Атомная энергия для военных целей (Смит/Иванов)/Глава VI

Материал из Wikilivres.ru
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Атомная энергия для военных целей — Глава VI. Металлургическая лаборатория в Чикаго в 1942 г.
автор Генри Деволф Смит, пер. под ред. Г. Н. Иванова
Язык оригинала: английский. Название в оригинале: Atomic Energy for Military Purposes (Chapter VI. THE METALLURGICAL PROJECT AT CHICAGO IN 1942). — См. Содержание. Дата создания: 1945. Источник: Генри Деволф Смит Атомная энергия для военных целей / Перевод с английского под редакцией Г. Н. Иванова. — Москва: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1946. — С. 99—118. — 276 с
{{#invoke:Header|editionsList|}}


Содержание

ВВЕДЕНИЕ

6.1. Как видно из глав IV и V, данные о возможности создания атомной бомбы, полученные к концу 1941 г., оправдывали необходимость расширения работ, и это расширение требовало административной реорганизации. Было общепризнано, что возможность создания атомной бомбы чудовищной разрушительной силы из концентрированного урана-235 или из нового элемента плутония очень вероятна; поэтому было предложено составить широкую, программу экспериментальных и теоретических работ как по разделению изотопов, так и по цепным реакциям.

Рассчитывали, что эти работы окончательно установят, может ли быть выделен U-235 из U-238 в достаточных количествах электромагнитным или статистическими методами; может ли установиться цепная реакция с природным ураном или его соединениями, и можно ли будет таким способом получать относительно большие количества плутония; можно ли будет полученный таким образом плутоний отделить от исходного вещества урана. Предполагалось также, что намеченные программой исследования обеспечат Проект теоретическими и экспериментальными данными, необходимыми для конструирования бомбы, использующей цепную реакцию на быстрых нейтронах.

6.2. Как уже было указано в главе V, разработка проблемы разделения изотопов была передана группе Лоуренса и Юри, а остальные вопросы были поручены группе Комптона, которая была организована под условным названием «Металлургическая лаборатория» Чикагского университета. В этой и в последующих двух главах мы опишем работу Металлургической лаборатории и

— 100 —

связанных с ней других лабораторий вплоть до июня 1945 г. В остальных главах мы рассмотрим работы по разделению изотопов и работы группы по разработке бомбы, выделившейся из Металлургической лаборатории в начале 1943 г.

6.3. Нет смысла пытаться определять относительную важность вклада отдельных лабораторий в общий успех проектирования атомной бомбы. В настоящем отчете не делается такой попытки, и в нем нет соответствия между местом, отведенным для описания работ какой-либо группы, и возможностями или важностью этих работ. При решении вопроса, какой раздел проекта атомной бомбы должен быть обсужден раньше и более полно, мы руководствовались критерием общего интереса и военной тайны. Некоторые усовершенствования большой технической важности имеют небольшой общий интерес, другие и интересные и важные должны все еще держаться в секрете. С точки зрения такого критерия, приложенного к задачам и результатам деятельности различных лабораторий, организованных с тех пор, как были начаты работы в широком масштабе, наиболее подробно должна быть освещена деятельность Металлургической лаборатории.

ЗАДАЧИ

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

— 101 —

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

— 102 —

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

ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

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

— 103 —

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.

УРАНОВАЯ РУДА

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.

ОКИСЬ УРАНА И МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УРАН

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.

— 104 —

(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.

6.14. В результате такого снабжения Вестингауза сырьем и расширения завода поставки от Вестингауза достигли в общем

— 105 —

более, чем 6000 фунтов к ноябрю 1942 г., и ожидалось, что производительность достигнет 500 фунтов в день в январе 1943 года. Чистота металла была хорошей, а стоимость снизилась до 22 долларов за фунт.

6.15. По разным причинам, поставка приемлемого металла от фирмы Metal Hydrides Co. задерживалась и началась только в ноябре 1942 года. Предполагалось, что впоследствии продукция этой компании достигнет 1000 фунтов в неделю.

6.16. Ни процесс, применявшийся Вестингаузом, ни процесс фирмы Metal Hydrides Co. не были вполне удовлетворительными. Большие усилия были направлены на ускорение производства металла; над этим независимо работали Ф. Г. Спединг с сотрудниками в колледже штата Айова в Эймсе и К.Дж. Родден в Национальном Бюро Стандартов, и в результате был разработан удовлетворительный метод. Оборудование для производства было установлено в Эймсе осенью 1942 года и уже к концу ноября давало более одной тонны. Процесс был исключительно прост, быстр и дешев.

