ВВЕДЕНИЕ

НЕОБХОДИМОСТЬ РЕШЕНИЙ

7.1. К 1 января 1943 г. Металлургическая лаборатория выполнила свою первую задачу — создание котла, и успешно продвигалась по пути решения второй — извлечения плутония, получаемого в котле. Наступило время для составления окончательных проектов заводской установки. Политический комитет (см. главу V) на основании рекомендаций директора лаборатории А.X. Комптона, Исполнительного комитета S-1 и Обзорного комитета (члены которого посетили Чикаго в декабре 1942 г.) принял ряд решений, сводившихся, во-первых, к демонтажу первого котла и вторичной сборке его на небольшом расстоянии от Чикаго и, во-вторых, к постройке 1000-киловаттной плутониевой установки в Клинтоне (штат Тенесси).

МАСШТАБЫ ПРОИЗВОДСТВА

7.2. Прежде всего необходимо было определить требуемые масштабы производства. По соображениям секретности принятые цифры не могут быть здесь названы. Они очень велики.

ЗНАЧЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

7.3. Как мы уже видели, производство одного грамма плутония в сутки требует мощности котла от 500 до 1500 kW. Поэтому установка для промышленного производства плутония должна выделять очень большое количество энергии. Трудность задачи заключалась в конструировании установки большой мощности на основании экспериментов с котлом, работающим на мощности лишь в 0,2 kW. Что касается не менее важной работы по выделению плутония, предстояло составить, проекты установки для извлечения и очистки нескольких граммов плутония в сутки из нескольких тонн урана, причем основой для такого проектирования могли служить только данные микрохимического изучения с количеством Pu в 0,5 миллиграмма. Для проектирования больших котлов и установки по выделению плутония можно было использовать данные вспомогательных экспериментов и результаты детального изучения процессов разделения урана и плутония. Однако, и в этом случае предложенные экстраполяции относительно котла и процесса разделения были шатки. В мирное время ни один ученый или инженер, находящийся в здравом рассудке, не предпринял бы столь резкого увеличения масштаба, и даже во время войны только возможность получить чрезвычайно важные результаты могла служить оправданием этому.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЯЗАННОСТЕЙ

7.4. Как только было решено приступить к промышленному производству плутония, появилась необходимость в значительном организационном расширении. Вскоре после того, как Манхэттенский Округ в нюне 1942 г. получил задание по строительству, в качестве сборочной и строительной фирмы по Проекту ДСМ была выделена фирма Стоун и Вебстер (Stone and Webster Engeneering Corporation). К октябрю 1942 г. выяснилось, что различные части работы значительно удалены друг от друга и слишком технически сложны для выполнения одной фирмой. Это было особенно важно ввиду спешности задания. Поэтому признали целесообразным освободить фирму Стоун и Вебстер от производства оборудования для получения плутония. Генерал Гроувз выбрал фирму Дюпон (E.I. du Pont de Nemours and Co.), как наиболее подходящую для этой части работы. Соглашения, заключенные с разными промышленными компаниями Манхэттенским Округом, имели различные формы. Соглашение с фирмой Дюпон рассматривается здесь подробно, как типичное.

7.5. После длительных переговоров генерала Гроувза с руководителем фирмы Дюпон В. С. Карпентером фирма взялась выполнить работу. Изъявляя свое согласие, она подчеркнула, что принимает работу только потому, что, во-первых, Военное министерство считает ее чрезвычайно важной; во-вторых, потому, что генерал Гроувз заявил, что мнение о чрезвычайной важности работы разделяется лично президентом Соединенных Штатов, военным министром, начальником штаба и самим генералом Гроувзом, и, в-третьих, потому что генерал Гроувз считает фирму Дюпон организацией, наиболее способной выполнить это задание.

7.6. Фирма Дюпон, принимая заказ, согласилась с тем, что он будет выполняться ею без прибыли, а также без патентных прав. Однако, ввиду новизны области, в которой ей предлагали работать, она просила, чтобы правительство приняло все необходимые меры для ограждения фирмы от возможных убытков.

7.7. По договору с фирмой Дюпон правительство согласилось оплатить всю стоимость работ сразу или частями, предусмотренными договором на покрытие административных и общих расходов, в соответствии с обычной практикой фирмы — по определению ревизий, засвидетельствованных официальными представителями. По условиям договора, в том случае, если какая-либо часть этих выплат не будет в действительности израсходована фирмой, она подлежит возврату правительству. Договор предусматривал также, что никакие патентные права не будут распространяться на компанию.

