Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

1 марта 1945 г. лаборатория была принята от Колумбийского университета фирмой Carbide and Carbon Chemical Corporation. В начале 1942 г. по предложению Э. В. Мерфри для разработки проектов установки производственного масштаба, оборудования для диффузионных заводов и, возможно, постройки завода была привлечена фирма M.W. Kellog Co. Чтобы довести до конца все предприятие, была образована новая, дочерняя компания, названная Kellex Corporation. В январе 1943 г. ответственность за работу завода была передана фирме Carbide and Carbon Chemical Corporation.

10.3. Как отмечалось в главе IV, в конце 1941 г. была доказана, в принципе, возможность разделения шестифтористого урана посредством одноступенчатой диффузионной установки с пористой перегородкой (например фильтром, изготовленным травлением тонкой фольги сплава цинк-серебро соляной кислотой). Большая работа была проведена по перегородкам и насосам, но ответ, вполне удовлетворительный для работы в производственном масштабе, найден не был. Наряду с этим, К. Когеном был начат ряд теоретических исследований, на которые мы уже ссылались, относительно того, какой путь использования процесса диффузии является наилучшим, т. е. сколько ступеней может потребоваться, какова общая потребная площадь перегородок, какой объем газа должен циркулировать и т. д. Теоретические исследования и разработка схемы процесса М. Бенедиктом намного увеличили наши сведения в этой области и послужили основой для проектирования большого завода.

10.4. Информация, полученная из Англии, и визит английской группы зимой 1941–1942 г. осветили ряд пунктов. В это время англичане сами проектировали диффузионную разделительную установку, так что дискуссия с Ф. Симоном, Р. Пайерлсом и другими была особенно ценной.

10.5. Как было указано в прошлой главе, скорость диффузии газа через идеальную пористую перегородку обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярного веса. Так, если газ, состоящий из двух изотопов, начинает диффундировать через перегородку в эвакуированный сосуд, то более легкий изотоп (с молекулярным весом M1) диффундирует быстрее, чем более тяжелый (с молекулярным весом M2). В результате (в течение, по крайней мере, короткого промежутка времени) относительная концентрация более легкого изотопа за перегородкой становится выше, чем до перегородки. Но, если позволить процессу неограниченно продолжаться, устанавливается равновесие, к концентрации по обеим сторонам перегородки выравниваются. Даже в случае, если газ, который прошел через перегородку, откачивается насосом, относительное количество тяжелого изотопа, проходящего через перегородку, будет возрастать, так как более легкий изотоп в исходном газе (до перегородки) израсходован в начале процесса диффузии.

10.6. Для отдельного цикла диффузии увеличение относительной концентрации легкого изотопа в диффундирующем газе, по сравнению с подводимым газом, может быть выражено через коэффициент разделения r, или через коэффициент обогащения r-1, которые были определены в параграфе 9.8 предыдущей главы. Можно вывести довольно простое уравнение для зависимости r-1 от молекулярного веса и продиффундировавшей доли исходного газа. Если эта доля очень мала, уравнение превращается в r=α («идеальный коэффициент разделения» параграфа 9.14). Если эта продиффундировавшая доля имеет заметную величину, уравнение дает ожидаемое уменьшение разделения. Например, если количество продиффундировавшего газа равно половине подаваемого, то r-1 = 0,69(α-1) или, для шестифтористого урана, r=1,003, вместо r=1,0043 для случая, когда продиффундировала очень небольшая часть исходного газа.

10.7. Для того, чтобы разделить изотопы урана, необходимо применять много последовательных ступеней диффузии (каскад), так как α=1,0043 для U235F6 и U238F6 (возможный газ для разделения урана). Исследования Когена и др. показали, что наилучшей гидравлической схемой для последовательных ступеней является такая, при которой половина газа, нагнетаемого в каждую ступень, диффундирует через перегородку, а другая (обедненная) половина направляется на вход предыдущей ступени. Для такого устройства, как мы видели, идеальный коэффициент разделения между входом и выходом одной ступени равен 0,69(α-1). Это число часто называют ε — «полным обогащением на ступень». Для шестифтористого урана теоретическое значение ε=0,003, но на практике оно несколько меньше в результате «обратной диффузии», неполного смешения на стороне высокого давления и несовершенства перегородки. Первые опыты по разделению шестифтористого урана (произведенные Е. Т. Бутом, Г. К. Пэкстоном и К. Б. Слэйдом) дали в результате значение ε=0,0014. Если желательно получить U235F6 99 %-ной чистоты и если используется каскад, в котором каждая ступень имеет нормальный коэффициент обогащения, то потребуется приблизительно 4000 ступеней.

