ВВЕДЕНИЕ

8.1. Необходимость ускорения проектирования и постройки плутониевой установки промышленного масштаба одновременно с проведением исследовательской работы неизбежно приводила к некоторой путанице и застою. Пришлось исследовать много конкурирующих процессов и доискиваться возможных причин неудачи, даже когда вероятность их серьезного значения была очень мала. Теперь, когда завод в Хэнфорде успешно производит плутоний, пожалуй, можно сказать, что большой процент результатов исследований, произведенных между концом 1942 и концом 1944 г., никогда не будет использован, по крайней мере, для поставленных вначале целей. Тем не менее, если бы Хэнфордский завод попал в затруднительное положение, то какое-нибудь из исследований, излишних в настоящее время, могло бы дать как раз нужную информацию для того, чтобы превратить неудачу в успех. Даже теперь невозможно утверждать, что будущие усовершенствования не зависят от результатов исследований, кажущихся столь маловажными сегодня.

8.2. Можно думать, что потребовалось бы томов тридцать для полного отчета по существенным научным результатам исследований, проведенных в связи с Металлургическим проектом. Работа производилась по каждому пункту исследовательской программы, приведенной в предыдущей главе. В настоящем отчете, очевидно, было бы совершенно невозможно дать нечто большее, чем краткий обзор всех этих исследований. Мы думаем, что этого было бы недостаточно, и что лучше дать общее описание установок, в которых осуществлялась цепная реакция и выделялся плутоний, в том виде, как они действуют теперь, с некоторыми отступлениями для рассмотрения более ранних конструкций.

 

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ В КОТЛЕ

8.3. В главе I и других предыдущих главах мы дали краткое описание процесса деления, работы котла и химического отделения. Прежде, чем перейти к описанию самих установок для получения плутония, мы рассмотрим эти вопросы с несколько иной точки зрения.

8.4. Работа котла зависит от прохождения нейтронов сквозь вещество и характера столкновений нейтронов с встречающимися на их пути ядрами. Важнейшими типами столкновений являются следующие:

I. Столкновения, при которых нейтроны рассеиваются и теряют значительные количества энергии: (a) неупругие столкновения быстрых нейтронов с ядрами урана; (b) упругие столкновения быстрых нейтронов или нейтронов средних скоростей с легкими ядрами вещества замедлителя; в результате этих столкновений энергия нейтронов уменьшается до весьма малых (так называемых тепловых) значений. II. Столкновения, при которых нейтроны поглощаются: (а) столкновения, которые приводят к делению ядер и дают продукты деления и добавочные нейтроны; (b) столкновения, которые приводят к образованию новых ядер, испытывающих затем радиоактивный распад (например 92U239, превращающийся в 94Pu239).

8.5. Только столкновения второго типа требуют дальнейшего рассмотрения. Из столкновений типа II(а), происходящих в котле, наиболее важными являются столкновения нейтронов с U-235, но нужно также учитывать деление U-238 быстрыми нейтронами и деление тепловыми нейтронами Pu−239. Столкновения типа II(b) это, главным образом, столкновения между нейтронами и U-238. Они случаются с нейтронами любых энергий, но наиболее вероятны для нейтронов, энергии которых лежат в «резонансной» области, расположенной несколько выше тепловых энергий. Ход ядерных реакций при столкновениях типа II(b) может быть представлен следующим образом:

+ γ-лучи

(23 минуты)

+ γ-лучи (2,3 дня)

8.6. Все иные процессы поглощения, не сопровождаемые делением, важны, главным образом, из-за потерь нейтронов; они происходят в замедлителе, в U-235, в охлаждающей жидкости, в имеющихся вначале примесях, в продуктах деления и даже в самом плутонии.

8.7. Так как целью цепной реакции является производство плутония, казалось, было бы желательным, чтобы весь излишек нейтронов был поглощен в U-238, и осталось бы только такое количество нейтронов, которого как раз достаточно, чтобы вызывать деление и, таким образом, поддерживать цепную реакцию. В действительности же тенденция нейтронов к поглощению преобладающим изотопом U-238 настолько велика, сравнительно с тенденцией вызывать деление в 140 раз более редкого U-235, что для получения цепной реакции главные усилия при проектировании должны были быть направлены на создание благоприятных условий для деления (путем применения замедлителя, подходящей решетки, материалов высокой чистоты и пр.).

ИСТОРИЯ ОДНОГО ПОКОЛЕНИЯ НЕЙТРОНОВ

См. рис. 4 на стр. 44.

8.8. Все котлы, сконструированные Металлургической лабораторией или при ее содействии, содержали в себе четыре вида материалов: металлический уран, замедлитель, охлаждающее вещество и вспомогательные материалы трубки, защитные оболочки урана, стержни управления, примеси и пр. Начало реакции во всех котлах связано с блуждающими нейтронами, возникающими в результате спонтанного деления или под действием космических лучей.

8.9. Предположим, что котел может начать действовать при одновременном освобождении (в металлическом уране) № быстрых нейтронов. Большая часть этих частик первоначально обладает энергиями, превышающими порог деления U-238. Однако, в силу того, что нейтроны испытывают неупругие столкновения с ураном и упругие столкновения с замедлителем, их энергия падает с течением времени ниже указанного порога. В частности, в котле с графитовым замедлителем нейтрон, вылетевший из урана в графит (средняя длина пробега в графите 2,5 см), испытает в среднем около 200 упругих столкновений прежде, чем перейдет из графита обратно в уран. Так как при каждом таком столкновении нейтрон теряет, в среднем, около 1/6 своей энергии, то нейтрон с начальной энергией в 1 MeV уменьшит свею энергию до тепловой (обычно принимаемой в 0,025 eV) значительно раньше, чем пройдет через графит. Конечно, имеется много нейтронов, поведение которых отступает от этого среднего, и быстрые нейтроны смогут все же вызвать некоторое число делений, в результате которых число наличных нейтронов слегка повысится. Это увеличение можно учесть, умножив первоначальное число нейтронов № на множитель ε коэффициент размножения за счет быстрых нейтронов (the fast multiplication factor).

