Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

8.36. Для любого непрерывно действующего котла эффективный коэффициент размножения k должен равняться единице при любой мощности котла. Наилучшее значение k∞, наблюдавшееся в урано-графитовой решетке, не может быть достигнуто в котле на практике, вследствие ухода нейтронов через поверхность, влияния системы охлаждения, цилиндрических каналов для урана и защитного покрытия урана и других второстепенных факторов. Исходя из воздушного охлаждения и максимальной допустимой температуры поверхности урана, размеры котла необходимо было выбрать так, чтобы он мог давать 1000 kW. Эффективное значение k должно падать с повышением температуры, однако, не настолько, чтобы влияние температуры было определяющим фактором. Хотя идеальной геометрической формой для котла был бы шар, но из практических соображений рекомендуется форма прямоугольного блока.

8.37. Клинтонский котел представляет собой графитовый куб, имеющий внутри горизонтальные каналы, заполненные ураном. Уран имеет форму металлических цилиндров, защищенных газонепроницаемыми алюминиевыми оболочками. Урановые цилиндрические стержни (или блоки) могут вдвигаться в каналы, причем в каналах оставлены зазоры для потока охлаждающего воздуха и для выталкивания урановых стержней через заднюю стену котла, когда они готовы к переработке. Помимо этих каналов в котле имеются еще другие сквозные отверстия для стержней управления, измерительных приборов и пр.

8.38. Клинтонский котел был значительно больше, чем первый котел в Чикаго (см. главу VI). Но более существенны, чем его увеличенные размеры, были система охлаждения, более массивные экранирующие щиты и приспособления для смены урановых стержней. Производительность клинтонской установки соответствовала мощности котла в 1000 kW.

8.39. Инструментальная часть и приборы управления в основных чертах тождественны с соответствующим оборудованием первого котла. Интенсивность нейтронов в котле измеряется ионизационной камерой с BF3 и регулируется с помощью стержней из бористой стали, которые могут вдвигаться и выдвигаться из котла, благодаря чему изменяется та доля общего числа нейтронов, которая вызывает деление.

8.40. Несмотря на внушительное оснащение множеством инструментов и предохранительных приспособлений, наиболее поразительная черта этого котла простота в обращении с ним. Большую часть времени обслуживающему персоналу нечего делать, кроме записи показаний различных измерительных приборов.

8.41. Здесь, как и в Хэнфорде, для процессов, связанных с плутонием, применяется управление на расстоянии, позади толстых экранирующих щитов. Оборудование для операций разделения заключено в ряд смежных камер, окруженных массивными бетонными стенами. Эти камеры образуют непрерывную структуру (каньон), длиной около 100 футов, на две трети зарытую в землю. К каньону примыкают помещения для управления, лаборатории для анализа, а также лаборатория для дальнейшей очистки плутония, после того как он освобожден от примесей до состояния относительной безопасности.

8.42. Урановые стержни, применявшиеся в работе котла, переносятся под водой к первой из камер и затем растворяются. Дальнейшие операции производятся путем перекачивания растворов или шлама из одной камеры или центрифуги в другие.

8.43. Клинтонский котел начал работать 4 ноября 1943 г. и в течение нескольких дней его мощность достигла 500 kW при максимальной температуре поверхностей урановых стержней в 110 °C. Улучшение циркуляции воздуха и повышение максимальной температуры поверхности урана до 150 °C подняли мощность, приблизительно, до 800 kW; на этом уровне она и держалась до весны 1944 года. После этого было изменено расположение урана с таким расчетом, чтобы выравнять распределение мощности в котле путем уменьшения количества металла вблизи центра котла, по сравнению с более далекими от центра частями; это позволяет увеличить среднюю мощность котла без местных чрезмерных повышений температуры. В то же время была повышена герметичность оболочек урановых стержней, что позволило котлу работать при более высокой температуре. В результате, в мае 1944 г. была достигнута мощность в 1800 kW, увеличенная в дальнейшем еще более после установки в июне лучших вентиляторов.

8.44. Таким образом, качество работы котла в июне 1944 г. значительно превысило все ожидания. В отношении легкости управления, устойчивости работы и отсутствии опасных излучений котел оказался в высшей степени удовлетворительным. Было лишь немного неполадок, которые можно отнести за счет ошибок в конструкции или в постройке.