7.8. Задачи, возложенные на фирму Дюпон, состояли в проектировании. конструировании и сооружении небольшой полузаводской установки в Клинтоне (шт. Тенесси) и проектировании, конструировании, сооружении и эксплоатации большой промышленной плутониевой установки в Хэнфорде (штат Вашингтон). Ввиду того, что первое задание было связано с фундаментальными исследованиями, клинтонская полузаводская установка должна была работать под руководством Чикагского университета. Многие инженерно-технические работники фирмы Дюпон должны были быть использованы на вспомогательной базе в Чикаго и Клинтоне, для удовлетворения нужд университета в людях, особенно в работниках с производственным опытом, и для подготовки персонала для будущей работы в Хэнфорде.

7.9. Так как фирме Дюпон предстояло перейти от нормальной для нее работы в области химии в новую область, связанную с ядерной физикой, было признано необходимым для проведения фундаментальных исследований, накопления опыта и консультаций установить более тесную связь фирмы с Металлургической лабораторией Чикагского университета. Компания Дюпон имела технический в производственный опыт, однако, она нуждалась в Металлургической лаборатории для проведения экспериментов как радиохимических, так и в области ядерной физики. Металлургическая лаборатория связывала общие исследования по разработке проблемы с проектированием и эксплоатацией полузаводской и большой производственной установок. Она разрабатывала основные вопросы производства и извлечения плутония, а также конструкции необходимого оборудования, отвечала на множество специальных запросов фирмы Дюпон, изучала проекты фирмы Дюпон и содействовала их осуществлению.

7.10. Основная цель клинтонской полузаводской установки заключалась в развитии методов извлечения плутония. Полузаводская установка должна была включать в себя, конечно, и аггрегат для производства плутония. По сложившимся обстоятельствам и по срокам клинтонская установка не могла быть построена, как первый вариант хэнфордской установки, и последнюю, поэтому, нужно было проектировать, строить и пускать в ход без использования опыта Клинтона. Хэнфордские разделительные установки пришлось конструировать и монтировать до получения результатов работы Клинтона. Однако, клинтонская полузаводская установка оказалась чрезвычайно полезной при решении большого числа совершенно новых задач, возникших при разработке хэнфордского проекта. Клинтонская установка производила, кроме того, небольшие количества плутония, что, вместе с данными Металлургической лаборатории о свойствах плутония, дало возможность ускорить на месяцы исследования этого вещества.

ВЫБОР МЕСТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УСТАНОВКИ

7.11. Как только была определена производительность установки и распределены обязанности, нужно было решить вопрос о характере установки и месте ее расположения. Как было рекомендовано в докладе президенту (см. главу V), участок в долине Тенесси, официально называемый «Клинтонским механическим заводом» (Clinton Engeneer Works), был приобретен Армией.

7.12. Вторичное рассмотрение вопроса о выборе места для плутониевой установки в конце 1942 г. привело генерала Гроувза к заключению, что выбранный участок недостаточно изолирован для плутониевой установки промышленного масштаба. В это же время стало очевидным, что могут возникнуть условия, при которых большой котел будет распространять радиоактивные вещества по такой большой площади, что создастся опасность для соседних населенных пунктов. В дополнение к требованию изолированности, оставалось требование снабжения большим количеством энергии, которое собственно к определило первоначальный выбор места в Тенесси. Новое место было выбрано на реке Колумбии в центральной части штата Вашингтон, вблизи линии передачи Гранд-Кули. Оно известно под названием «Хэнфордского механического завода» (Hanford Engineer Works).

7.13. Так как река Колумбия дает чистую холодную воду. хэнфордский участок хорошо подходил как для первоначально проектировавшейся установки с гелиевым охлаждением, так и для осуществленной в действительности установки с водяным охлаждением. Большие расстояния, разделявшие основное предприятие фирмы Дюпон в Вилмингтоне (Делавар), экспериментальную установку в Клинтоне (Тенесси), Металлургическую лабораторию в Чикаго и выбранное место в Хэнфорде, вызывали исключительные неудобства, но этих неудобств невозможно было избегнуть. Трудности были также и в доставке рабочих к намеченному месту строительства и в обеспечении необходимых жизненных условий для них.

ВЫБОР ТИПА УСТАНОВКИ

7.14. Мы находились еще в слишком ранней стадии работы, чтобы притти к тщательно обоснованному решению о наилучшем типе установки для производства плутония. Однако, выбор нужно было сделать, чтобы как можно скорее приступить к проектированию и постройке.

7.15. Первым вариантом, выбранным в ноябре 1942 г. Металлургической лабораторией, была установка с гелиевым охлаждением. Под руководством Т. Мура и М. К. Ливеретта был разработан предварительный проект такой установки. Связанные с проектом исследования послужили основой для выбора места, вспомогательного оборудования и т. д. Хотя предполагалось, что эти исследования для установки с гелиевым охлаждением можно будет провести быстрее, чем для установки с водяным охлаждением, было все же обнаружено много трудностей. Одновременно, теоретической группе под руководством Вигнера, в сотрудничестве с инженерным персоналом, было предложено подготовить доклад о мощной установке с водяным охлаждением. Эта группа разрабатывала вариант с водяным охлаждением почти с начала Проекта и уже 9 января 1943 г. была в состоянии представить доклад о результатах исследований. Доклад содержал много ценных мыслей, которые были использованы при проектировании промышленной установки в Хэнфорде.