6.17. Дальнейшие исследования показали, что возможны дополнительные изменения, улучшающие производство, и в середине 1943 года Спединг в Айова и другие, участвовавшие в этом деле окончательно приняли метод производства.

6.18. К концу 1942 г. Манхэттенский Округ заключил соглашение на увеличение продукции урана за счет большего использования заводов Малинкродта, фирмы Union Carbide and Carbon Corporation и фирмы Дюпон.

6.19. Подводя итоги, мы видим, что в течение большей части 1942 года металлический уран получить было практически невозможно; это обстоятельство, как мы увидим ниже, сильно задержало развитие дела. Однако, вопросы производства металла были почти разрешены в конце 1942 г., и котел, построенный в ноябре 1942 г., содержал около 6 тонн металлического урана. Вся проблема снабжения металлом была принята на себя Манхэттенским Округом под общим руководством полковника Ругофа, ранее работавшего на заводах Малинкродта. С точки зрения Металлургического проекта, в дальнейшем не было серьезных задержек или затруднений, связанных с недостатком металла.

— 106 —

СНАБЖЕНИЕ ГРАФИТОМ

6.20. В начале 1942 года производство графита было все еще неудовлетворительно; разумеется, оно находилось в совершенно иных условиях, чем получение урана, поскольку промышленное производство графита было очень велико. Задача заключалась только в очистке и в первоочередности снабжения. В значительной степени благодаря усилиям Н. Хилбери были привлечены фирмы National Carbon Co. и Speer Carbon Co. По предложениям экспертов Национального Бюро Стандартов, эти фирмы могли производить графит высокой чистоты с поглощением нейтронов на 20% меньшим, чем у применявшегося ранее стандартного коммерческого графита. Хотя и в дальнейшем усилия, направленные на снижение примесей, имели некоторый успех, проблема очистки графита в основном была решена к середине 1942 г., и совместно с Управлением военного производства (War Production Board) были размещены большие заказы. Так же, как и в отношении урана, снабжение графитом было передано Манхэттенскому Округу.

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

ДАЛЬНЕЙШИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

6.21. Ко времени организации Металлургического проекта большинство физиков, знакомых с состоянием вопроса, считали, что система, в которой будет развиваться цепная реакция, вероятно, осуществима, если можно будет получить достаточно чистый графит и чистый металлический уран. Было выполнено достаточное число работ по резонансному поглощению, по теории поглощения и диффузии нейтронов в котле и по промежуточным экспериментам, чтобы можно было рассчитать конструкцию решетки, которая имела бы очень большую вероятность поддержать цепную реакцию. Тем не менее, в экспериментальных данных и в приближениях, допущенных в теоретических вычислениях, была неопределенность. Предстоял выбор между двумя альтернативами: 1) построить котел по наилучшей возможной схеме; 2) произвести более точные определения ядерных постоянных, провести промежуточные эксперименты и улучшить расчеты. Едва ли можно было сомневаться, что первая альтернатива представлялась наиболее

— 107 —

быстро ведущей к цели производству плутония. Было много существенных вопросов, которые могли быть быстрее разрешены в процессе действия котла, чем путем выполнения ряда экспериментов в небольших масштабах. К сожалению, в то время и еще в течение 9 месяцев нельзя было получить достаточного количества материалов. Поэтому пришлось выбрать вторую альтернативу, т. е. собрать все доступные сведения любыми имевшимися в распоряжении средствами.