8.10. Так как средняя энергия имеющихся № нейтронов продолжает падать, то неупругие соударения с ураном теряют свое значение, и уменьшение энергии происходит, в основном, в замедлителе. При достижении промежуточных значений энергии интервала энергий «резонансного захвата» вероятность поглощения без деления в U-238 становится значительной. Некоторое число нейтронов в этом интервале энергии будет поглощено независимо от выбора конструкции решетки. Влияние резонансного захвата можно учесть, умножив Nε на число p (всегда меньшее единицы), выражающее вероятность того, что данный нейтрон с начальной энергией выше резонансной достигнет тепловой энергии без поглощения ураном 238. Таким образом, из первоначального числа № нейтронов с высокой энергией мы получили Nεp нейтронов с тепловой энергией.

8.11. Как только нейтрон достиг тепловой энергии, вероятность дальнейшего замедления в результате соударений оказывается не большей, чем вероятность увеличения скорости. Следовательно, нейтроны будут обладать той же средней энергией до тех пор, пока они не будут поглощены. В интервале тепловых энергий вероятность поглощения нейтронов замедлителем, охладителем или вспомогательными материалами будет больше, чем в интервале более высоких значений энергии. Во всяком случае подсчитано, что если допустить, что все подобные нежелательные поглощения имеют место именно в этом интервале, то ошибка будет невелика. Введем множитель f коэффициент использования тепловых нейтронов, определяющий вероятность того, что данный тепловой нейтрон будет поглощен ураном. Таким образом, из первоначального числа № быстрых нейтронов мы получаем число Nεpf тепловых нейтронов, поглощаемых ураном.

8.12. Хотя существует несколько способов, которыми нормальная смесь изотопов урана может поглощать нейтроны, но, как может вспомнить читатель, в одной из предыдущих глав мы ввели величину η, представляющую собой число освобождаемых при делении нейтронов, приходящихся на каждый поглощенный ураном тепловой нейтрон, независимо от того, какими из этих способов осуществляется процесс. Если мы умножим число тепловых нейтронов, поглощенных ураном, Nεpf на η, то получим число новых быстрых нейтронов, рожденных № первоначальными быстрыми нейтронами в течение их жизни. Если Nεpfη > N, то развитие ценной реакции возможно, так как число нейтронов в этом случае непрерывно возрастает. Очевидно, что εpfη = k∞, где k∞ коэффициент размножения (см. главу IV).

8.13. Отметим, что до сих пор мы совершенно не упоминали о нейтронах, вылетающих из котла. Это было сделано сознательно, так как определенное выше значение k∞ относится к бесконечной решетке. Исходя из известных значений k∞ и того факта, что котлы работают, можно притти к заключению, что процент вылетающих нейтронов не слишком велик. Как видно из главы II, вылет нейтронов теряет свое относительное значение по мере увеличения размеров котла. Если приходится вводить в котел большое количество вспомогательных материалов (например, труб охладительной системы), то котлу необходимо придавать несколько большие размеры, чтобы компенсировать увеличение поглощения.

8.14. Итак, работа котла возможна благодаря применению устройства из решетки с замедлителем, уменьшающего энергии быстрых нейтронов до тепловых, и благодаря тому. что тепловые нейтроны получают возможность поглощаться ураном, что вызывает деление, воспроизводящее нейтроны с высокой энергией. Воспроизведению нейтронов в некоторой степени содействует влияние быстрых нейтронов, ему препятствует резонансное поглощение в процессе замедления; поглощение в графите и в других материалах и вылет нейтронов.

ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИИ НА КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ

8.15. Даже при той большой мощности, которой обладали котлы в Хэнфорде, на каждый миллион граммов заложенного в систему урана расходовалось в сутки лишь несколько граммов U-238 и U-235. Тем не менее, влияние этих изменений было весьма важно. По мере истощения U-235 концентрация плутония увеличивалась. К счастью, сам плутоний испытывает деления под действием тепловых нейтронов и, таким образом, стремится компенсировать, поскольку дело касается поддержания цепной реакции, уменьшение U-235. Однако, при работе котла получаются и другие продукты деления. Они обычно состоят из неустойчивых и сравнительно мало известных ядер, и вначале было невозможно предсказать, сколь велики будут те нежелательные влияния, которые могут оказать продукты деления на коэффициент размножения. Такие вредные влияния называются отравляющими. Несмотря на большое количество предварительных исследований продуктов деления, непредвиденный отравляющий эффект такого рода едва не заставил приостановить работы в Хэнфорде, с чем мы встретимся позднее.

 

ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ И ПРОБЛЕМА РАЗДЕЛЕНИЯ

8.16. В хэнфордской установке процесс производства плутония разделяется на две главных части: собственно получение его в котле и выделение его из блоков урана, в которых он образуется. Переходим к рассмотрению второй части процессу выделения.

8.17. Блоки урана, кроме плутония, содержат также и другие элементы, образовавшиеся в результате деления U-235. Когда ядро U-235 делится, оно испускает один или более нейтронов и распадается на две сравнимых по величине части с общей массой 235 или немного меньше. Деление на равные в точности массы, повидимому, случается редко. Наиболее часто получаются осколки с массовыми числами между 134 и 144 и между 100 и 90. Таким образом, имеются две группы продуктов деления: тяжелая группа с массовыми числами в пределах, приблизительно, от 127 до 154 и легкая группа с массовыми числами от 115 до 83. Эти продукты деления являются, в основном, неустойчивыми изотопами приблизительно 30 известных элементов, расположенных в периодической таблице внутри указанного диапазона массовых чисел. Обычно они распадаются, последовательно испуская β-частицы и γ-лучи и превращаясь в известные нам устойчивые ядра. Периоды полураспада различных ядер, образующихся на промежуточных стадиях рассматриваемых превращений, лежат в пределах от долей секунды до одного года и более. Некоторые ядра обладают периодом полураспада порядка одного месяца. Около 20 элементов присутствуют в значительной концентрации. Наиболее распространенный из них составляет несколько меньше 10 % общего количества.

