Атомная энергия для военных целей - Генри Смит

11.17. Не располагая еще полными научными и техническими данными по всем методам и твердыми оценками стоимости, необходимо было принять решения по трем пунктам: 1) строить ли электромагнитный завод, 2) насколько большим должен быть этот завод, 3) на какой стадии разработок должен быть принят окончательный проект.

УТВЕРЖДЕНИЕ ПОСТРОЙКИ ЗАВОДА

11.18. На основании результатов, полученных из экспериментов в Беркли летом 1942 г., Исполнительный Комитет на заседании 13–14 сентября 1942 г. рекомендовал, чтобы Армия дала заказ на постройку завода электромагнитного разделения в долине Тенесси (Клинтонский механический завод). Было рекомендовано пойти на то, что этот заказ в случае необходимости может быть аннулирован на основании данных, которые могут быть получены позднее. Была признана желательной постройка опытного завода в долине Тенесси в возможно более короткое время. (Эти рекомендации впоследствии были отменены, и опытный завод не был построен). Постройка производственной установки была утверждена генералом Гроувзом 5 ноября 1942 г. с условием, чтобы немедленно было прекращено проектирование опытной установки.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА

11.19. При описании производства плутония мы рассмотрели разделение обязанностей между Металлургической лабораторией и фирмой Дюпон. Организация проектирования и строительства завода электромагнитного разделения была основана на несколько ином принципе. Обязанности были распределены между шестью основными группами. Лаборатории излучения Калифорнийского университета были поручены исследования и техническая разработка; фирме Westinghouse Electric and Manufacturing Co. — производство механических частей источников, приемников, насосов, камер и т. д.; фирме General Electric Co. — электрическое оборудование и приборы управления; фирме Allis-Chalmers Co. — магниты; фирме Stone and Webster Engineering Co. — постройка и монтаж и фирме Tennessee Eastman Co. — эксплоатация. Все пять фирм держали группы своих инженеров в Беркли, благодаря чему осуществлялась повседневно деловая связь и взаимный контроль. Таким образом основная часть проектирования проводилась совместно, хотя детали могли быть оставлены для разработки отдельным фирмам.

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

11.20. Следует отметить тот странный факт, что хотя теория котла с саморазвивающейся цепной реакцией была хорошо разработана всего за два года, теория газового разряда, после пятидесяти лет интенсивного изучения, была все еще недостаточна для точного предсказания поведения ионов в калютроне. Количество U-235, накопленного в день, и его чистота зависят от таких факторов, как: (1) ширина, расположение и форма коллектора, (2) давление газа в магнитном пространстве, (3) напряженность и однородность магнитного поля, (4) форма и расположение определяющих щелей и ускоряющей системы, (5) ускоряющее напряжение, (6) размеры и форма щелей в дуговом источнике ионов, (7) ток дуги, (8) положение дуги внутри дуговой камеры, (9) давление пара в дуговой камере, (10) химическая природа пара. Для систематического изучения совместного действия всех этих факторов времени не было. Разработку приходилось вести в значительной мере по интуиции. Необходимо было изучить большое число разнообразных явлений и хотя бы частично их истолковать. Затем опыт, накопленный группой, и приобретенное «ощущение» проблемы нужно было превратить в конкретные проекты и указания.

НЕОБХОДИМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

11.21. (а) Число ступеней. Как и во всех методах, приходилось искать компромисс между производительностью и коэффициентом разделения. В электромагнитной системе коэффициент разделения много выше, чем в других системах, так что необходимое количество ступеней мало. Вначале казалось возможным ограничиться одной ступенью, но уже первые исследования показали, что попытки повысить коэффициент разделения настолько, чтобы достаточно было одной ступени, приводили к снижению выхода до практически неприемлемой величины.