6.22. Основной линией исследования была постановка ряда промежуточных экспериментов. В специальных условиях каждого промежуточного эксперимента можно было получить данные для проверки расчетов, основанных на отдельных вспомогательных опытах. Изменялось отношение окиси урана к графиту, применялись окиси различной чистоты, применялись блоки окиси различных размеров, различной формы и различной плотности, изменялись размеры решетки, испытывалось влияние окружения элементов окиси урана бериллием и парафином и, наконец, испытывались устройства с одинаковым типом решетки, но с различными общими размерами, чтобы проверить, будут ли одинаковы значения коэффициента размножения k (для бесконечных размеров), вычисленные на основании различных серий экспериментов. Э. Ферми занимался исследованием влияния примесей, С. К. Алисон испытаниями решеток различных размеров. Все эти эксперименты укрепили уверенность группы физиков в правильности вычисленного значения k и в том, что можно построить котел с коэффициентом k, превышающим 1. В июле от Малинкродта было получено достаточное количество очищенной окиси урана для постройки промежуточной установки #9. Так же, как и в предварительных экспериментах, радие-бериллиевый источник нейтронов помещался у основания решетки, и плотность нейтронов измерялась вдоль вертикальной оси котла. К этому времени уже было известно, что плотность нейтронов уменьшается экспоненциально с увеличением расстояния от источника нейтронов (отсюда часто употреблявшееся название «экспоненциальный опыт») и что, исходя из этой скорости уменьшения, можно вычислить коэффициент размножения k для бесконечно большого котла с той же структурой решетки. Впервые коэффициент размножения k, вычисленный таким образом на основании экспериментальных результатов,

— 108 —

получился больше единицы (его значение оказалось равным 1,007). Еще до проведения этого эксперимента Комптон в докладе от 1 июля предсказывал, что можно будет получить значение k между 1,04 и 1,05 в котле, содержащем окись урана высокой очистки и графит, если только из котла будет удален воздух для того, чтобы предотвратить поглощение нейтронов азотом.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ НЕЙТРОНЫ

6.23. Мы не будем упоминать множества различных вспомогательных экспериментов, выполненных за этот период. Однако, один такой эксперимент изучение запаздывания нейтронов мы рассмотрим, так как он представляет собою хороший пример тех экспериментов, какие приходилось выполнять, и так как в этом случае речь идет об эффекте, до сих пор не упоминавшемся, но чрезвычайно важном для управления котлом, в котором идет цепная реакция.

6.24. Из прежних исследований, из которых некоторые уже были опубликованы, известно, что около 1% нейтронов, испускаемых в процессе деления, выбрасывается не немедленно, а испускается в течение некоторого периода времени явление, напоминающее β-излучение радиоактивных веществ с малым периодом полураспада. В опытах наблюдалось несколько периодов полураспада, самый продолжительный из которых имел порядок 1 минуты.

6.25. Уже сначала было ясно, что это время запаздывания приводит к своего рода инерции цепной реакции, позволяющей значительно облегчить управление. Если эффективный коэффициент размножения в котле несколько превысит значение 1, то плотность нейтронов не возрастет до опасных значений почти мгновенно, а будет нарастать постепенно, так что будет возможность ввести в действие управляющие устройства. (Другие интервалы времени, которые имеются в этом процессе, например, промежутки времени между соударениями, слишком малы, чтобы можно было ими воспользоваться).

6.26. Вследствие важности явления запаздывания нейтронов для управления было решено повторить и улучшить прежние измерения. (Тот факт, что это было скорее повторение, а не новые измерения, также типичен для значительной части работ по физике в этот период). Описание этого опыта приведено в Приложении 3. Результаты эксперимента показали, что 1% нейтронов, испускаемых при делении урана, запаздывает по меньшей мере на 0,01 секунды и что около 0,7% запаздывают даже на целую минуту. Проектируя котел так, чтобы эффективное значение коэффициента размножения k было равно только 1,01, можно получить достаточное число запаздывающих нейтронов, чтобы добиться легкого управления.

ПЕРВЫЙ КОТЕЛ С САМОРАЗВИВАЮЩЕЙСЯ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИЕЙ

6.27. К осени 1942 года в Чикаго можно было получить достаточно графита, окиси урана и металлического урана для того, чтобы сделать попытку построить настоящий котел с саморазвивающейся цепной реакцией. Однако, количество имевшегося в распоряжении металлического урана было мало только около 6 тонн, да и другие материалы также имелись не в изобилии и были различного качества. Именно эти условия, больше, чем оптимальная эффективность, определяли проектирование.

6.28. Котел был построен с графитом в качестве замедлителя и блоками металлического урана или окиси в качестве реагирующих элементов, правильно расположенными в графите в виде решетки. Приборы, расположенные в различных точках котла или вблизи его, указывали интенсивность нейтронов, а передвижные стержни из поглощающего вещества служили для управления (более полное описание котла дано в Приложении 4). Так как в котле неизбежно существуют нейтроны спонтанного деления или других источников, было ясно, что реакция начнется тотчас же, как только конструкция достигнет критических размеров, если управляющие стержни не будут поставлены в положение «задержки». Вследствие этого, управляющие стержни ставились в соответствующее положение «задержки» с самого начала, и интенсивность нейтронов часто измерялась. Это оказалось счастливым обстоятельством, так как обнаружилось, что подход к критическому состоянию происходит на более ранней стадии сборки, чем это предполагалось заранее.

