Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

11.27. Экспериментальный изотрон был построен и пущен в ход к концу января 1942 г. Предварительные эксперименты, проведенные в то время, показали, что изотопы лития могут быть разделены этим методом. Первое успешное частичное разделение изотопов урана было осуществлено весной 1942 г.

11.28. К сожалению, в течение лета и конца 1942 г. работа развивалась не так быстро, как это предполагалось вначале. Поэтому было решено приостановить эти работы в Принстоне и направить работников в лабораторию атомных бомб. Перед тем, как группа покинула Принстон, на небольшом экспериментальном изотроне она все же получила несколько образцов частично разделенного урана. Таким образом метод действовал, но возможности применения его в широком масштабе не были еще полностью исследованы.

11.29. В декабре 1941 г. при обсуждении всей проблемы разделения изотопов в Беркли было предложено использовать магнетрон в качестве масс-сепаратора. Тем временем Смит из Принстонского университета связался с Л. П. Смитом из Корнельского университета и обнаружил, что последний и его студенты провели с успехом значительную работу по разделению изотопов лития точно таким же методом. Об этом было сообщено Лоуренсу в Вашингтоне в декабре 1941 г. на заседании Комитета по урану. Лоуренс немедленно связался со Смитом. После этого (с февраля по июль 1941 г.) Смит работал над данным методом в Беркли. Дж. Слепян из исследовательской лаборатории Вестингауза в Ист-Питсбурге прибыл по приглашению Лоуренса в Беркли зимой 1941-42 гг. и стал работать над модификацией магнетрона, которую он назвал ионной центрифугой. Слепян оставался в Беркли большую часть времени до конца 1942 г., после чего вернулся в Ист-Питсбург, где продолжал ту же работу.

11.30. Попыток разделения урана с помощью магнетрона в действительности предпринято не было. Эксперименты с литием при малой силе ионного тока дали некоторое разделение, но с сильными ионными токами никаких определенных результатов получено не было. При применении ионной центрифуги были собраны образцы урана, показывающие заметное разделение, но результаты были неясны или противоречивы.

11.31. С исключением из программы изотрона и ионной центрифуги калютронный разделитель остался единственным вариантом электромагнитного метода, который интенсивно разрабатывался. Постройка первых установок завода была утверждена, и была выбрана их окончательная конструкция. Так как все работы по электромагнитному методу велись немного больше года, было очевидно, что имевшиеся проекты основывались скорее на проницательных догадках, чем на систематических исследованиях. Подобная ситуация могла бы возникнуть с котлом для цепных реакций, если бы можно было получить неограниченные количества урана и графита прежде, чем была разработана теория и достаточно хорошо определены ядерные постоянные. К счастью, характер обоих проектов был весьма различен, что делало ускоренную постройку электромагнитного завода менее рискованной, чем это было бы в случае котла. Дальнейшие исследования и разработка могли успешно продолжаться даже если бы первые установки завода были построены и уже работали.

11.32. В предыдущих главах говорилось, что в конце 1942 г. были приняты решения, охватывающие весь проект по урану. Действительно, именно в это время впервые была получена саморазвивающаяся цепная реакция, и были утверждены проекты строительства плутониевого завода в Хэнфорде, диффузионного завода в Клинтоне и завода по электромагнитному разделению в Клинтоне. Диффузионный завод был более гибким, чем плутониевый, так как мог быть разбит на секции и ступени, мог быть построен целиком или частями и мог производить различные количества U-235 с различной степенью обогащения. Завод электромагнитного разделения был еще более гибкий, так как каждая разделительная установка была практически независима от других установок. Процесс разделения состоял в загрузке установки, работе ее в течение некоторого времени, последующей остановке и извлечении продукции. Отдельные установки можно было располагать группами, сохранив независимость большей части органов управления для каждой из них.