11.22. (b) Технические условия. Данные опытов по всем указанным выше факторам, определяющим работу разделительной установки, должны были перед началом строительства вылиться в решения по следующим основным пунктам; (1) размер установки, определяемый радиусом кривизны траектории иона, длина щели источника, устройство источников и приемников; (2) необходимая максимальная напряженность магнитного поля; (3) вопрос о том, нужно ли использовать ионные пучки с большой угловой расходимостью; (4) количество источников ионов и приемников на установку; (5) должен ли источник иметь высокий потенциал или потенциал земли; (6) количество ускоряющих электродов и максимальные потенциалы, приложенные к ним; (7) потребная мощность для дуг, для ускоряющего напряжения, для насосов и т. д.; (8) требования, предъявляемые к насосной установке; (9) количество установок на полюсной зазор; (10) количество установок в здании.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ В БЕРКЛИ

11.23. Разработка большей части проектов для первого завода в связи с результатами использования гигантского магнита в Беркли осенью 1942 г. должна была быть прекращена.

Однако, для проектируемого завода требовались установки несколько отличного типа. Хотя не было никаких оснований предполагать, что эти изменения повлияют на работу конструкции, было, очевидно, желательно построить модель установки в Беркли. Постройка ее была одобрена, примерно, в то же самое время, когда были заказаны первые установки для завода, так что опыт с ней не оказал влияния на основное проектирование. Эта установка была закончена и пущена в ход к апрелю 1943 г., т. е. за шесть месяцев до первой заводской установки, и принесла громадную пользу для целей испытаний и в деле обучения персонала. Позднее в здании для большого магнита в Беркли был установлен третий магнит. Всего в Беркли было сосредоточено шесть разделительных установок, с помощью которых велось опытное производство и выполнялись исследования. Помимо завершения этих установок была также проделана большая вспомогательная работа.

ИЗОТРОПНАЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

11.24. Как мы уже говорили, Г. Д. Смит стал изучать электромагнитные методы разделения в конце лета и осенью 1941 г. Его внимание в основном было направлено на метод использования широкого ионного источника и широкого ионного пучка вместо применяемых в калютроне узких пучков, ограниченных системой щелей. Метод, дающий разделение и использующий широкий источник ионов, был предложен Р. Р. Вильсоном (Принстон). Устройство, осуществленное по идее Вильсона, названо «изотроном».

11.25. Изотрон представляет собой масс-сепаратор, использующий широкий источник ионов, в отличие от щелевых источников, применяемых в обычных масс-спектрографах. Ионы от источника, имеющего большую поверхность, сперва ускоряются постоянным электрическим полем высокой интенсивности, а затем подвергаются действию слабого электрического поля высокой частоты, изменяющегося во времени пилообразно. Действие постоянного электрического поля заключается в том, чтобы направлять по трубе интенсивный пучок ионов, обладающих, одинаковой кинетической энергией. Скорости ионов будут при этом обратно пропорциональны квадратным корням из их масс. С другой стороны, переменное электрическое поле создает малые периодические изменения в скорости ионов. Это изменение скоростей приводит к тому, что, пройдя в трубе определенное расстояние, ионы «сбиваются в группу» (тот же самый принцип использован в генераторе высокой частоты, носящем название клистрон, где электроны «сбиваются в группу» или «модулируются по скорости»). Группы ионов с различными массами движутся с различными скоростями и, поэтому, разделяются. В точке, где это происходит (в действительности на площади, перпендикулярной пучку), специальное анализирующее устройство создает поперечное фокусирующее электрическое поле с радиочастотной компонентой, синхронизированной с приходом групп ионов. Синхронизация такова, что переменная компонента напряженности поперечного поля равна нулю, когда проходит группа ионов U-235 и достигает максимума, когда проходит группа ионов U-238. Таким образом, ионы U-235 фокусируются на коллекторе, а ионы U-238 отклоняются.

11.26. Эта схема была изложена 18 декабря 1941 г. на заседании Комитета по урану и немедленно после этого была обсуждена более полно с Лоуренсом, который посетил Принстон. Казалось, что метод может дать удовлетворительные результаты, и имеет смысл начать его экспериментальную разработку. Она была немедленно начата по контракту с ОСРД и продолжалась до февраля 1943 г. Так как идея была совершенно новая, возникли два основные вопроса: (1) возможна ли вообще работа на этом принципе и (2) может ли этот метод быть развит достаточно быстро для производства в промышленном масштабе, чтобы конкурировать с более «ортодоксальными» методами, уже разрабатывавшимися в то время.