7.16. Когда на сцену выступила фирма Дюпон, она сначала приняла предложение о сооружении установки с гелиевым охлаждением; после дальнейшего изучения вопроса фирма решила отдать преимущество водяному охлаждению. Причин изменения решения было много. Среди них отметим: опасность утечки находящегося под высоким давлением охлаждающего газа, содержащего радиоактивные примеси, трудности быстрого приобретения больших газодувок, необходимость больших количеств гелия, трудность загрузки и разгрузки урана и сравнительно низкую отдачу мощности на килограмм металлического урана. Эти обстоятельства нужно было сопоставить с специфическими недостатками установок с водяным охлаждением — с большой сложностью конструкции самого котла и опасностью коррозии.

7.17. Подобно многим другим решениям в этой работе, выбор между различными типами установок должен был основываться на недостаточных научных данных. При всем этом, однако, можно считать, что выбор водяного охлаждения был мудр.

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ В ЦЕЛОМ

7.18. В главе II мы пытались дать общую характеристику проекта по урану, как он представлялся летом 1940 г. Теперь мы хотим дать точное определение задачи проектирования промышленной установки для производства плутония. Принятием решения об объеме производства, типе установки и месте ее расположения проект в общем был определен. Задача состояла в конструировании охлаждаемого водой котла с графитовым замедлителем (или нескольких таких котлов) в сочетании с химической разделительной установкой для производства установленного, относительно большого количества плутония, причем установка должна была быть построена в Хэнфорде на реке Колумбии. Незачем говорить, что скорость строительства и эффективность эксплоатации были при этом главными соображениями.

ТИП РЕШЕТКИ

7.19. Решетки, описанные нами ранее, состояли из блоков урана, расположенных в графитовом замедлителе. При применении этих решеток в производственных установках, возникают следующие затруднения: во-первых, трудно удалять уран без разборки котла, во-вторых, трудно осуществлять охлаждение блоков урана, которые являются центрами выделения тепла. Оба эти затруднения можно устранить, применив вместо точечной решетки стержневую, и концентрировать, следовательно, уран вдоль линий, проходящих через замедлитель, а не распределять его в отдельных точках. Совершенно ясно, что стержневое расположение удовлетворительно с механической и инженерной точек зрения, но можно было сомневаться в том, что и для стержневой решетки коэффициент размножения будет все еще больше единицы. Эта проблема встала перед физиками-теоретиками и экспериментаторами. Физики-теоретики должны были определить путем расчета оптимальный диаметр урановых стержней и расстояния между ними, а экспериментаторы — провести экспоненциальные эксперименты с решетками такого типа для проверки выводов теоретической группы.

РАЗГРУЗКА И ЗАГРУЗКА

7.20. Как только была принята решетка с цилиндрической симметрией, стало очевидно, что можно, не разбирая котла, разгружать и загружать уран, вынимая его из цилиндрических каналов в графитовом замедлителе и вкладывая туда последующие партии металла. Выбор нужно было сделать между длинными урановыми стержнями, представляющими преимущества с точки зрения физики ядра и относительно короткими цилиндрическими столбиками, удобными в обращении. В обоих случаях материал обладал столь высокой радиоактивностью, что как разгрузка, так и все операции с выгруженным ураном должны были производиться при помощи управления на расстоянии из-за защитного укрытия.

ВОЗМОЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

КОРРОЗИЯ

7.21. Если в качестве охладителя применяется вода, то она должна быть направлена в те области, где выделяется тепло, по особым каналам. Так как графитовые трубы непрактичны, то должны применяться трубы из других материалов. Ядерная физика ограничивает выбор материала для труб и других устройств котла. Трубы должны быть сделаны из такого материала, у которого поперечное сечение поглощения нейтронов не настолько велико, чтобы сделать k меньшим единицы. Материал труб не должен, кроме того, разрушаться под действием большой плотности нейтронного и γ-излучений, имеющих место в котле. Наконец, труба должны удовлетворять всем обычным требованиям, предъявляемым к трубам охладительных систем: они должны не давать утечек, не корродировать и не коробиться.

7.22. С точки зрения ядерной физики для этой цели можно применять семь элементов (Pb, Bi, Be, Al, Мg, Zn, Sn), ни один из которых не обладает большим поперечным сечением поглощения нейтронов. Бериллиевые трубки получить невозможно, а из всех других металлов только алюминий можно считать пригодным с точки зрения коррозии. Однако, не было никакой уверенности, что алюминиевые трубы будут удовлетворительны, и сомнения относительно их коррозии оставались до тех пор, пока котел не был испытан в работе.