Эта особенность сделала возможной постройку завода последовательными ступенями и позволила начать работу первой части до начала постройки второй. Можно было также изменять конструкцию последующих установок по мере развертывания строительства; в известных пределах можно было даже заменять устаревшие установки в ранних группах новыми, улучшенными экземплярами.

11.33. Первая серия электромагнитных установок в Клинтоне была начата постройкой в марте и была готова к работе в ноябре 1943 г. Группа в Беркли продолжала улучшать источники ионов, приемники и вспомогательное оборудование, все время имея целью дальнейшее увеличение ионного тока. В сообщениях из Беркли было описано не менее 71 источника различного типа и 115 различных типов приемников, причем все они были доведены до стадии проекта, а большая часть построена и испытана. Как только ценность того или иного видоизменения была доказана, прилагались все усилия, чтобы включить его в конструкцию новых установок.

11.34. Строительство такого типа требовало постоянного обмена информацией между работниками лабораторий, инженерно-техническим персоналом и строительной и эксплоатационной группами. К счастью, связь была превосходна. В Беркли постоянно находились представители фирм, а работники исследовательских групп в Беркли совершали частые и продолжительные поездки на завод в Клинтоне. Некоторые из исследовательских работников были включены в штаты фирмы Тенесси Истмен, эксплоатирующей завод в Клинтоне, а группа свыше 100 человек физиков и инженеров-исследователей, остававшаяся в штатах лаборатории Беркли, была прикомандирована к Клинтону. Сотрудники из Беркли, находившиеся в Клинтоне, были неоценимы в качестве инструкторов, особенно на ранних стадиях работы. Часть завода продолжала работать в качестве опытного предприятия для испытания усовершенствованного оборудования и для проверки видоизмененных производственных процессов, и эксплоатировалась совместно группой из Беркли и фирмой Тенесси Истмен. Кроме уже упомянутой английской группы под руководством Олифанта, была также английская группа химиков под руководством Дж. В. Бэкстера.

11.35. Соли урана, применявшиеся первоначально в качестве источника пара для дуговых ионных источников, не были исследованы в Беркли с достаточной полнотой. Однако, в дальнейшем над этими солями была проведена очень большая работа. Были произведены поиски новых соединений урана и выполнено несколько ценных работ по способам получения выбранных соединений.

11.36. Гораздо более важной химической проблемой было извлечение переработанных соединений урана из разделительных установок. Эта проблема извлечения имела две фазы. В установках первой ступени было существенно извлечь с максимальной эффективностью отделенный уран из приемников; извлечение рассеянного неразделенного урана из других частей установки было менее важно. Но в установках более высоких ступеней даже исходное вещество содержит U-235 высокой концентрации, и поэтому важно извлекать в конце каждого цикла работы весь материал, т. е. материал, остающийся в источнике ионов, осевший на ускоряющих электродах, на стенках магнитной камеры и на стенках приемников.

11.37. В течение почти года единственным действующим был завод электромагнитного разделения. Поэтому, потребность в увеличении его продукции была очень велика. Было установлено, что любой метод обогащения (хотя бы и небольшого) исходного материала значительно увеличит производительность завода. Если, например, электромагнитная установка может произвести в сутки один грамм U-235 40 %-ной чистоты из естественного урана, то при повышении концентрации U-235 в исходном материале вдвое против естественной (1, 4 % вместо 0, 7 %) та же установка сможет производить в сутки 2 грамма U-235 80 % чистоты.

11.38. Мы уже касались работы, проделанной П. Г. Абельсоном (Морская исследовательская лаборатория), по разделению изотопов урана термодиффузией в жидких соединениях урана. Весной 1943 г. Абельсон собрал опытную производственную установку, которая производила заметное разделение значительного количества вещества. Поэтому было выдвинуто предложение о постройке термодиффузионного завода. Такой завод был бы дешевле, чем любой другой, и мог быть построен более быстро. Его принципиальным недостатком является чрезвычайно большое потребление пара. Этот основной недостаток приводил к тому, что для полного разделения изотопов термодиффузионный завод являлся бы непрактичным.