Атомная энергия для военных целей - Генри Смит

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

10.39. Работа в Колумбийском университете по разделению изотопов по методу газовой диффузии началась в 1940 г., к концу 1942 г. проблемы разделения урана этим методом в заводском масштабе были точно сформулированы. Так как разделение одной ступенью слишком незначительно, то потребовалось несколько тысяч ступеней. Было найдено, что наилучший метод соединения многих ступеней требует многократного повторения цикла, так что количество вещества, проходящего через перегородки нижних ступеней, во много тысяч раз превышает количество обогащенного продукта, извлекаемого из последней ступени.

10.40. Основными трудностями явились разработка удовлетворительных перегородок и насосов. Требовались акры перегородок и тысячи насосов. В качестве рабочего газа, естественно, был выбран шестифтористый уран, но трудности производства и обращения с ним были столь велики, что пришлось предпринять дополнительные поиски заменителя. Так как в основном разделение должно проводиться при низком давлении, возникла проблема техники вакуума в ранее неслыханных масштабах. Было разрешено много проблем по вопросам регулирования и по приборам; широко применялись масс-спектрографы различных видов.

10.41. Исследования были произведены в основном в Колумбийском университете под руководством Данинга и Юри. В 1942 г. для постройки установки была выбрана фирма Келлог и специально создана дочерняя организация Kellex Corporation для разработки процесса и проектирования завода. Завод был построен строительной фирмой T.A. Jones Construction Co. Эксплоатация была поручена Carbide and Carbon Chemical Corporation.

10.42. Был разработан вполне удовлетворительный тип перегородки, хотя окончательный выбор был сделан только тогда, когда постройка клинтонской установки шла полным ходом. Были разработаны два типа центробежных нагнетателей, удовлетворяющих предъявленным к ним требованиям. Установка была пущена в успешную эксплоатацию к лету 1945 года.

Глава XI. Электромагнитное разделение изотопов урана

ВВЕДЕНИЕ

11.1. В главе IV мы говорили, что возможность разделения изотопов урана в больших масштабах электромагнитным методом была предсказана в конце 1941 г. Э. А. Лоуренсом (Калифорнийский университет) и Г. Д. Смитом (Принстонский университет). В главе IX мы описали основы одного из вариантов электромагнитного метода разделения и указали на три его недостатка: трудность получения ионов, ограниченное относительное количество действительно используемых ионов и влияние объемного заряда.

11.2. К концу декабря 1941 г., когда была осуществлена реорганизация всего проекта по урану, Лоуренс уже получил некоторые количества разделенных изотопов урана и при реорганизации ему было официально поручено руководить приготовлением дальнейших образцов и проведением различных вспомогательных физических измерений. Однако, как только Металлургическая лаборатория в своей работе перешла от физики цепных реакций к производству плутония в большом масштабе, отдел Лоуренса сразу приступил к разработке промышленного разделения изотопов урана электромагнитным методом. Это изменение тематики было обусловлено успехом первоначальных экспериментов в Калифорнии и развитием идей о других возможных методах в Калифорнии и Принстоне. Из многих предложенных электромагнитных схем три вскоре, были признаны наиболее обещающими: «калютронная» разделительная установка, установка магнетронного типа, в дальнейшем развитая в «ионную центрифугу», и «изотронный» метод собирания ионов в группы. Первые две схемы были исследованы в Калифорнийском университете, третья — в Принстонском. В течение первых нескольких месяцев наибольшие усилия были направлены на разработку калютрона; однако, некоторая работа по ионной центрифуге продолжалась еще в Калифорнии в течение лета 1942 г. и в малых масштабах Дж. Слепяном — в лаборатории Вестингауза в Питтсбурге в течение зимы 1944–1945 г. Работа с изотроном велась в Принстоне до февраля 1943 г., когда большая часть группы была переброшена на другую работу. Основная часть этой главы посвящена калютрону, так как именно эта установка позволила осуществить промышленное производство U-235. Кроме того, дано краткое описание термодиффузионного завода, предназначенного для обеспечения обогащенным сырьем электромагнитных разделительных установок.