7.23. Помимо выбора материала для труб, нужно было также выбрать другие материалы, употребляемые в котле, с учетом критериев ядерной физики и требований устойчивости по отношению к радиоактивному излучению. Электроизоляционные материалы, употребляемые в приборах, помещаемых в котел, не должны разрушаться под действием радиоактивного излучения. Естественно предположить, что когда приходится контрольную или экспериментальную пробу помещать в котел или удалять из него, то в результате пребывания этой пробы в котле она приобретает сильную радиоактивность, величина которой зависит от применяемого материала.

7.24. Наконец, не было известно, какое воздействие имеют поля излучений на графит и уран в котле. Позднее было обнаружено, что электрическое сопротивление, упругость и теплопроводность графита изменяются от интенсивного облучения нейтронами.

ЗАЩИТА УРАНА ОТ КОРРОЗИИ

7.25. Наиболее эффективным способом охлаждения было бы непосредственное соприкосновение потока воды с ураном, в котором выделяется тепло. Однако, этот способ исключен: уран химически реагирует с водой, что приводит к отравлению воды радиоактивным веществом и к разрушению блоков урана. Необходимо было, поэтому, найти метод защиты урана от непосредственного соприкосновения с водой. Были изучены две возможности: одна — покрытие (электролизом или погружением), другая — заключение урановых блоков в герметический защитный кожух. Как ни странно, эта «проблема оболочки» оказалась одной из самых трудных проблем, возникших при конструировании котла.

СНАБЖЕНИЕ ВОДОЙ

7.26. Проблема отвода тысяч киловатт энергии достаточно серьезна. Количество воды, необходимой для охлаждения, зависит, конечно, от максимальной температуры, до которой вода может быть безопасно нагрета, и от максимальной температуры воды, забираемой из реки Колумбии. Воды требовалось столько, сколько нужно для водоснабжения довольно большого города. Необходимо было предусмотреть насосную станцию, фильтрацию, установку для обработки воды и т. д. Система должна была быть весьма надежной; нужно было, поэтому, разработать быстро действующее устройство для моментального прекращения цепной реакции в котле в случае аварии в системе подачи воды. Так как было решено применять прямоточное охлаждение, вместо циркуляционного, необходим был отстойный бассейн, в котором осаждались бы перед возвращением воды в реку радиоактивные примеси, содержащиеся в воде. Объем пропускаемой воды должен был быть столь велик, что проблема ее радиоактивности становилась весьма важной, и поэтому следовало определить минимальное время выдерживания воды в отстойниках, в течение которого она становится абсолютно безопасной.

УПРАВЛЕНИЕ И ПРИБОРЫ

7.27. Задача управления была очень похожа на ту же задачу для первого котла, с тем лишь различием, что все здесь имело соответственно увеличенные размеры и поэтому представляло большую возможную опасность. Необходимо было обеспечить устройства, которые должны автоматически поддерживать работу котла на определенном уровне мощности Эти устройства должны быть связаны с приборами внутри котла, измеряющими плотность нейтронов или какую-либо другую величину, дающую возможность судить о мощности котла. Следовало, далее, иметь аварийный контроль, который должен действовать почти мгновенно, если мощность котла обнаруживает тенденцию быстрого роста или в случае, когда возникают какие-либо перебои в снабжении водой. Было крайне желательно также иметь возможность получать указания о возникающих неполадках, например, о закупоривании отдельных труб или о повреждении оболочки одного из блоков урана. Весь этот контроль должен был осуществляться через толстую защитную стену.

ЗАЩИТА

7.28. Как мы уже неоднократно указывали, радиоактивное излучение котла, работающего на высокой мощности, столь интенсивно, что делает совершенно невозможным для обслуживающего персонала пребывание вблизи него. Более того, это излучение, в особенности нейтронное, имеет резко выраженную способность проникать через отверстия и трещины в препятствиях. Весь котел, поэтому, должен быть окружен очень толстыми стенами из бетона, стали или из какого-либо другого поглощающего материала. Вместе с тем должна быть предусмотрена возможность загрузки и разгрузки котла через эти стены и ввод и вывод воды через них. Защитные укрытия должны быть не только непроницаемы для радиоактивного излучения, но и газонепроницаемы, так как воздух, подвергшийся облучению в котле, становится радиоактивным.

7.29. Опасность излучения, вызывающая необходимость в защитном укрытии котла, распространяется также на всю площадь, занимаемую установкой для выделения плутония. Продукты деления, образующиеся при производстве плутония, обладают высокой радиоактивностью, и оперирование с ураном после его изъятия из котла должно производиться через защитную стенку на расстоянии; кроме того, необходимо предусмотреть защитные мероприятия при транспортировке урана к разделительной установке. Все части работы разделительной установки, включая анализы, должны обслуживаться управлением на расстоянии через защитную стенку, вплоть до того момента, когда плутоний в значительной степени освободится от радиоактивных продуктов деления.