8.18. Кроме радиоактивных продуктов деления в котле присутствуют радиоактивные U-239 и Np−239 (промежуточные продукты распада при образовании плутония). Радиоактивные продукты начинают накопляться с начала действия котла. В конечном счете скорость радиоактивного распада выравнивается с скоростью образования веществ, так что концентрации становятся постоянными. Например, число атомов U-239, образованных за 1 секунду, постоянно для котла, работающего на фиксированном уровне мощности. Согласно законам радиоактивного распада, число атомов U-239, распадающихся за 1 секунду, пропорционально наличному их количеству и, следовательно, возрастает в течение первых нескольких минут или часов после того, как котел был пущен в ход. По истечении некоторого времени столько же ядер будет распадаться за каждую секунду, сколько их образуется за ту же секунду. Концентрации других ядер будут приближаться к равновесным значениям точно таким же образом, причем они будут пропорциональны скорости образования ядра и периоду его полураспада. Концентрация устойчивых продуктов распада или продуктов распада, обладающих исключительно большим периодом полураспада (как например, плутоний), непрерывно возрастает в течение значительного промежутка времени. Когда котел перестает работать, радиоактивность, разумеется, остается, но интенсивность ее непрерывно падает. Изотопы с весьма малым периодом полураспада могут выпасть из поля зрения уже в течение нескольких минут или часов; другие с большим периодом полураспада могут сохранять заметную активность в течение дней или месяцев. Таким образом, концентрации различных радиоактивных элементов в только что выключенном котле зависят от мощности, с которой работал котел, от длительности его работы и от давности прекращения его действия. Чем дольше работал котел, тем больше концентрация плутония, но, к сожалению, тем больше и концентрация продуктов деления с большой продолжительностью жизни. Чем дольше период «охлаждения», т. е. период между удалением материалов из котла и химической обработкой, тем меньше интенсивность излучения, продуктов деления. Приходится искать компромисса между двумя факторами: с одной стороны желательностью длительной работы котла и продолжительного времени охлаждения и с другой желательностью более ранней выдачи плутония.

8.19. Можно составить таблицы зависимости химических концентраций плутония и различных продуктов деления от мощности котла, длительности его работы и периода охлаждения. Период полураспада U-239 настолько мал, что его концентрация становится исчезающе малой уже вскоре после прекращения действия котла. Нептуний довольно скоро превращается в плутоний. Конечно, общий вес продуктов деления устойчивых и неустойчивых остается практически постоянным после выключения котла. В условиях работы в Клинтоне и Хэнфорде максимальная концентрация плутония получается столь малой, что это существенно увеличивает трудность химического разделения.

 

ВЫБОР ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

8.20. Задача заключается в химическом выделении плутония с дневной производительностью, скажем, в несколько граммов из нескольких тысяч граммов урана, загрязненного большими количествами опасно радиоактивных продуктов деления, содержащих 20 различных элементов. Эта задача особенно трудна, так как требования, предъявляемые к плутонию в отношении чистоты, очень высоки.

8.21. Были испытаны четыре способа химического разделения: испарение, адсорбция, извлечение растворителем и осаждение. Несмотря на то, что по способам адсорбции и извлечения растворителем была проделана весьма большая работа и эти способы могли найти себе применение как в главном процессе, так и при регенерации отходов, завод в Хэнфорде был рассчитан на процесс осаждения.

8.22. (Параграфы 8.22-8.26 цитируют, или перефразируют, общий отчет Металлургической лаборатории, составленный весной 1946 г.) В химии радиоактивных веществ является обычным использование явлений совместного осаждения, т. е. осаждения малых концентраций одного элемента вместе с «носителем» осадком какого-либо другого элемента. Это явление и было применено к отделению плутония. Ранние работы по химии плутония, ограниченные по необходимости ничтожными количествами этого вещества, в широкой мере использовали реакции осаждения, из которых могли делаться выводы о растворимости соединений плутония. Поэтому естественно, что способ осаждения был наиболее разработан в то время, когда начинали проектировать завод. Можно было предполагать, что если бы удалось предпринять исследование процессов разделения частично эмпирическим путем, то было бы меньше риска в развертывании работ по процессу осаждения, чем, например, по процессу, включающему в себя лишь реакции в области твердых фаз. Кроме того, процессы осаждения могут быть разбиты на ряд повторных операций (циклов); в результате этого уменьшается число различных деталей оборудования, которые необходимо запроектировать, и возможно значительное изменение процесса без изменения оборудования. Таким образом, если бы проект основного завода был рассчитан на один метод, то окончательный выбор другого метода не привел бы ни к каким затруднениям.

8.23. Большая часть процессов осаждения, подвергшихся серьезному обсуждению, была основана на использовании чередования (IV) и (VI) состояний окисления плутония. Такие процессы включают в себя осаждение плутония (IV) с некоторой смесью в качестве его носителя, затем растворение осадка, окисление плутония до состояния (VI) и вторичное осаждение несущего соединения, в то время как плутоний (VI) остается в растворе. Продукты деления, для которых эти соединения не являются носителями, остаются в растворе, в то время как плутоний (IV) выпадает из него. Продукты деления, выносимые носителями, удаляются в то время, когда плутоний находится в состоянии (VI). Последовательные циклы окисления и восстановления применяются до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень очистки. (Процесс удаления продуктов деления назван «очисткой», и степень чистоты измеряется изменением радиоактивности материала).

КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

8.24. Различные типы процесса можно сочетать или комбинировать друг с другом. При этом можно получить некоторые преимущества, так как один тип процесса может быть дополнением к другому. Например, процесс, который дает хорошую очистку, может с успехом комбинироваться с таким процессом, который, будучи неэффективным в отношении очистки, весьма эффективен в отношении отделения от урана.