10.8. Из газа, который прошел через перегородку любой данной ступени, только половина проходит через перегородку следующей, высшей ступени. Другая половина возвращается на предыдущую ступень. Таким образом, большая часть вещества циркулирует много раз, прежде чем, в конечном итоге, выйдет из каскада. Подсчет показывает, что для промышленной установки по разделению урана может оказаться необходимым пропустить через перегородки первой ступени объем газа в 10 000 раз больший объема газа, выходящего из последней ступени каскада (т. е. в виде окончательного продукта U235F6). Соответствующие значения для высших ступеней быстро падают вследствие уменьшения количества U238F6, который уносится в отвал.

10.9. Ко времени реорганизации Проекта атомной бомбы в декабре 1941 г. теория разделения изотопов посредством газовой диффузии была хорошо разработана. Поэтому можно было сформулировать технические проблемы, с которыми придется встретиться при постройке разделительной установки большого масштаба. Решение о размерах такой установки и о том, где ее строить, было вынесено только зимой 1942-43 г.г., т. е. примерно в то же самое время, когда были приняты решения о заводах для производства плутония.

10.10. Основной целью промышленной газовой диффузионной установки являлось производство урана, содержащего примерно в 10 раз больше U235, чем в естественном уране, в количестве порядка нескольких граммов в сутки. Однако, было несомненно, что установка должна была быть достаточно гибкой и позволять производить, если потребуется, значительные изменения как в степени обогащения, так и в выходе конечного продукта.

10.11. В качестве «рабочего газа», который может быть пригоден для использования в разделительной установке, был упомянут шестифтористый уран. Немаловажным его преимуществом является то, что фтор имеет только один изотоп, вследствие чего все молекулы UF6 данного изотопа урана имеют одинаковую массу. Это вещество высоко реактивно и при комнатной температуре и атмосферном давлении является твердым телом. Поэтому было срочно предпринято изучение других газообразных соединений урана. Для того, чтобы застраховать себя от неудач при этих поисках различных других, заменяющих UF6 газов, необходимо было продолжать работу по шестифтористому урану — разрабатывать методы производства и схемы циркуляции этого газа.

10.12. Число ступеней в главном каскаде установки зависит только от желаемой степени обогащения и величины полного обогащения на ступень, достижимого с реально осуществимыми перегородками. По некоторым оценкам, требовалось несколько тысяч ступеней. Предполагалась также постройка специального регенеративного каскада на несколько сот ступеней; количество ступеней в нем зависит от того, сколько неотделенного U235 может быть допущено из экономических соображений в отвал.

10.13. Мы видели, что полное количество газа, которое должно диффундировать через перегородку, очень велико по сравнению с количеством отбираемого конечного продукта. Скорость, с которой газ диффундирует через единицу площади перегородки, зависит от разности давлений по обе стороны перегородки и от ее пористости. Даже при допущении атмосферного давления по одну сторону и полного вакуума по другую и при наилучших достижимых значениях пористости, установка большого масштаба, как показывают расчеты, требует перегородок общей площадью во много акров.

10.14. При атмосферном давлении средний свободный пробег молекул имеет порядок десятитысячной доли миллиметра или десятой доли микрона. Чтобы обеспечить истинный «диффузионный» поток газа, диаметр бесчисленного множества отверстий в перегородке должен быть меньше одной десятой среднего свободного пробега. Следовательно, материал перегородки должен иметь миллионы отверстий диаметра меньшего или равного 0,01 микрона (4*10-7 дюйма) и почти не содержать отверстий с диаметром, превышающим эту величину. Отверстия не должны увеличиваться или закупориваться в результате прямой коррозии или пыли, возникающей при коррозии где-нибудь в системе. Перегородка должна быть способна противостоять «напору» в одну атмосферу. Перегородка должна легко изготовляться для того, чтобы можно было производить ее в больших количествах и однородной по качеству, К январю 1942 г. был сделан в небольших количествах и испытан на коэффициент разделения и пористость ряд различных типов перегородок. Некоторые казались очень обещающими, но ни одна перегородка не подвергалась таким испытаниям, которые могли бы установить ее пригодность для производства в больших масштабах и для промышленного использования.