11.3. Требования секретности делают невозможным здесь, как и в других частях книги, рассмотреть многие из наиболее интересных технических подробностей. Важность проблемы, однако, значительно больше, чем она представляется по отведенному ей здесь месту.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МАСС-СЕПАРАТОРЫ

11.4. Масс-спектрограф А. О. Нира был первоначально предназначен для измерения относительных количеств изотопов, а не для разделения больших количеств. Используя пары бромистого урана, Нир приготовил несколько образцов с небольшими количествами разделенных изотопов урана. Однако, производительность его установки была очень низка, так как ионный ток был меньше одного микроампера. (Масс-спектрограф, в котором от источника к приемникам проходит 1 микроампер ионов урана[3], будет собирать около 1 микрограмма U-235 за 16 часов). Большая необходимость в получении обогащенного U-235 для ядерных исследований была впервые осознана Лоуренсом, и он решил выяснить, что можно сделать для этой цели с помощью 37-дюймового циклотронного магнита в Беркли. Эта работа в своей начальной стадии субсидировалась Исследовательской корпорацией Нью-Йорка.

11.5 Впоследствии субсидия была возмещена. Начиная с 1 января 1942 г., работа проводилась на средства ОСРД через Комитет S-1. Позднее, как и по другим частям проекта по урану, контракты были переданы «Манхэттенскому Округу».

11.6. В Беркли, после нескольких недель проектирования, 24 ноября 1941 г. 37-дюймовый циклотрон был демонтирован, а его магнит использован для создания магнитного поля в установке, названной впоследствии «калютроном» — название, представляющее сокращение от California University cyclotron. Ионы создавались с помощью электронного пучка, проходящего в парах соли урана. Этот ионный источник был расположен так, как это показано на рис. 5 в главе IX, стр. 175. Затем ионы ускорялись к щели S2, через которую они проходили в область разделения, где магнитное поле изгибало их траектории в полуокружности, оканчивающиеся на щели коллектора. К 1 декабря 1941 г. был получен пучок молекулярных ионов остатков газа в камере, а вскоре после этого и достаточно интенсивный пучок однократно заряженных ионов урана U+. Было установлено, что значительная часть ионов, покидающих источник, является ионами U+. Для проверки разделения был установлен коллектор с двумя карманами, расположенными друг от друга на расстоянии, соответствующем массовым числам 235 и 238. В декабре были проведены два цикла накопления с использованием пучка низкой интенсивности. Малый коэффициент разделения, полученный из анализа результатов этих первых экспериментов, оказался все же значительно выше, чем в методе газовой диффузии. В середине января 1942 г. был проведен цикл накопления разделенных изотопов с пучком значительной интенсивности и с переработкой заметного количества вещества, и был достигнут значительно лучший коэффициент разделения.

К началу февраля 1942 г. были получены пучки много большей интенсивности, и Лоуренс сообщил, что с этими пучками могут быть получены хорошие коэффициенты разделения. К началу марта 1942 г. ионный ток был еще увеличен. Полученные результаты подтверждали предположение Лоуренса о том, что объемный заряд можно нейтрализовать ионизацией остаточного газа в камере.

11.6. К этому времени стало ясно, что с помощью калютрона можно осуществить разделение в значительно большем масштабе, чем это когда-либо было достигнуто ранее электромагнитным методом. Очевидно, было желательно исследовать всю область электромагнитного разделения. Исходя из этого, Лоуренс мобилизовал свою группу в лаборатории излучения Калифорнийского университета в Беркли и привлек ряд исследователей из других лабораторий. Среди тех, кто с самого начала принимал участие в разработках, проводившихся в Беркли, были: Д. Кукси, П. К. Эберсолд, В. М. Бробек, Ф. А. Дженкинс, К. Р. Макензи, В. Б. Рейнольдс, Д. Г. Слоун, Ф. Оппенгеймер, Дж. Дж. Бэкус, Б. Петерс, А. К. Гельмгольц, Т. Финкельштейн и В. Е. Паркинс-младший. Лоуренс пригласил также некоторых своих прежних студентов, а именно: Р. Л. Торнтона, Дж. Р. Ричардсона и др. Среди лиц, временно работавших в Беркли, были: Л. П. Смит из Корнельского университета, Э. У. Кондон и Дж. Дж. Слепян от фирмы Вестингауз и И. Лэнгмюр и К. Г. Кингдон от Дженерал Электрик. В течение этого раннего периода И. Р. Оппенгеймер также работал в Беркли и внес ряд ценных идей. В конце 1943 г. группа Лоуренса была еще более усилена прибытием английских физиков во главе с М. Л. Олифантом (Бирмингамский университет).