6.29. Впервые котел начал действовать 2 декабря 1942 г. Насколько нам известно, это был первый случай, когда человеку

— 110 —

удалось создать самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Первоначально котел действовал при мощности в 1/2 W, но 12 декабря мощность была повышена до 200 W.

ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЮЩАЯСЯ В КОТЛЕ

6.30. При этих экспериментах прямых измерений выделяющейся энергии не производилось. Число нейтронов, испускаемых котлом в секунду, выражалось через активность стандартных листочков индия. По известному числу нейтронов, освобождаемых на каждое деление, вычислялось количество выделяющейся энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6.31. Эксперимент, осуществленный 2 декабря как раз тогда, когда Обзорный комитет оценивал Чикагский проект, давал не оставляющий и тени сомнения ответ на первый вопрос, стоявший перед Металлургической лабораторией: самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция была получена в установке, применяющей нормальный уран. Эксперимент был выполнен под общим руководством Э. Ферми с помощью, главным образом, групп, возглавляемых У. Г. Цинном и Г. Л. Андерсоном. На обязанности В. К. Вильсона и его группы лежала в основном разработка приборов и органов управления; многие другие работники этой лаборатории способствовали успеху всей этой работы.

ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ МОЩНОСТЬЮ И ПРОИЗВОДСТВОМ ПЛУТОНИЯ

6.32. Непосредственной целью постройки урано-графитового котла было доказать, что существуют условия, при которых произойдет цепная реакция; конечной же целью лаборатории было производство плутония при помощи цепной реакции. Поэтому интересно найти зависимость между мощностью, при которой котел работает, и количествами производимого им плутония. В первом приближении эту зависимость можно оценить довольно легко. Устойчиво работающий котел должен производить столько же нейтронов, сколько он их теряет. На каждый тепловой нейтрон, поглощенный ураном-235, испускается определенное число η нейтронов. Для поддержания цепной реакции необходим один из этих нейтронов. Отсюда предполагая, что все остальные нейтроны поглощаются ураном-238 для образования плутония, получим, что на каждое деление будет образовано η-1 атомов Pu−239.

— 111 —

Каждое деление приближенно освобождает 200 MeV энергии. Поэтому образование η-1 атомов плутония сопровождается освобождением около 200 MeV. Так как η-1 малое число, то видно, что для производства в котле одного килограмма плутония в день необходимо, чтобы котел освобождал от 500 000 до 1 500 000 kW энергии. Первый котел, который мы только что описывали, имел мощность 200 W. Считая, что одна бомба потребует от одного до 100 кг плутония, мы приходим к выводу, что описанный котел должен был бы непрерывно действовать по меньшей мере 70 000 лет для того, чтобы произвести одну бомбу. Очевидно, количественная проблема производства плутония еще не была решена.

ХИМИЯ ПЛУТОНИЯ

6.33. Второй специальной задачей Металлургической лаборатории было показать, что если цепная реакция получится, то можно будет отделить плутоний химическим путем от других веществ, вместе с которыми он находится. Успехи в достижении этой цели были меньше, чем в осуществлении цепной реакции. Сначала Металлургическая лаборатория мало занималась химическими вопросами, хотя задача выделения плутония обсуждалась на конференции вскоре после того, как был организован Металлургический проект и была стимулирована работа группы Сиборга по плутонию в Калифорнийском университете. 22-23 апреля 1942 г. состоялась общая конференция по химии в Чикаго, на которой присутствовали: Ф. Г. Спединг, Э. В. Тиле, Дж. Т. Сиборг, Дж. В. Кеннеди, Г. К. Юри, Э. Вигнер, Н. Хнлбери, Дж. Э. Бойд, И. Б. Джонс, Г. А. Вильгельм, И. Перльман, А. К. Валь и Дж. А. Уилер. Открывая собрание, Спединг подчеркнул, что перед химиками стоят две главные задачи: первая выделить плутоний в достаточных количествах и достаточной чистоты, необходимых для военных целей; вторая добиться хорошей разработки тех вопросов химии, которые необходимы для постройки и эксплоатации котла. Проблема выделения плутония должна была изучаться новой группой под руководством Сиборга в Чикаго, Джонсоном и Вильгельмом в Эймсе и Валем и Кеннеди, продолжающими работу в Калифорнии. Другими группами, близко примыкающими к указанным в Чикаго, были: группа К. Д. Корайла, работающая над вопросами химии продуктов деления, и группа

— 112 —

Бойда, занятая аналитическими проблемами. С того времени группа химии в Чикаго быстро разрослась. Для размещения ее в конце 1942 года пришлось построить специальное здание, которое впоследствии было расширено. В общем, разрешение многих химических вопросов было одним из наиболее замечательных достижений Металлургической лаборатории.