ОБСЛУЖИВАНИЕ

7.30. Проблема обслуживания формулируется весьма просто: не может быть никакого обслуживания внутри защитного ограждения, если котел работает. То же замечание относится в несколько меньшей мере к установке для выделения плутония. Для тех случаев, когда необходимо по условиям обслуживания остановить установку, должен быть предусмотрен соответствующий «обезвреживающий» процесс, проводимый для понижения интенсивности радиоактивного излучения ниже уровня, представляющего опасность для персонала. Проблемы эксплоатации вспомогательных частей установки обычны; исключение составляет необходимость в резервном насосном и силовом оборудовании на случай внезапной аварии системы охлаждения.

ГРАФИК ЗАГРУЗКИ И РАЗГРУЗКИ

7.31. Очевидно, что количество плутония в нормально работающей установке возрастает с временем работы. Поскольку Pu−239 сам подвергается делению, то его образование стимулирует цепную реакцию, в то время как постепенное исчезновение U-235 и появление продуктов деления с большим поперечным сечением поглощения нейтронов стремится остановить реакцию. Выбор момента остановки работающего котла и удаления плутония требует точного соответствия этих факторов с графиком времени, стоимостью материала, эффективностью процесса выделения и т. д. Точнее говоря, эта задача относится скорее к эксплоатации, чем к проектированию установки; однако, необходимо предусмотреть и эти вопросы, чтобы планировать загрузку урана в котел и передачу его на разделительную установку.

РАЗМЕРЫ УСТАНОВКИ

7.32. Мы говорили о производственной мощности установки, выраженной лишь через величину валовой продукции. Естественно, заданное количество продукции может быть получено в одном большом котле или в нескольких меньших. Принципиальное преимущество котлов меньших размеров заключается в уменьшении времени, необходимого для сооружения первого котла, в возможности вносить изменения в последующие котлы и — что, может быть, наиболее важно — в невероятности одновременного выхода из строя всех котлов. Неудобство малых котлов заключается в том, что они требуют непропорционально больших количеств урана, замедлителя и т. д. Очевидно имеются наиболее предпочтительные «оптимальные» размеры котла, которые можно приближенно определить из теоретических соображений.

ОБЩИЙ ХАРАКТЕР РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

7.33. Как мы уже подчеркивали, блоки урана, вынимаемые из котла, обладают высокой радиоактивностью и, поэтому, обращение с ними требует управления на расстоянии в защищенных укрытиях.

Общая схема, приведенная ниже, была предложена во второй половине 1942 г., в особенности в связи с проектами клинтонской разделительной установки. По этой схеме строился «каньон», который должен был состоять из ряда помещений с толстыми бетонными стенами, и почти полностью врытых в землю. Каждое помещение должно было содержать растворяющие или осаждающие камеры или центрифуги. Блоки урана должны поступать в определенное помещение с одного конца каньона; там они растворяются и проходят через различные процессы растворения, осаждения, окисления или восстановления, пока в последнее отделение не поступает раствор плутония, свободный от урана и продуктов деления. Так же, как и в котле, все процессы должны управляться на расстоянии из помещения, находящегося на поверхности земли, но операции будут гораздо сложнее. Однако, основной характер химических операций не намного отличается от обычного поля деятельности химиков.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

7.34. В первых стадиях процесса извлечения даже обычный анализ образцов, который необходим для проверки операций в различных химических процессах, должен выполняться путем управления на расстоянии. Эти анализы упрощаются благодаря тому, что наряду со стандартным химическим анализом используются радиоактивные методы.

УДАЛЕНИЕ ОТХОДОВ

7.35. Исходный материал (уран) не обладает опасной радиоактивностью. Конечный продукт (плутоний) не испускает проникающего излучения; однако комбинация активности α-лучей и химических свойств Pu делают его одним из опаснейших веществ при попадании на тела Особенно неприятными веществами являются продукты деления урана. Продукты деления чрезвычайно активны и содержат тридцать элементов. Среди них имеются радиоактивные ксенон и йод. Они выделяются в значительных количествах, когда блоки урана растворяются, и должны быть удалены с особой тщательностью. Необходимы высокие трубы, которые бы вытягивали эти газы вместе с кислотным дымом из первой растворяющей камеры, причем нужно установить, что смесь радиоактивных газов и воздуха не заражает окружающей территории.

