции американскому бета-калютрону, в Исследовательском центре атомной энергии в Харвелле, Оксфордшир . Благодаря успеху газодиффузионной установки в Кейпенхерсте , электромагнитное разделение не было продолжено Соединенным Королевством, и калютрон использовался для разделения изотопов в исследовательских целях. Конструкция 180° не была идеальной для этой цели, поэтому Харвелл построил 90-градусный калютрон, HERMES, «Электромагнитный сепаратор тяжелых элементов и радиоактивных материалов». [103] Он был вдохновлен французскими сепараторами SIDONIE и PARIS в лаборатории Рене Бернаса Парижского университета IX в Орсе и PARSIFAL в военной исследовательской лаборатории Комиссариата по атомной энергии и альтернативным источникам энергии в Брюйер-ле-Шатель . [104] [105]
Израиль, Япония и Франция также построили несколько исследовательских калютронов, включая сепараторы SOLIS и MEIRA в Центре ядерных исследований Сорек . Также существует детектор изотопного сепаратора ( ISOLDE) ЦЕРНа , который был построен в 1967 году. [106]
Калютрон в Институте ядерной физики Саха в Бидхан Нагаре в Индии использовался для производства плутония для первого ядерного испытания Индии 18 мая 1974 года. [96] [107]
После войны в Персидском заливе 1990–91 годов ЮНСКОМ определил, что Ирак осуществлял программу калютрона для обогащения урана. [108] Ирак решил разработать электромагнитный процесс вместо более современных, экономичных и эффективных методов обогащения, поскольку калютроны было легче построить, с меньшим количеством технических проблем, а компоненты, необходимые для их создания, не подпадали под экспортный контроль. [109] [110] На момент обнаружения программы Ираку, по оценкам, требовалось два или три года, чтобы произвести достаточно материала для ядерного оружия. Программа была уничтожена во время войны в Персидском заливе. [111] Следовательно, Группа ядерных поставщиков добавила оборудование для электромагнитного разделения в свои руководящие принципы по передаче оборудования, материалов и технологий двойного назначения, связанных с ядерной промышленностью. [112] [113]
Медиа, связанные с Calutron на Wikimedia Commons