8.25. К тому времени, как возникла необходимость в выборе основного процесса для проектировавшейся установки в Хэнфорде (июль 1943 г.), этот выбор по вышеуказанным мотивам был ограничен процессами осаждения и явно колебался между двумя вариантами. Однако, окончательно выбранный процесс в действительности представлял собой комбинацию обоих.

8.26. Успех процесса разделения в Хэнфорде превзошел все ожидания. Хорошая очистка и высокий выход, а также относительная легкость ведения процесса, в полной мере демонстрируют всю проницательность, проявленную при выборе его. Выбор базировался на знании химии плутония, приобретенном химиками, имевшими в своем распоряжении меньше одного миллиграмма плутония. Основная цель иметь пригодный на практике и эффективный процесс к моменту, когда хэнфордские котлы начнут вырабатывать плутоний, была достигнута, хотя дальнейшие усовершенствования могут сделать процесс устарелым.

 

ЛАБОРАТОРИЯ В АРГОННЕ

8.27. Аргоннская лаборатория была построена в начале 1943 г. в окрестностях Чикаго. Участок земли, первоначально предназначенный для опытного завода, позднее стал рассматриваться как слишком близкий к городу и был использован для реконструкции так называемого Вест-Стэндского котла, первоначально построенного на земельном участке Чикагского университета и бывшего заведомо безопасным. Под руководством Э. Ферми и его коллег Г. Л. Андерсона, В. Г. Цинна, Дж. Вейля и других этот котел служил прототипом аггрегата для изучения термической устойчивости, управления, приборов, экранирования, а также являлся источником получения нейтронов для испытания материалов и исследований в области нейтронной физики. Кроме того, он зарекомендовал себя в качестве тренировочной школы для обслуживающего персонала. Сравнительно недавно здесь же был построен и котел с тяжелой водой (см. ниже).

8.28. Первый котел в Аргонне (урано-графитовый) не нуждается в детальном описании. Материалы для него и строение решетки почти те же, как и в первоначальном Вест-Стэндском котле. Котел имеет форму куба, окружен экраном, а приборы управления и предохранительные устройства похожи на применявшиеся позднее в Клинтоне. Охлаждения котел не имеет и, как правило, работает на мощности всего лишь в несколько киловатт. Иногда, впрочем, он работал на большой мощности, но в течение весьма малых промежутков времени. Принимая во внимание, что этот котел является результатом перестройки первого, вообще когда-либо осуществленного, котла, можно только удивляться, что он непрерывно проработал больше двух лет без сколько-нибудь значительных неполадок.

8.29. Одним из наиболее ценных применений котла в Аргонне было измерение поперечных сечений поглощения нейтронов в большом числе различных элементов, которые могли найти применение при строительстве котла, или могли присутствовать в материалах котла, как примеси. Определения производились путем наблюдения тех изменений в положении управляющих стержней, которые необходимы для того, чтобы получить kэфф=1,00, когда изучаемые вещества помещены в определенных точках котла. Полученные результаты обычно выражались через «коэффициент опасности» изучаемого элемента.

8.30. Отверстие в верхней части котла дает весьма однородный пучок тепловых нейтронов, который можно использовать для экспериментов с экспоненциальным котлом, прямых измерений поперечных сечений поглощения, исследований с помощью камеры Вильсона и т. д.

8.31. Интересное явление представляет собой образование потока «холодных» нейтронов. Если между верхней поверхностью котла и точкой наблюдения, находящейся в нескольких ярдах выше этой поверхности, расположить достаточное количество графита, то, как обнаружилось, распределение по энергиям нейтронов соответствует температуре гораздо более низкой, чем температура графита. Следует предположить, что кристаллический графит лучше пропускает наиболее медленные («холодные») нейтроны, квантово-механическая длина волны которых велика по сравнению с расстоянием между соседними плоскостями кристаллической решетки графита.

8.32. Сравнительно недавно в Аргоннской лаборатории был построен котел, где в качестве замедлителя применялась тяжелая вода. Пучок нейтронов очень высокой интенсивности, создаваемый этим котлом, оказался весьма подходящим для изучения «нейтронной оптики», например, для изучения отражения и преломления нейтронных пучков графитом.

8.33. Постоянной целью Аргоннской лаборатории было углубление понимания ядерных процессов в уране, нептунии и плутонии. Производились также повторные уточнения значений поперечных сечений U-238, U-235 и Pu−239 для деления под действием тепловых нейтронов, вероятности поглощения нейтронов без деления каждым из этих ядер и числа нейтронов, испускаемых на деление.

 

УСТАНОВКА В КЛИНТОНЕ

8.34. В главе VI мы упоминали о проекте «опытной» установки для производства плутония, которая должна была быть построена в Клинтоне (штат Тенесси). К январю 1943 г. проектирование этой установки сильно продвинулось вперед, и вскоре после этого началось строительство. Директором клинтонских лабораторий был назначен М. Д. Уитекер. Проект опытной установки был выработан совместно фирмой Дюпон и Металлургической лабораторией. Постройка была выполнена фирмой Дюпон. Установка эксплоатировалась Чикагским университетом, как часть Металлургического проекта.

8.35. Клинтонская установка должна была главным образом производить некоторое количество плутония и служить в качестве опытной установки по химическому разделению. Исследовательские работы в Клинтоне относились, главным образом, к химии и к биологическому действию излучений. Была предусмотрена большая лаборатория для химических анализов, для изыскания способов очистки, изучения продуктов деления, для разработки в полузаводских масштабах процессов выделения и очистки и т. д. Позднее была построена «горячая лаборатория», т. е. лаборатория высоко-радиоактивных веществ с управлением на расстоянии. Имелись также инструментальная мастерская и лаборатория, использовавшиеся весьма активно. Кроме того, были созданы условия для клинической и экспериментальной работы секции охраны здоровья. оказавшейся весьма деятельной. Имелась еще небольшая физическая лаборатория, где производились некоторые важные работы с применением нейтронов большей интенсивности, чем те, которые были в распоряжении Аргоннской лаборатории. Главными сооружениями, построенными на участке Клинтонской лаборатории, были котел и установка для химического разделения, вкратце описанные ниже.