7.36. В растворе может сохраниться много других продуктов деления, все они, однако, должны быть в конце концов полностью удалены. Разумеется, надо учитывать загрязнение реки. (Санитарные нормы в отношении загрязнения реки требуют, чтобы сточные воды не оказывали вредного влияния ни на людей, ни на рыбу).

РЕГЕНЕРАЦИЯ УРАНА

7.37. Очевидно, даже в том случае, когда уран был оставлен в котле до тех пор, пока весь U-235 не подвергнется делению, все же должно остаться большое количество U-238, не превратившегося в плутоний. В действительности процесс прекращается задолго до достижения этого состояния. Уран является дорогим материалом, и снабжение необходимым количеством урана очень ограничено. Поэтому необходимо изучить возможность регенерации его после извлечения плутония. Вначале такая регенерация не имелась в виду, а предполагалось лишь сохранение раствора урана. Позже был разработан промышленный метод регенерации.

КОРРОЗИЯ В РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

7.38. В отличие от общеизвестных случаев коррозии, данный процесс корродирования происходит при высокой плотности радиоактивного излучения. Вследствие этого чаны корродируют значительно быстрее, чем при обычных обстоятельствах. Более того, такого рода коррозия значительно серьезнее из-за трудности доступа к пораженным участкам, В течение некоторого времени, к сожалению, на эту опасность не обращали должного внимания.

ВЛИЯНИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

7.39. Химические реакции, предложенные для процесса извлечения, были, конечно, испытаны в лаборатории. Однако, они не могли быть изучены с достаточно большими количествами плутония и не могли быть испытаны при наличии радиоактивного излучения, хоть в какой-нибудь мере приближающегося по своей интенсивности к ожидаемому. Поэтому было очевидно, что процесс, оказавшийся успешным в условиях лаборатории, может оказаться непригодным в установке.

ВЫБОР ПРОЦЕССА

7.40. Приведенное выше описание того, что происходит в последовательных отделениях «каньона», весьма приблизительно. Это объясняется тем, что вплоть до января 1943 г. не было принято решения о том, какой именно процесс следует применить для извлечения и очистки плутония. Главной задачей, стоявшей перед химическим отделом Металлургической лаборатории, был выбор лучшего процесса для установки.

ОХРАНА ЗДОРОВЬЯ

7.41. Кроме опасностей, обычно имеющихся при сооружении и зксплоатации большой химической установки, здесь возникли опасности нового рода. Опасными являлись два типа излучения: нейтроны, освобождающиеся в котле, и радиоактивное (α-, β- и γ-) излучение, испускаемое продуктами котла. Хотя общее действие этих излучений на человеческий организм было признано подобным действию рентгеновских лучей, было все же желательно более детальное его изучение. Количество радиоактивных материалов, с которыми приходилось иметь дело, во много раз больше, чем те количества, которые употреблялись когда-либо прежде.

7.42. Медицинская группа должна была выполнить три задачи: (1) организацию измерений и клинических испытаний для обнаружения признаков опасной облученности персонала, (2) исследование влияния радиоактивного излучения на людей, приборы и т. д. и (3) определение необходимых свойств и размеров защитных укрытий и мероприятий по охране труда для учета их при постройке и разработке правил эксплоатации установки.

СВОЙСТВА ПЛУТОНИЯ

7.43. Несмотря на то, что мы намеревались создать большое предприятие по производству плутония, мы имели меньше миллиграмма его для изучения и лишь слабое представление о его свойствах. Изучение плутония, поэтому, составляло главную задачу Металлургической лаборатории.

ОБУЧЕНИЕ ПЕРСОНАЛА

7.44. Понятно, что работа на промышленной установке требовала большой и весьма подготовленной группы обслуживающего персонала. Хотя фирма Дюпон имела огромный опыт эксплоатации различного рода химических установок, это предприятие представляло собой нечто новое, и было очевидно, что обслуживающий персонал нуждается в специальном обучении. Такое обучение было проведено частью в Чикаго и его окрестностях, но, главным образом, в клинтонских лабораториях.

НЕОБХОДИМОСТЬ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

7.45. В предыдущих параграфах этой главы мы перечислили задачи, с которыми пришлось встретиться группе, проектировавшей и строившей установку для производства плутония. В главе VI были рассмотрены достижения в этой области вплоть до конца 1942 г. Из этих глав стало понятно, что для обеспечения успешной работы установки требовались гораздо большие сведения, чем те, которые были в нашем распоряжении. Поэтому одновременно с проектированием и постройкой должны были проводиться и исследования.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ПРОГРАММА

7.46. В связи с необходимостью развития научных и технических исследований для Металлургической и Клинтонской лабораторий, была разработана программа исследовательских работ. Приведенный ниже отрывок взят из программы Металлургического Проекта на 1943 г.

«Исследование производства плутония. Сюда включаются все виды исследований, технические разработки и полузаводское изучение всех вопросов, необходимых для проектирования, постройки и эксплоатации котла для производства плутония или других материалов.

