Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

6.4. В соответствии с указанными целями, первоначальными задачами Металлургической лаборатории были: во-первых, найти систему, использующую нормальный уран, в которой могла бы итти цепная реакция; во-вторых, показать, что если такая цепная реакция будет осуществлена, то можно будет химически выделить плутоний из остального вещества; и, наконец, получить теоретические и экспериментальные данные для осуществления взрывной цепной реакции или с U-235, или с плутонием. Конечной целью лаборатории было подготовить планы производства плутония в широком масштабе для его использования в бомбах.

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ

6.5. Лаборатория должна была не только заниматься стоящими перед ней первоочередными задачами, но одновременно иметь в виду конечную цель и работать над ней, исходя из предположения, что ближайшие цели будут достигнуты. Нельзя было отложить изучение химии плутония до получения цепной реакции. Нужно было исходить из того, что плутоний будет выделен, и двигаться вперед с разработкой проектов его производства в применения. По мере накопления научных данных, формулировки задач непрерывно изменялись, и программы исследований пересматривались почти каждую неделю.

Группа экспериментаторов-физиков, специалистов по ядру, под руководством Э. Ферми в основном занималась вопросами цепной реакции; химическое отделение, организованное Ф. Г. Следингом (в дальнейшем, последовательно, под руководством С. К. Алисона, И. Франка, В. К. Джонсона и Т. Хогнеса) занималось химией плутония и методами разделения; теоретическая группа под руководством Э. Вигнера проектированием производственных котлов. Однако, эти задачи переплетались, и различные научные и технические вопросы, связанные с процессом деления, изучались в той группе, которая казалась наиболее подходящей для решения данной задачи. В марте 1942 г. во главе технической группы был поставлен Томас М. Мур. Остальные старшие сотрудники в этой группе были: М. К. Ливеретт, Дж. А. Уилер и К. М. Купер, позже сменивший Мура в качестве руководителя технического отдела. Летом 1942 г. стала очевидной важность проблемы охраны здоровья, и был организован отдел под руководством д-ра Р. С. Стоуна. Трудная задача организации и управления исследовательской лабораторией, увеличивающейся в размерах и сложности почти с быстротой взрыва, разрешалась директором лаборатории Р. Л. Доуном.

6.6. Мы решили посвятить эту главу работам 1942 г., так как в этом году 2 декабря была впервые осуществлена самопроизвольная цепная реакция и в это же время весь Чикагский проект оценивался комитетом, члены которого были подобраны специально по признаку наличия у них технической подготовки (Этот комитет состоял из У. К. Льюиса, К. Г. Гринвольта, Т. К. Гэри и Роджера Вильямса; Э. В. Мерфри был также член комитета, но по болезни не имел возможности принять участие в его работе.). Это совпадение было знаменательным и вместе с тем выгодным для нашего отчета, так как каждое из указанных событий могло рассматриваться, как веха, обозначающая конец определенного этапа в работе Металлургической лаборатории. При подготовке к посещению членов этого комитета, был составлен исчерпывающий доклад, известный под названием Feasibility Report, который был широко использован при подготовке данной главы.

ПЛАН ЭТОЙ ГЛАВЫ

6.7. В этой главе материал представлен согласно последовательности указанных выше задач. В части I рассматриваются успехи в разрешении начальных задач, включая: (a) накопление материалов, (b) экспериментальное доказательство цепной реакции, (c) химию плутония и некоторые вопросы разделения, (d) некоторые из выполненных вспомогательных работ, и наконец, (e) работы по «быстрым нейтронам». Естественно, работы, описываемые детально, представляют только пример большого количества фактически выполненных теоретических и экспериментальных исследований. В части II мы рассмотрим возможности промышленных котлов и методов разделения и специальные предложения, сделанные в ноябре 1942 г.