КЛИНТОНСКИЙ КОТЕЛ

8.36. Для любого непрерывно действующего котла эффективный коэффициент размножения k должен равняться единице при любой мощности котла. Наилучшее значение k∞, наблюдавшееся в урано-графитовой решетке, не может быть достигнуто в котле на практике, вследствие ухода нейтронов через поверхность, влияния системы охлаждения, цилиндрических каналов для урана и защитного покрытия урана и других второстепенных факторов. Исходя из воздушного охлаждения и максимальной допустимой температуры поверхности урана, размеры котла необходимо было выбрать так, чтобы он мог давать 1000 kW. Эффективное значение k должно падать с повышением температуры, однако, не настолько, чтобы влияние температуры было определяющим фактором. Хотя идеальной геометрической формой для котла был бы шар, но из практических соображений рекомендуется форма прямоугольного блока.

8.37. Клинтонский котел представляет собой графитовый куб, имеющий внутри горизонтальные каналы, заполненные ураном. Уран имеет форму металлических цилиндров, защищенных газонепроницаемыми алюминиевыми оболочками. Урановые цилиндрические стержни (или блоки) могут вдвигаться в каналы, причем в каналах оставлены зазоры для потока охлаждающего воздуха и для выталкивания урановых стержней через заднюю стену котла, когда они готовы к переработке. Помимо этих каналов в котле имеются еще другие сквозные отверстия для стержней управления, измерительных приборов и пр.

8.38. Клинтонский котел был значительно больше, чем первый котел в Чикаго (см. главу VI). Но более существенны, чем его увеличенные размеры, были система охлаждения, более массивные экранирующие щиты и приспособления для смены урановых стержней. Производительность клинтонской установки соответствовала мощности котла в 1000 kW.

8.39. Инструментальная часть и приборы управления в основных чертах тождественны с соответствующим оборудованием первого котла. Интенсивность нейтронов в котле измеряется ионизационной камерой с BF3 и регулируется с помощью стержней из бористой стали, которые могут вдвигаться и выдвигаться из котла, благодаря чему изменяется та доля общего числа нейтронов, которая вызывает деление.

8.40. Несмотря на внушительное оснащение множеством инструментов и предохранительных приспособлений, наиболее поразительная черта этого котла простота в обращении с ним. Большую часть времени обслуживающему персоналу нечего делать, кроме записи показаний различных измерительных приборов.

РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

8.41. Здесь, как и в Хэнфорде, для процессов, связанных с плутонием, применяется управление на расстоянии, позади толстых экранирующих щитов. Оборудование для операций разделения заключено в ряд смежных камер, окруженных массивными бетонными стенами. Эти камеры образуют непрерывную структуру (каньон), длиной около 100 футов, на две трети зарытую в землю. К каньону примыкают помещения для управления, лаборатории для анализа, а также лаборатория для дальнейшей очистки плутония, после того как он освобожден от примесей до состояния относительной безопасности.

8.42. Урановые стержни, применявшиеся в работе котла, переносятся под водой к первой из камер и затем растворяются. Дальнейшие операции производятся путем перекачивания растворов или шлама из одной камеры или центрифуги в другие.

КАЧЕСТВО РАБОТЫ КЛИНТОНСКОГО КОТЛА

8.43. Клинтонский котел начал работать 4 ноября 1943 г. и в течение нескольких дней его мощность достигла 500 kW при максимальной температуре поверхностей урановых стержней в 110 °C. Улучшение циркуляции воздуха и повышение максимальной температуры поверхности урана до 150 °C подняли мощность, приблизительно, до 800 kW; на этом уровне она и держалась до весны 1944 года. После этого было изменено расположение урана с таким расчетом, чтобы выравнять распределение мощности в котле путем уменьшения количества металла вблизи центра котла, по сравнению с более далекими от центра частями; это позволяет увеличить среднюю мощность котла без местных чрезмерных повышений температуры. В то же время была повышена герметичность оболочек урановых стержней, что позволило котлу работать при более высокой температуре. В результате, в мае 1944 г. была достигнута мощность в 1800 kW, увеличенная в дальнейшем еще более после установки в июне лучших вентиляторов.

8.44. Таким образом, качество работы котла в июне 1944 г. значительно превысило все ожидания. В отношении легкости управления, устойчивости работы и отсутствии опасных излучений котел оказался в высшей степени удовлетворительным. Было лишь немного неполадок, которые можно отнести за счет ошибок в конструкции или в постройке.

8.45. Сам по себе котел был прост как по принципу действия, так и на практике. Не так обстояло дело с установкой по выделению плутония. Переход от первого котла с цепной реакцией к клинтонскому котлу можно было с достаточным основанием предсказать заранее. Гораздо более значительный переход по величине и по неопределенности необходимо было сделать для процесса разделения, так как клинтонская разделительная установка проектировалась на базе экспериментов, при которых применялись количества плутония, измерявшиеся микрограммами.

8.46. Тем не менее, процесс разделения был осуществлен! Первая партия урановых стержней из котла поступила на разделительную установку 20 декабря 1943 г. К концу января 1944 г. уран из котла поступал на разделительную установку в количестве 1/3 тонны в сутки. К 1 февраля 1944 г. было выдано 190 мг плутония, а к 1 марта того же года было выдано уже несколько граммов. Эффективность регенерации отходов с самого начала была равна приблизительно 50 %, а в июне 1944 г. она уже составляла от 80 до 90 %.

8.47. В течение всего этого периода в Клинтоне большая группа химиков работала над улучшением процесса и проектировала процесс для Хэнфорда. Хэнфордская проблема отличалась от клинтонской тем, что там ожидались гораздо большие концентрации плутония. Кроме того, хотя химиков и можно было поздравить с успехом на клинтонской установке, но процесс был сложным и дорогим. Приходилось весьма и весьма добиваться улучшений в выходе или очистке или общего упрощения процесса разделения.