Характеристики котла. Теоретическое изучение и эксперименты с решеткой, имевшие целью выяснить поведение характеристик котла большой мощности: температуры и давления, нейтронных характеристик, отравления котла и т. д.

Управление котлами. Конструирование и испытание устройств для регулирования скорости реакции в котлах.

Охлаждение котлов. Физическое изучение охлаждающих веществ, технические проблемы циркуляции, коррозии, эрозии и т. д.

Приборы. Разработка конструкций приборов и техники управления установкой и определения радиоактивности на заводской территории.

Защита. Защитные укрытия, биологический эффект излучения котла и клиническое изучение влияния операций, связанных с котлом.

Материалы. Изучение физических (механических и ядерных) свойств строительных материалов и веществ, применяемых при сооружении и эксплоатации котла.

Исследования активации. Производство экспериментальных количеств радиоактивных материалов в циклотроне и в котлах и изучение активации материалов нейтронами, протонами, электронами, γ-лучами и т. д.

Работа котла. Изучение операций, необходимых для нормальной работы котла: загрузка и разгрузка, работа с приборами и т. д.

Проектирование процесса. Изучение возможного процесса производства в целом, ведущее к детальной разработке процессов отдельных его частей.

Исследование извлечения плутония. Сюда включаются все виды работы, необходимые для разработки как процесса извлечения плутония и возможных побочных продуктов котла, так и приготовления их в чистом виде. Основные усилия Металлургической лаборатории были направлены на разработку того процесса производства плутония, который был утвержден 1 июня 1943 г. Однако, другие варианты по-прежнему подвергались исследованию в металлургической лаборатории в Клинтоне в той мере, в какой это было возможно.

Разделение. Процесс растворения урана, извлечения плутония и обезвреживания путем удаления продуктов деления.

Концентрирование. очистка и восстановление плутония. Процессы производства плутония в виде чистого металла и изучение тех свойств плутония, знание которых необходимо для его производства.

Отходы. Существующие новые и возможные методы извлечения продуктов деления и урана из отходов.

Приборы. Разработка и испытание контрольных приборов для химических процессов и для наблюдения за радиоактивностью на всей территории.

Защита. Изучение защитных экранов, определение биологических действий радиоактивной пыли, жидкостей, твердых тел и других материалов, участвующих в процессе, а также защитных мероприятий.

Материалы. Коррозия материалов оборудования, стойкость по отношению к воздействию радиоактивности. Необходимая чистота и методы анализа материалов, участвующих в процессе и т. д.

Получение радиоактивных материалов. Разработка методов выделения радиоактивных материалов, полученных активацией в циклотроне и в котле.

Вопросы эксплоатации. Качество работы оборудования, контроль процесса, обращение с материалами и т. д.

Проектирование процесса. Изучение процесса выделения плутония в целом (мокрый процесс, физические методы), ведущее к детальной разработке отдельных вопросов.

Основные исследования. Изучение основных физических и химических явлений, происходящих в котлах, и изучение основных свойств всех употребляемых материалов. Хотя в Клинтоне наибольшее внимание уделяется полузаводской установке, многие основные исследования также потребуют клинтонских условий (большая интенсивность радиоактивного излучения, большой масштаб производства).

Ядерная физика. Основные свойства ядерного деления, поперечное сечение, выход нейтронов, типы деления и т. д. Другие свойства ядра, важные для процесса, например, поперечное сечение и свойства замедлителя, действие нейтронов на материалы и т. д.

Общая физика. Основные исследования с помощью приборов (электронные, ионизационные, оптические и т. д.), определение атомных масс, изучение нейтронов и α-, β- и γ-излучений, исследования рентгеновских лучей и т. д.

Химия радиоактивных излучений. Действие радиоактивного излучения на химические процессы и химические реакции, вызываемые излучением.

Ядерная химия. Прослеживание продуктов деления, постоянные распада, цепные реакции, исследование ядер, которые могут оказаться полезными для Проекта.

Химия продуктов. Химические свойства различных продуктов и основательное изучение разделения и очистки продуктов.

Общая химия. Химия основных материалов и материалов, связанных с процессом, включая и побочные продукты.

Общая биология. Фундаментальное изучение действия радиоактивного излучения на живые организмы, на обмен веществ и т. д.

Клинические исследования. Основные исследования, как то, гематологические, патологические и т. д.

Металлургические исследования. Изучение свойств U, Pu, Be и т. д.

Технические исследования. Явления, лежащие в основе коррозии, и другие вопросы, исследование которых необходимо для непрерывного технического развития процесса.»