8.45. Сам по себе котел был прост как по принципу действия, так и на практике. Не так обстояло дело с установкой по выделению плутония. Переход от первого котла с цепной реакцией к клинтонскому котлу можно было с достаточным основанием предсказать заранее. Гораздо более значительный переход по величине и по неопределенности необходимо было сделать для процесса разделения, так как клинтонская разделительная установка проектировалась на базе экспериментов, при которых применялись количества плутония, измерявшиеся микрограммами.

8.46. Тем не менее, процесс разделения был осуществлен! Первая партия урановых стержней из котла поступила на разделительную установку 20 декабря 1943 г. К концу января 1944 г. уран из котла поступал на разделительную установку в количестве 1/3 тонны в сутки. К 1 февраля 1944 г. было выдано 190 мг плутония, а к 1 марта того же года было выдано уже несколько граммов. Эффективность регенерации отходов с самого начала была равна приблизительно 50 %, а в июне 1944 г. она уже составляла от 80 до 90 %.

8.47. В течение всего этого периода в Клинтоне большая группа химиков работала над улучшением процесса и проектировала процесс для Хэнфорда. Хэнфордская проблема отличалась от клинтонской тем, что там ожидались гораздо большие концентрации плутония. Кроме того, хотя химиков и можно было поздравить с успехом на клинтонской установке, но процесс был сложным и дорогим. Приходилось весьма и весьма добиваться улучшений в выходе или очистке или общего упрощения процесса разделения.

8.48. Помимо испытания котла и установки для выделения плутония, а также добычи нескольких граммов плутония для экспериментов в Чикаго, Клинтоне и в других местах, Клинтонские лаборатории оказались неоценимыми, как учебный и испытательный центр для Хэнфорда, для медицинских экспериментов, для изучения котла и процессов очистки, для изучения физики и химии плутония и продуктов деления.

8.49. В качестве типичных проблем, которые разрешались здесь и в Чикаго, можно указать следующие (перечисленные в одном из обычных отчетов, относящемся к маю 1944 г.):

Проблемы, завершенные в течение мая 1944 г. Поиски нового окислителя, влияние излучения на воду и водные растворы, растворимость перекиси плутония, соединения плутония, пригодные для транспортировки, распределение продуктов деления в растворах при заводском процессе, предварительный проект процесса выделения при помощи адсорбции, разработка метода адсорбции в полузаводских условиях, завершение проекта адсорбционного метода.

Новые проблемы, намеченные в мае 1944 г. Новый метод анализа плутония, влияние радиоактивного излучения на графит, улучшение выхода, исследования нового котла, регенерация урановых отходов, обрызгивание отходящих газов, удаление отходов активных растворов, оросительное охлаждение котла X, программа обучения количественным анализам, стандартизация методов количественного анализа, разработка методов количественного анализа, экранированная аппаратура для контрольных анализов процесса, эксперименты с камерой Вильсона, α-частицы, испускаемые ураном-235, радиальное распределение плутония, диффракция нейтронов.

ХЭНФОРДСКИИ ЗАВОД

8.50. Рассказ о постройке «Хэнфордского механического завода» (Hanford Engineer Works) выходит за рамки данного отчета, но будем надеяться, что полная история этого замечательного предприятия и его компаньона «Клинтонского механического завода» (Clinton Engineer Works) будет когда-либо опубликована. Местность в Хэнфорде была обследована уполномоченными генерала Гроувза и фирмы Дюпон в конце 1942 года, причем использование этого земельного участка было одобрено ген. Гроувзом после того, как он проинспектировал его лично. Участок находился на западном берегу реки Колумбия, в центре штата Вашингтон, к северу от Паско. В первые же месяцы 1943 года правительством была приобретена (на условиях аренды или покупки) полоса земли в этом районе площадью 200 кв. миль; сделка состоялась при посредстве Отдела недвижимостей Управления главного инженера. В конечном счете под правительственный контроль отошло около тысячи квадратных миль земли. В период приобретения земли там было лишь несколько ферм и две маленькие деревушки, Хэнфорд и Ричлэнд, окруженные покрытыми кустарником равнинами и бесплодными холмами.