8.48. Помимо испытания котла и установки для выделения плутония, а также добычи нескольких граммов плутония для экспериментов в Чикаго, Клинтоне и в других местах, Клинтонские лаборатории оказались неоценимыми, как учебный и испытательный центр для Хэнфорда, для медицинских экспериментов, для изучения котла и процессов очистки, для изучения физики и химии плутония и продуктов деления.

8.49. В качестве типичных проблем, которые разрешались здесь и в Чикаго, можно указать следующие (перечисленные в одном из обычных отчетов, относящемся к маю 1944 г.):

Проблемы, завершенные в течение мая 1944 г. Поиски нового окислителя, влияние излучения на воду и водные растворы, растворимость перекиси плутония, соединения плутония, пригодные для транспортировки, распределение продуктов деления в растворах при заводском процессе, предварительный проект процесса выделения при помощи адсорбции, разработка метода адсорбции в полузаводских условиях, завершение проекта адсорбционного метода.

Новые проблемы, намеченные в мае 1944 г. Новый метод анализа плутония, влияние радиоактивного излучения на графит, улучшение выхода, исследования нового котла, регенерация урановых отходов, обрызгивание отходящих газов, удаление отходов активных растворов, оросительное охлаждение котла X, программа обучения количественным анализам, стандартизация методов количественного анализа, разработка методов количественного анализа, экранированная аппаратура для контрольных анализов процесса, эксперименты с камерой Вильсона, α-частицы, испускаемые ураном-235, радиальное распределение плутония, диффракция нейтронов.

 

ХЭНФОРДСКИИ ЗАВОД

8.50. Рассказ о постройке «Хэнфордского механического завода» (Hanford Engineer Works) выходит за рамки данного отчета, но будем надеяться, что полная история этого замечательного предприятия и его компаньона «Клинтонского механического завода» (Clinton Engineer Works) будет когда-либо опубликована. Местность в Хэнфорде была обследована уполномоченными генерала Гроувза и фирмы Дюпон в конце 1942 года, причем использование этого земельного участка было одобрено ген. Гроувзом после того, как он проинспектировал его лично. Участок находился на западном берегу реки Колумбия, в центре штата Вашингтон, к северу от Паско. В первые же месяцы 1943 года правительством была приобретена (на условиях аренды или покупки) полоса земли в этом районе площадью 200 кв. миль; сделка состоялась при посредстве Отдела недвижимостей Управления главного инженера. В конечном счете под правительственный контроль отошло около тысячи квадратных миль земли. В период приобретения земли там было лишь несколько ферм и две маленькие деревушки, Хэнфорд и Ричлэнд, окруженные покрытыми кустарником равнинами и бесплодными холмами.

6 апреля 1943 г. был выделен участок для строительного поселка в Хэнфорде. В 1944 году, в разгар работ, этот поселок разросся уже в город с населением в 60 000 жителей четвертый по населенности город во всем штате. В настоящее время, впрочем, этот поселок почти безлюден, так как армия рабочих размещена в Ричлэнде.

8.51. Работы по постройке первого хэнфордского производственного котла начались 7 июня 1943 г., а действовать он начал в сентябре 1944 г. Первоначально предполагалось строить на участке пять котлов, но строить начали лишь три из них. Кроме котлов, там имеются, конечно, установки для отделения плутония, насосные станции и водоочистительные устройства. Имеется также один котел низкой мощности для испытания материалов. Ради безопасности не только самые котлы отделены друг от друга большими пространствами (в несколько миль), но и разделительные установки расположены вдали от котлов и друг от друга. Летом 1945 года все три котла были уже в действии.

ЗАЩИТА УРАНОВЫХ СТЕРЖНЕЙ И КОРРОЗИЯ

8.52. Никто из живших в Хэнфорде в период проектирования и постройки завода не забудет проблемы защиты, т. е. проблемы герметической изоляции урановых стержней, заключаемых в защитные металлические оболочки. Во время периодических поездок в Чикаго пишущий эти строки мог всегда сразу бегло оценить состояние вопроса защиты урановых стержней по атмосфере уныния или радости, царившей во всей лаборатории. Это было поистине непростое дело найти оболочку, которая защищала бы уран от коррозии под действием воды, не допускала бы проникновения в воду продуктов деления, передавала бы тепло от урана воде и не поглощала бы слишком много нейтронов. Тем не менее, порча лишь одной защитной оболочки могла привести к необходимости остановить весь котел.

8.53. Попытки удовлетворить поставленным строгим условиям вылились в экспериментальную работу над гальванопластическими процессами, над процессами покрытия путем погружения в горячий электролит, над процессами покрытия путем цементации, над антикоррозийными сплавами урана и над процессами механического покрытия защитными оболочками. Оболочки из тонкого алюминия были допустимы с точки зрения ядерной физики и уже на ранней стадии были признаны наилучшим решением вопроса. Но оказалось очень трудным получить однородный тепловой контакт между ураном и окружающим его алюминием и осуществить газонепроницаемость оболочки. Разработку различных методов пришлось проводить до последней минуты, и даже за несколько недель до срока загрузки котла урановыми стержнями не было никакой уверенности в том, что хоть один из разрабатываемых методов окажется удовлетворительным. Последнее небольшое, но очень важное, видоизменение выбранного способа защиты было применено в октябре 1944 г., уже после того, как первый котел начал пробную работу. Летом 1945 г. не было зарегистрировано ни одной неполадки в работе защитной оболочки.

СОСТОЯНИЕ ХЭНФОРДСКИХ УСТАНОВОК В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ

8.54. В течение осени 1944 года и в первые месяцы 1945 года были закончены и пущены в эксплоатацию второй и третий котлы в Хэнфорде, равно как и добавочные установки по химическому разделению. Разумеется, были затруднения и здесь, однако, все страхи по поводу возможности порчи защитных оболочек, образования налетов на водопроводных трубах или влияния излучений на химические процессы оказались напрасными. Уже к началу лета 1945 года котлы работали на проектной мощности, производили плутоний и нагревали воду реки Колумбии (Фактически повышение температуры столь незначительно, что нельзя ожидать никакого влияния этого повышения на рыбу. Для полной уверенности был проведен ряд экспериментов, которые оправдали ожидания.)). Химические установки отделяли плутоний от урана и от продуктов деления даже с большей эффективностью, чем это предполагалось. Продукция выдавалась в окончательном виде. Каковы были возможности использования продукции об этом рассказано в главе XII.