6.34. Первым открытым и изученным изотопом плутония был не изотоп 239. а изотоп 238, испускающий α-лучи и имеющий период полураспада около 50 лет. U-238, бомбардируемый дейтронами, дает 93Np238, который испытывает β-распад, превращаясь в 94Pu238 (см. рис. 1 на стр. 18). Первое доказательство действительного существования этих новых элементов (устраняющее первоначальную ошибочную интерпретацию расщепления урана, как доказательства их существования) было получено Э. Макмилленом и П. Г. Абельсоном, которые выделили 93Np238 из урана, бомбардируемого дейтронами циклотрона в Беркли. Этот новый элемент был отожествлен, как β-излучатель, но образец был слишком мал, чтобы можно было выделить дочерний продукт 94Pu238. Позднее было изготовлено достаточное количество Pu−238, что позволило Сиборгу, Кеннеди и Валю начать изучение его химических свойств зимою 1940—1941 г.г., применяя химию радиоактивных индикаторов с носителями, как это обычно практикуется в радиохимии. Такое изучение позволило определить многие химические свойства плутония, и было развито несколько возможных химических процессов, посредством которых Pu−239 может быть выделен из урана. Успехи этих экспериментов с радиоактивными индикаторами привели к решению производить достаточное количество Pu−239, чтобы обрабатывать его, как обычное вещество, в ультра-микрохимическом масштабе. Такие количества были получены продолжительной бомбардировкой нескольких сот фунтов уранил-нитрата нейтронами, полученными с помощью циклотронов, впервые в Беркли и позднее в Университете Вашингтона в Сен-Луи.

К концу 1942 года было получено немного более 500 мкг в виде чистых солей плутония. Хотя это количество меньше, чем необходимо для изготовления головки ударника, оно позволило микрохимикам получить значительные сведения, так как химики считают, что для проведения экспериментов по взвешиванию, титрованию,

— 113 —

изучению растворимости и т. д. достаточно одного микрограмма.

6.35. Исходя из положения плутония в периодической таблице, можно было ожидать его сходства с редкими землями или ураном, торием или осмием. С каким из них он более схож, зависит, конечно, от расположения внешних электронов, а это расположение вряд ли могло быть предсказано. В результате оказалось, что плутоний более похож на уран, чем на любой другой из названных элементов, и его даже можно рассматривать, как второй член нового ряда редких земель, начинающегося с урана. Довольно рано было открыто, что имеются, по крайней мере, две степени окисления плутония (теперь известно, что имеются четыре отвечающие положительным валентностям 3, 4, 5 и 6). Успешное изготовление некоторых солей плутония микрохимическим путем и изучение их свойств привели к общему заключению, что плутоний можно отделить химическим путем от других веществ в котле. Это заключение является решением второй неотложной задачи Металлургической лаборатории. Таким образом, к концу 1942 г. плутоний, совершенно неизвестный 18 месяцев ранее, считался элементом, химические свойства которого были так же хорошо изучены, как и свойства ряда давно известных элементов периодической системы.

РАЗЛИЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

6.36. Кроме основных проблем, которые мы отметили, т. е. цепной реакции, химического разделения и проектирования производственной установки, должно было быть разрешено бесчисленное множество второстепенных вопросов. Среди более важных из них были: улучшение счетчиков нейтронов, ионизационных камер и других приборов, изучение коррозии урана и алюминия под действием воды и других возможных охлаждающих веществ, определение влияния температуры на поперечные сечения для нейтронов, изготовление урановых стержней и трубок, изучение продуктов деления и определение биологических эффектов излучений, Как на типичный пример такого рода исследований, можно сослаться на разработку метода производства металлического урана и защитного покрытия для него, выполненную под руководством

— 115 —

Э. Кройтца. Без этих второстепенных исследований Проект не смог бы быть выполнен. Чтобы дать дальнейшее представление о размахе работ, в Приложении 5 приведены названия двадцати докладов, выбранных из 400 или около того, составленных в течение 1942 г.

