Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

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.

10.15. Схема разделительной установки такова, что в любой ступени приблизительно половина поступающего вещества проходит через перегородку к следующей высшей ступени, в то время как другая половина возвращается обратно в предыдущую ступень. Продиффундировавшая половина имеет низкое давление и должна быть доведена до высокого давления перед подачей в следующую ступень. Даже непродиффундировавшая часть выходит при несколько более низком давлении, чем при входе, и не может быть подана обратно на низшую ступень без подкачивания. Таким образом, циркуляция всего количества газа в ступени (включая дважды количество, которое проходит через перегородку) должна быть осуществлена при помощи насосов.

10.16. Так как поток газа сквозь ступень значительно меняется с номером ступени в каскаде, количество и размеры насосов также сильно изменяются от ступени к ступени. Тип и производительность насоса, требуемого для данной ступени, зависит не только от веса подаваемого газа, но и от требуемого напора. Сделанные к этому времени расчеты принимали давление на входе в одну атмосферу и на выходе (т. е. со стороны низкого давления перегородки) в 0,1 атмосферы. Было подсчитано, что для установки требуются тысячи насосов мощностью в тысячи киловатт. Так как газ неизбежно нагревается при сжатии, то очевидно необходимо предусмотреть систему охлаждения. К началу 1942 г. было проведено значительное количество предварительной работы по насосам. Несмотря на сложность уплотнения валов, представлялось приемлемым применение центробежных насосов, но в дальнейших экспериментальных работах проектировалось применение совершенно герметичных насосов различных типов.

10.17. Было ясно, что система циркуляции в целом, заключающая в себе насосы, перегородки, трубопроводы и клапаны, должна быть уплотнена на вакуум. Смазочные вещества или уплотняющие среды, необходимые для насосов, не должны реагировать с рабочим газом, не должен реагировать с рабочим газом также ни один из применяемых в системе материалов. Взаимодействие с рабочим газом (коррозия) будет приводить не только к засорению перегородок и к различным механическим дефектам, но и к поглощению (т. е. фактической потере) частично обогащенного урана.

10.18. В идеальном каскаде производительность насосов должна меняться от ступени к ступени. Практически неэкономично предусматривать различный тип насосов для каждой ступени. Необходимо определить, какие отступления от идеального каскада можно допустить в интересах экономичности конструкции, удобства ремонта и т. д. (т. е. определить минимальное количество типов насосов); к подобным же компромиссам приходится прибегать и для других частей каскада.

10.19. При первом пуске установка должна проработать непрерывно некоторое время, пока не будет разделено достаточное количество вещества для того, чтобы установилось соответствующее распределение концентрации по ступеням. Только после того, как такая стабилизация достигнута, можно начать отбор необходимого продукта с последней (верхней) ступени. Как загрузка, так и требуемый пусковой период достаточно велики и являются, поэтому, важными проблемами.

10.20. Повидимому, можно предположить только три типа потерь на установке, именно: потери вследствие утечки, потери от коррозии (т. е. химического соединения и разложения) и потери в отвал. Предполагалось, что утечка может быть сделана очень малой и что после начального периода работы потери от коррозии будут малы. Процент материала, теряемого в отвале, будет зависеть от числа регенерационных ступеней.

10.21. Вопросы о том, в какой форме следует применять материал перегородки (в трубках или в листах, больших размеров или малых), как должно производиться смешивание, каким путем регулировать процесс и какие приборы для этого потребуются, еще требовали разрешения. Не было оснований считать их не разрешимыми, но несомненно было, что они потребуют как теоретического, так и экспериментального изучения.

10.22. К 1942 г. теория разделения изотопов посредством газовой диффузии была хорошо разработана, и стало ясным, что потребуется очень большая установка. Основными элементами оборудования этой установки являлись диффузионные перегородки и насосы. Перегородки и насосы, которые имелись в распоряжении в то время, по испытании оказались в общем не соответствующими требованиям; поэтому дальнейшая разработка насосов и перегородок была особенно необходима. Были и другие технические вопросы, требовавшие разрешения, а именно, коррозия, вакуумные уплотнения, приборы.