7.47. Рассмотрение этой программы дает представление о большом диапазоне исследований, проведенных для получения необходимых сведений. Многие из указанных здесь тем не являются такими научными проблемами, которые могут быть разрешены небольшой группой ученых в течение месяцев, и скорее представляют целые области для исследований в течение ряда лет. Необходимо было отобрать специальные вопросы, немедленно дающие полезные результаты; однако, одновременно было желательно работать над установлением основных принципов. Например, действие радиоактивного излучения на свойства материалов было почти совершенно не изучено. Необходимо было и эмпирическое изучение свойств отдельных материалов, используемых в котле, и создание общих теорий наблюдаемых явлений. Все усилия должны были быть направлены на главную цель: создание успешной производственной установки.

 

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТА

7.48. В организации и в составе участников Проекта происходило много изменений. В течение большей части периода строительства в Клинтоне и в Хэнфорде А.X. Комптон был директор Металлургического проекта; С. К. Алисон — директор Металлургической лаборатории в Чикаго и М. Д. Уитекер — директор Клинтонской лаборатории. Чикагская группа делилась на четыре отдела: физики, химии, технологии и здравоохранения. Позднее физический отдел был разбит на группы общей физики и ядерной физики. Р. Л. Доун был научный руководитель в Клинтоне; в Чикаго подобной должности не было. Назовем некоторых заместителей или помощников директоров лабораторий или проектов и директоров отделений: С. Т. Кантрил, К. М. Купер, Ф. Даниелс, А.Дж. Демпстер, Э. Ферми, И. Франк, Н. Хилберн, Т. Р. Хогнес, В. К. Джонсон, Г. Д. Смит, Дж. К. Стирнс, Р. С. Стоун, Г. К. Вернон, В. В. Ватсон и Э. Вигнер.

Начиная с 1943 г. К. Г. Томас из Monsanto Chemical Co., был председатель комитета по химии и металлургия плутония. Этот комитет связывал деятельность Металлургической лаборатории с работой лабораторий в Лос-Аламосе (см. гл. XII) и других местах. Позднее Monsanto Chemical Co. провела некоторую работу и по важным специальным вопросам, возникшим в связи с работой в Лос-Аламосе.

7.49. На ответственности этих людей было следить за успешным выполнением изложенной выше программы исследований, передавать существенные результаты фирме Дюпон. На их ответственности лежало также давать ответы на вопросы, возникающие у фирмы Дюпон, и одобрять или отвергать планы, предложенные на рассмотрение этой фирмой.

 

СОТРУДНИЧЕСТВО МЕЖДУ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ И ФИРМОЙ ДЮПОН

7.50. Поскольку фирма Дюпон была проектирующей и строительной, а Металлургическая лаборатория — исследовательской организацией, тесное сотрудничество между ними было совершенно необходимо. Фирма Дюпон не только нуждалась в ответах на специальные вопросы, но и должна была получать помощь, критику и предложения по многим вопросам, хорошо известным Металлургической группе. Подобным же образом Металлургическая группа должна была пользоваться исследованиями фирмы Дюпон по многим техническим вопросам проектирования, строительства и эксплоатации. Для того, чтобы способствовать такого рода сотрудничеству, фирма Дюпон выделила одного из своих физиков, Дж. Б. Майлса в Чикаго; многие другие работники фирмы, в частности К. Г. Гринволт, проводили большую часть своего времени в Чикаго. Майлс и Гринволт регулярно посещали собрания лабораторного совета. Эта форма связи не была предусмотрена соглашением для работников Металлургической лаборатории, хотя некоторые члены лаборатории неофициально посещали Вилмингтон. Кроме того Н. А. Уилер был переведен из Чикаго в Вилмингтон и стал членом правления фирмы Дюпон. Существовал, конечно, постоянный обмен докладами и письмами и проводились частые совещания между Комптоном и Р. Вильямсом, представителем фирмы Дюпон. Уитекер проводил большую часть своего времени в Вилмингтоне в то время, когда проектировалась и строилась клинтонская установка.

 

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

7.51. В январе 1943 г. было принято решение строить установку большой производительности для получения плутония. Это означало постройку котла мощностью в тысячи киловатт и завода по химическому выделению плутония. Компания Дюпон должна была проектировать, построить и эксплоатировать установку. Металлургическая лаборатория должна была производить необходимые исследования. Место для установки было выбрано на реке Колумбия в Хэнфорде (шт. Вашингтон). Первоначальное решение строить установку с гелиевым охлаждением было изменено в пользу более удобного водяного охлаждения. Основными задачами являлись проектирование решетки, загрузка и выгрузка, выбор материалов (в особенности с учетом коррозии и радиации), снабжение водой, управление и приборы, охрана здоровья, химический процесс разделения и проектирование разделительной установки. Были разработаны планы теоретических и технических исследований, а также подготовки кадров. Было достигнуто соглашение между фирмой Дюпон и Металлургической лабораторией о совместной работе.