Часть I

УСПЕХИ В РАЗРЕШЕНИИ ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАТЕРИАЛАМИ

6.8. Как уже выяснилось из предыдущих глав настоящего отчета, снабжение материалами достаточной чистоты представляло главную часть всей проблемы. Что касается урана, то казалось очевидным, что необходимо будет иметь его в виде металла высокой чистоты или, по меньшей мере, в виде очень чистой окиси. Другими материалами, которые оказывались необходимыми, были графит, тяжелая вода и, возможно, также бериллий. К тому времени уже было ясно, что, каковы бы ни были преимущества тяжелой воды для применения в качестве замедлителя, ее нельзя будет получить в больших количествах в течение месяцев или лет. Бериллий имел меньшие преимущества, причем добыть его было так же трудно. Поэтому все усилия были сосредоточены на получении графита в качестве материала для замедлителя. Как уже указывалось в главе V, обеспечение ураном и графитом первоначально не было возложено на Металлургическую лабораторию, а было передано через Мерфри и других Бюро технического планирования. Фактически же очевидная заинтересованность Металлургической лаборатории в разрешении этой проблемы приводила к беспрерывному вмешательству лаборатории через ее представителей. Большая доля заслуг в достижении конечного успеха в получении материалов принадлежит Н. Хилбери, а позже Р. Л. Доуну, постоянно поддерживаемых А.X. Комптоном.

6.9. Очевидно, не было бы никакого основания предпринимать осуществление Проекта, если бы не была найдена возможность получать уран в достаточном количестве для производства бомб. Прежние данные были благоприятны, а тщательная разведка, проведенная в ноябре 1942 г., показала, что возможно наладить немедленную разработку урановых руд в достаточных количествах.

6.10. В конце 1941 года все количество наличного металлического урана составляло несколько граммов металла хорошего качества, произведенного, в виде эксперимента, фирмой Westinghouse Elictric Manufacturing Co. и другими, и несколько фунтов весьма загрязненного пирофорного порошка, произведенного фирмой Metal Hydrides Co. Единственное сырье, которым можно было в то время располагать в США в значительных количествах, была коммерческая черная окись урана, которую можно было получить в ограниченных количествах от Canadian Radium and Uranium Co. Эта окись содержала от 2 до 5 % примесей и при использовании ее в экспоненциальных опытах коэффициент размножения нейтронов был равен приблизительно 0,87.

6.11. К маю 1942 г. стала поступать черная окись высокой очистки и более однородной структуры, в количестве в среднем 15 тонн в месяц. Общее количество примесей составляло менее 1 %, примесь бора составляла несколько частей на миллион, и коэффициент размножения нейтронов был равен около 0,98. (Вспомним, что коэффициент размножения зависит также и от чистоты графита). Поставка окиси урана в сентябре 1942 г. достигла одной тонны в день.

6.12. Опыты, произведенные Дж. И. Гофманом в Национальном Бюро Стандартов, показали, что при извлечении эфиром все примеси удаляются при одном извлечении уранил-нитрата. Применение этого метода устранило множество затруднений в получении чистой окиси и чистых материалов для производства металлического урана. В начале мая 1942 г. были закончены переговоры с химическими заводами Малинкродта в Сен-Луи (Mallinckrodt Chemical Works) о пуске в производство нового вида окиси, получаемой в процессе извлечения эфиром, для дальнейшего снижения содержащихся в ней примесей и о поставке конечного продукта в виде коричневой двуокиси. Поставки начались в июле 1942 года в количестве 30 тонн в месяц. Эта окись в настоящее время служит исходным материалом во всем производстве металлического урана, и более высокой степени очистки в промышленных масштабах ожидать нельзя. И действительно, разработка и пуск в производство процесса в масштабах порядка одной тонны в день, позволяющего превратить весьма загрязненную коммерческую окись в продукт такой степени чистоты, которая редко достигается даже в лабораторных масштабах, представляли выдающееся достижение.

6.13. Процессом, который применяла фирма Вестингауза для производства урана, был электролиз KUF5, что обходилось около 1000 долларов за фунт. Так как KUF5 получался фотохимическим методом под действием солнечного света, то получение его представляло узкое место в производстве. Было найдено, что вместо KUF5 можно применять четырехокись, и были предприняты шаги к тому, чтобы эта соль производилась фирмой Harshaw Chemical Co. в Кливленде и заводами Дюпона в Пенсгруве (штат Нью-Джерси). Производство было начато в августе 1942 года и к октябрю того же года достигло 700 фунтов в день у Харшоу и 300 фунтов в день у Дюпона; методом производства в обоих случаях была гидрофлуоризация двуокиси, очищенной на заводах Малинкродта.