РЕАКЦИЯ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

6.37. Третьей неотложной задачей Металлургического проекта являлось накопление теоретических и экспериментальных данных по реакции на «быстрых нейтронах», развивающейся в атомной бомбе. Эта работа была первоначально запроектирована и координирована Г. Брейтом (Висконсинский университет) и позже была продолжена И. Р. Оппенгеймером (Калифорнийский университет). Так как окончательная конструкция бомбы должна была быть заключительной частью Проекта, срочность изучения таких реакций была не так велика. Поэтому теоретическим вопросам уделялось мало внимания до лета 1942 г., когда в Чикаго была организована группа под руководством Оппенгеймера.

6.38. Тем временем, экспериментальные работы, начатые по инициативе Г. Брейта, успешно развивались под общим руководством Металлургического проекта в тех институтах, которые имели оборудование, пригодное для изучения быстрых нейтронов (Вашингтонский Институт Карнеги, Национальное Бюро Стандартов, Корнельский университет, Университет Пардью, Чикагский университет, Минезотский университет, Висконсинский университет, Калифорнийский университет, Университет Стэнфорда, Индианский университет и Институт Райса).

Темами исследовательских работ были: поперечные сечения рассеяния, поглощения и деления, спектр энергии нейтронов, освобождающихся при делении, запаздывание при испускании нейтронов при делении. Эти работы большей частью представляли промежуточную ступень, т. е. только проверяли и расширяли предшествующие измерения, и не давали новых окончательных выводов. Этот вид работ позднее был сосредоточен в другом месте (см. гл. XII).

6.39. Как было указано в одном из отчетов (Feasibility Report; раздел, написанный Дж. Г. Мэнни, И. Р. Оппенгеймером, Р. Сербером

— 115 —

и Э. Теллером), за год со времени выпуска отчета Национальной Академии картина существенно изменилась только в одном отношении. Теперь теоретические исследования показали, что эффективность атомной бомбы, в части ее разрушительной силы, будет больше, чем указано в отчете Национальной Академии. Однако, ее критические размеры оставались все еще неизвестными. Методы детонации бомбы были исследованы лишь в некоторой степени, но в целом, определенный ответ не был получен.

Часть II
НА ПУТИ К КОНЕЧНОЙ ЦЕЛИ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ УСТАНОВКИ

ПЛАНИРОВАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

6.40. Как мы уже видели, первоочередные задачи Металлургической лаборатории были решены к концу 1942 г., но конечные цели производство больших количеств плутония и проектирование и изготовление бомб были все еще далеко не достигнуты. Ответственность за проектирование и изготовление бомб к этому времени была возложена на другую группу; ее работа описана в главе XII. Получение достаточных количеств Pu−239 осталось основной задачей Металлургической лаборатории, хотя с конца 1942 г. часть работ проводилась фирмой Дюпон.

6.41. На основании имеющихся данных можно было считать, что необходимо производить плутоний в пределах от одного килограмма в месяц до одного килограмма в день. Для производительности в 1 килограмм в день нужна была бы установка мощностью от 500 000 до 1 500 000 kW. (Предполагается, что предельная мощность гидроэлектрической станции у плотины Гранд-Кули будет около 2 000 000 kW). Очевидно создание плутониевой установки требуемых размеров должно было бы представлять собой грандиозное предприятие, даже без попыток использования освобождаемой тепловой энергии. Тем не менее, к ноябрю 1942 г. большинство задач было хорошо определено, и были намечены попытки

— 116 —

решения вопроса. Хотя эти проблемы будут подробно рассмотрены в следующей главе, мы упомянем о них уже здесь.

6.42. Так как в любом котле, производящем заметные количества плутония, выделяется большое количество тепла, первой проблемой при проектировании является система охлаждения. Прежде чем проектировать эту систему, необходимо было найти максимальную температуру, при которой котел может безопасно работать, и факторы ядерные или конструктивные которые определяют эту температуру. Другой большой проблемой, осложнявшейся к тому же системой защиты и охлаждения, являлся способ загрузки и выгрузки урана. Защита от излучений должна была быть запроектирована как для самого котла, так и для установки по химическому методу разделения. Характер разделительной установки зависит от применяемого процесса разделения, который следовало выбрать. И, наконец, быстрота снабжения материалами и постройки должна являться основным фактором при проектировании как котла, так и химической установки.

