Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

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.

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 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.

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 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.

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 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.

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

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.