10.23. Как мы упоминали в начале этой главы, работа по диффузии была начата Дж. Р. Данингом и проводилась под наблюдением ОСРД в Колумбийском университете до 1 мая 1943 г., когда она была передана Манхэттенскому Округу. Летом 1943 г. трудности, встретившиеся в разрешении некоторых сторон Проекта, привели к значительному расширению, особенно химической группы, Г. К. Юри, в то время руководитель работы, назначил X.С. Тэйлора (Принстон) своим заместителем и включил Э. Мака-мл. (штат Огайо), Дж. М. Мерфи (Йейл) и П. Г. Эмета (Университет Дж. Гопкинса) в руководящую группу. Большая часть работы была перенесена из лабораторий Колумбийского университета в большое здание, расположенное поблизости. Принстонские химики, занятые изучением тяжелой воды, оказали некоторую помощь в разрешении вопросов, связанных с перегородками. В начале 1944 г. Л. М. Кэри (National Carbon Co.) стал вторым заместителем руководителя, чтобы помогать Юри по связи и административной работе.

10.24. Как было упомянуто, фирме M.W. Kellog Co. в начале 1942 г. было поручено проектировать промышленную установку. С этой целью фирма Келлог создала специальную дочернюю организацию, названную Kellex Corporation, с П. К. Лейтом в качестве исполняющего обязанности директора и технического руководителя, А. Л. Бекером в качестве руководителя проекта и Дж. Г. Арнольдом в качестве начальника исследовательского отделения. Новая вспомогательная организация проводила исследования и разработки в своих лабораториях в Джерси Сити, и в большом здании лаборатории, упомянутом в предыдущем параграфе; она разрабатывала технические схемы и схемы процесса, снабжала материалами производственную установку и наблюдала за ее постройкой. Установка была построена фирмой J.A. Jones Construction Co. в Северной Каролине.

10.24-а. Kellex Corporation, в отличие от обычных промышленных фирм, представляла собой коллектив ученых, инженеров и администраторов, собранных из всех отраслей промышленности вместе для специальной цели — продвижения только этого дела. Работа в этой организации проводилась на добровольных началах: выдающиеся лица из промышленности добровольно отказывались от выполнения своих обычных обязанностей для того, чтобы полностью посвятить все свое время работе в корпорации Келлекс. После выполнения возложенного на них дела эти люди возвращались на прежние посты в промышленности.

10.25. В январе 1943 г. фирме Carbide and Carbon Chemical Corporation была поручена эксплоатация законченной установки. Инженеры фирмы вскоре начали играть большую роль не только в планировании и постройке, но и в исследовательской работе.

10.26. Еще до 1942 г. были разработаны перегородки, которые казались удовлетворительными. Однако эти перегородки, предложенные Э. Т. Бутом, Г. К. Пэкстоном и К. Б. Слэйдом, никогда не применялись в производственных масштабах вследствие малой механической прочности и слабой устойчивости к коррозии. В 1942 г. под общим руководством Бута и Ф.Дж. Слэка совместно с различными учеными, в том числе Ф. К. Никсом (телефонные лаборатории Бэлла) были изготовлены перегородки различных типов. Одно время считались достаточно удовлетворительными для применения на производстве перегородки, построенные Э. О. Норрисом и Э. Адлером. Перегородки другого типа были разработаны на основе предложений нескольких работников Колумбийских лабораторий (ныне называемых лабораториями SAM), организации Келлекс, телефонных лабораторий Бэлла, фирм Bakelite Corporation, Houdaille-Hershey Corporation и др. Первые образцы перегородки типа, выбранного для общего применения на установке, были изготовлены К. А. Джонсоном (Келлекс), затем они были усовершенствованы под общим наблюдением X.С. Тэйлора. Вариант этой перегородки, предложенный лабораториями SAM, был заметно лучше других; теперь он применяется в большом количестве ступеней установки. В 1945 г. необходимо было уже не только удовлетворять минимальным требованиям, но добиваться улучшений, приводящих к большей производительности или большей экономичности эксплоатации.