ВОЗМОЖНЫЕ ТИПЫ УСТАНОВКИ

6.43. После рассмотрения таких важных для постройки завода факторов, как охлаждение, эффективность, безопасность и быстрота постройки, Feasibility Report перечисляет следующие возможные типы установки в порядке их желательности:

I. (а) Решетка из обычного металлического урана в графитовом замедлителе с гелиевым охлаждением;

(b) то же самое, с водяным охлаждением;

(c) то же самое, с охлаждением расплавленным висмутом.

II. Решетка из обычного металлического урана в тяжелой воде, являющейся замедлителем.

III. Уран, обогащенный изотопом 235, с применением графита, тяжелой воды или обычной воды в качестве замедлителя.

Типы II и III не представляли непосредственного практического интереса, так как ни обогащенный уран, ни тяжелая вода не могли быть получены в достаточных количествах. Однако, разработка обоих этих методов продолжалась на случай, если другие типы окажутся неосуществимыми. Тип I(с), требующий охлаждения жидким висмутом, казался многообещающим с точки зрения использования выделяющейся тепловой энергии, но чувствовалось,

— 117 —

что связанные с такой установкой технические проблемы не могут быть разрешены в течение долгого времени.

ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА В КЛИНТОНЕ

6.44. В течение этого периода во второй половине 1942 г., когда проектировались производственные установки, было признано желательным строительство установки промежуточных размеров. Такая установка была нужна по двум причинам: во-первых, в качестве опытной установки, во-вторых, для производства нескольких граммов плутония для экспериментальных целей, в чем ощущалась острая нужда. Запроектированный с воздушным охлаждением котел промежуточных размеров мощностью в 1000 kW, построенный в Клинтоне (Тенесси), мог служит для обеих целей, если бы было сохранено гелиевое охлаждение для основной установки. Хотя проекты основной установки были переделаны на водяное охлаждение, опытная установка оставалась с воздушным охлаждением в расчете, что вторая цель будет достигнута скорее. Таким образом она осталась опытной установкой только для химического разделения. Фактически основная установка была построена без помощи опытной установки в Клинтоне как если бы гидроэлектрические генераторы станции Гранд Кули были запроектированы только на основании опыта работы генератора совершенно другого типа и ничтожной мощности.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

6.45. Как указывал Хилбери в Feasibility Report от 26 ноября 1942 г., перспективы графитового котла с гелиевым охлаждением казались многообещающими в отношении немедленного выпуска продукции; котел, использующий тяжелую воду в качестве замедлителя и тяжелую или обычную воду для охлаждения, представлялся более подходящим для конечного применения в установке промышленного масштаба. Был сделан ряд специальных предложений по строительству таких установок и по дальнейшему изучению возникших вопросов. Эти предложения базировались на оценках времени и стоимости, которые были, в силу необходимости, лишь грубыми догадками. В результате дальнейших исследований фактическая программа строительства, описанная в последующих главах, совершенно отличалась от предлагавшейся.

— 118 —

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

6.46. Проблема накопления материалов, которая задерживала движение вперед, была по существу разрешена к концу 1942 г. В ноябре 1942 г. был построен небольшой урано-графитовый котел с саморазвивающейся реакцией, и 2 декабря 1942 г. он был впервые пущен в работу с мощностью в 1/2 W, а позже в 200 W. Он легко управлялся благодаря явлению запаздывания нейтронов.

С помощью циклотрона было получено и химически отделено от урана и продуктов деления 500 г плутония. Химия плутония была достаточно изучена, чтобы указать возможность его выделения в относительно больших масштабах. По теории бомб было сделано немного, но расчеты были проверены; были также расширены эксперименты с быстрыми нейтронами. Как бы то ни было, перспективы осуществления бомбы выглядели более благоприятно, чем год назад.

6.47. Для выяснения проблем, которые могли встретиться при конструировании и эксплоатации производственной установки большого масштаба, было сделано достаточно много экспериментов и проектов. Некоторые успехи были достигнуты в выборе типа установки, причем первый выбор в то время пал на котел из металлического урана и графита, охлаждаемый или гелием, или водой. Для строительства опытной и промышленной установок была разработана специальная программа. В этой программе приводились оценки времени и стоимости.