 

РАБОТА С ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ

8.55. В предыдущих главах уже упоминалось о преимуществах тяжелой воды в качестве замедлителя. Тяжелая вода лучше, чем графит, замедляет нейтроны и меньше, чем графит, их поглощает. Поэтому возможно построить аггрегат цепной реакции с тяжелой водой и ураном и таким образом достигнуть намного большего значения коэффициента размножения k и меньших размеров котла, чем это возможно с графитом. Но для этого нужно иметь тяжелую воду.

8.56. Весной 1943 г. в Металлургической лаборатории было решено усилить экспериментальную и вычислительную работу, посвященную котлу с тяжелой водой. Для этой цели была образована комиссия под председательством Э. Вигнера; группа под руководством Г. К. Вернона переехала из Колумбии в Чикаго. Общее руководство было предложено Г. Д. Смиту, только что ставшему заместителем директора Лаборатории.

8.57. Первой задачей группы было рассмотреть, как лучше всего использовать тяжелую воду, чтобы обеспечить полный успех Металлургического проекта, принимая во внимание уже утвержденную ограниченную программу производства тяжелой воды.

8.58. Выяснилось, что производство воды по этой программе столь низко, что потребовалось бы два года для выработки тяжелой воды в количестве, достаточном для котла таких размеров, которые обеспечили бы производство нужных количеств плутония. С другой стороны, тяжелой воды могло оказаться достаточно для осуществления малого, лабораторного котла, который позволил бы получить весьма ценные данные. Во всяком случае, летом 1943 г. царила столь большая неопределенность в отношении длительности войны и успеха в других частях Проекта ДСМ, что полное изучение возможностей котлов с тяжелой водой казалось желательным следовало или увеличить производственную программу или построить сравнительно небольшой котел для экспериментальных целей. В течение лета 1943 г. шло интенсивное изучение вопроса, но в ноябре было решено программу урезать, а постройку ограничить котлом на 250 kW, который должен был быть расположен в Аргонне.

АРГОННСКИИ КОТЕЛ С ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ

8.59. Быть может самой поразительной чертой котла с ураном и тяжелой водой являются малые его размеры. Даже вместе с окружающим бетонным экраном он мал сравнительно с урано-графитовыми котлами.

8.60. К 15 мая 1944 г. аргоннский котел с ураном и тяжелой водой был готов к испытаниям. Когда урановые стержни были уже на месте, обнаружилось, что цепная реакция в котле стала развиваться уже при 3/5 номинального количества тяжелой воды. Способность к реакции у котла настолько превзошла все ожидания, что, если бы был добавлен весь остаток тяжелой воды, то котел вышел бы из под контроля системы управления. Чтобы справиться с этой неожиданной и приятной ситуацией, часть урановых стержней была удалена и были добавлены новые управляющие стержни.

8.61. После таких изменений оказалось возможным наполнить резервуар до запланированного уровня. 4 июля 1944 г. В. Г. Цинн сообщил, что котел работал удовлетворительно при 190 kW, а 8 августа того же года он известил о работе при 300 kW.

8.62. В целом, характеристики этого котла мало отличаются от характеристик графитовых котлов соответствующих размеров. Для достижения состояния равновесия котлу необходимо несколько часов. Он обнаруживает малые (меньше 1 %), но внезапные флуктуации мощности, вызванные, вероятно, пузырьками в воде. Его нельзя сразу полностью или быстро выключить, как графитовый котел, вследствие того, что запаздывающие γ-лучи освобождают из тяжелой воды добавочные нейтроны. Как и было предсказано, плотность нейтронов в центре котла велика. Экраны, щиты, управление, система охлаждения и пр. работали удовлетворительно.

 

СЕКЦИЯ ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ

8.63. Главная цель группы охраны здоровья состояла в обеспечении того, чтобы ни один из работников не пострадал серьезно от специфических опасностей предприятия. В историях болезни лиц, серьезно или смертельно пострадавших от излучения, положительно не было нужды. Успех секции охраны здоровья в разрешении этих задач был поразителен. Даже среди исследовательской группы, где осуществление профилактических мероприятий наиболее трудно, случаи хотя бы временных тяжелых поражений были чрезвычайно редки. Мероприятия по охране труда, применявшиеся во время сооружения и эксплоатации, столь значительны, что число несчастных случаев с персоналом в домашней обстановке и при автомобильных катастрофах было гораздо больше, чем при работе на производстве.

8.64. Чтобы достигнуть своих целей, группа охраны здоровья работала в трех главных направлениях:

(1) Обследование состояния здоровья перед наймом на работу и частые повторные осмотры, особенно тех лиц, которые могли подвергаться действию излучений.

(2) Установление безвредных для организма доз излучения и разработка приборов для измерения интенсивности и длительности действия излучений на персонал; советы по ограждению от излучений и пр.; непрерывное измерение интенсивности радиации в различных местах установки; измерение заражения излучениями одежды, лабораторных столов, отработанной воды, воздуха и пр.

(3) Проведение исследований по влиянию на людей и животных различных типов излучения и по влиянию заглатывания и вдыхания различных радиоактивных или токсических материалов, как например, продуктов деления, урана и плутония.

РЕГУЛЯРНЫЕ ОСМОТРЫ

8.65. В качестве главного критерия того, подвергалось ли данное лицо избыточному облучению, применялся подсчет белых кровяных шариков. Наблюдался целый ряд случаев ненормально низкого их числа, и это ставилось в связь со степенью избыточности экспозиции. Лица, особенно, пострадавшие от влияния излучений, переводились на другую работу или получали кратковременный отпуск; постоянные болезненные явления не были обнаружены ни у кого.

8.66. В то же время обнаружилось, что подсчет белых кровяных шариков не является вполне надежным критерием. Опыты над животными показали, что серьезный ущерб здоровью может быть нанесен еще до того, как подсчет белых кровяных шариков укажет на опасность. Поэтому были поставлены более детально разработанные опыты по анализу крови над специально подобранными индивидуумами и животными в надежде найти средство для более раннего прогноза грозящей опасности для здоровья.

АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

8.67. На секции охраны здоровья лежала главная ответственность за конструирование карманных приборов для определения экспозиции персонала при облучении. Первым из таких приборов был простой электроскоп, размерами и формой напоминавший вечное перо. Такие приборы электростатически заряжались каждое утро, а их показания проверялись в конце дня. Степень их разрядки указывала на общую величину ионизующего излучения, действию которого они подвергались. К сожалению, ни один из них не оказался достаточно надежным, хотя ошибка при отсчете показаний почти всегда была в нужную сторону, а именно, в сторону преувеличения экспозиции. В первоначальный период была установлена практика выдавать по два карманных прибора каждому, кто вступал в опасную зону. Показания записывались в момент выдачи прибора и при его возвращении. Самые приборы непрерывно, хотя и медленно, совершенствовались. Позднее секция охраны здоровья ввела в употребление «жетоны» из пленки маленькие кусочки пленки, которые периодически проявлялись и исследовались на почернение от радиации. Эти приборы для отдельных лиц были дополнительной и, вероятно, излишней предосторожностью. Постоянных экранированных укрытий одной лишь капитальной защиты было вполне достаточно. Ее действие подвергалось частой проверке при помощи стационарных или переносных приборов.

8.68. В части конструирования и применения различных приборов секция охраны здоровья работала в сотрудничестве с секцией физики. Имелся прибор, называвшийся «Снизи», для измерения концентрации радиоактивной пыли в воздухе и «Плутон» для измерения заражения α-излучающими веществами (обычно плутонием) лабораторных столов и другого оборудования. Применялись также приборы для проверки зараженности лабораторной одежды до и после стирки. У выходных дверей некоторых лабораторий висели приборы, дававшие тревожные сигналы, если мимо них проходил кто-либо, чья одежда, кожа или волосы заражены излучениями. Кроме того, производились регулярные осмотры лабораторных помещений.

8.69. Одно из производившихся исследований относилось к метеорологии. Было важно узнать, распространяются ли в Клинтоне и в Хэнфорде вместе с отходящими газами радиоактивные продукты деления в опасных концентрациях. Так как поведение этих газов сильно зависит от атмосферных условий, то в течение многих месяцев производились соответствующие исследования в местах расположения обоих заводов, после чего были установлены определенные требования к обработке отходящих газов.

МЕДИЦИНСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

8.70. Так как и объем и разнообразие видов излучения в этом предприятии совершенно беспрецедентны, то были применены все возможные меры предосторожности. Однако, для определения достаточности этих предосторожностей не было никаких надежных средств. Необходимо было сколь возможно пополнить прежние знания. Для этой цели был намечен и проведен ряд опытов над животными в трех главных направлениях по обширной программе: (1) облучение нейтронами и α-, β- и γ-излучением, (2) введение внутрь организма урана, плутония и продуктов деления, (3) вдыхание урана, плутония и продуктов деления. Эти эксперименты проводились в Чикаго, в Клинтоне и в Калифорнийском университете, главным образом, д-рами Колом и Гамильтоном под общим руководством д-ра Стоуна. Были получены многочисленные и ценные результаты.

 

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

8.71. Как объем книги, так и ограничения, налагаемые секретностью, не допускают детализации отчета по работе лабораторий и заводов в отношении выработки плутония.

8.72. Для работы установки основными являются два типа поглощения нейтронов: (1) поглощение ураном-235, приводящее к делению, являющееся источником новых нейтронов, и поддерживающее цепную реакцию, (2) поглощение ураном-238, приводящее к образованию плутония.

8.73. Ход ядерной цепной реакции в гетерогенном котле с графитовым замедлителем можно описать, проследив одно поколение нейтронов. Первоначальное число быстрых нейтронов немного увеличивается благодаря делениям на быстрых нейтронах, затем уменьшается ввиду резонансного поглощения в U-238 и, далее, еще уменьшается вследствие поглощения тепловых нейтронов в графите и в других материалах, а также вследствие вылета. Оставшиеся медленные нейтроны вызывают деления в U-235, которые в свою очередь создают новое поколение быстрых нейтронов, подобное предыдущему.

8.74. Окончательный продукт плутоний должен быть отделен с помощью химических процессов от сравнимого с ним количества продуктов деления и от много большего количества урана. Процесс отделения, выбранный из нескольких возможных, состоит из ряда реакций, включающих осаждение с носителями, растворение, окисление и восстановление.

8.75. Цепная реакция изучалась на котле малой мощности в Аргоннской лаборатории с начала 1943 года. Как цепная реакция, так и химические процессы отделения, исследовались также в Клинтонской лаборатории, начиная с ноября 1943 года, причем там было получено заметное количество плутония.

8.76. Постройка главной промышленной установки в Хэнфорде (шт. Вашингтон) началась в 1943 году. а первый большой котел был введен в действие в сентябре 1944 г. С лета 1945 г. работала уже вся установка, причем все котлы и химико-разделительные устройства работали лучше, чем это можно было предвидеть.

8.77. Многочисленные исследования были проведены по применению тяжелой воды в качестве замедлителя; в Аргоннской лаборатории был построен экспериментальный котел с тяжелой водой в качестве замедлителя. От планов постройки производственной установки, применяющей тяжелую воду, пришлось отказаться.

8.78. Секция охраны здоровья действовала по трем главным направлениям: (1) медицинский осмотр персонала, (2) советы, касающиеся опасности облучения, и постоянный контроль в рабочих условиях и (3) исследования влияния излучений. Тщательное планирование и исчерпывающая исследовательская работа этой секции привели к выдающимся достижениям в области охраны здоровья в Хэнфорде и в других местах.