Calutron - Calutron

Un rezervor Alpha calutron a fost scos din magnet pentru recuperarea uraniului-235

Un calutron este un spectrometru de masă proiectat și utilizat pentru inițial separarea izotopilor de uraniu . A fost dezvoltat de Ernest Lawrence în timpul Proiectului Manhattan și s-a bazat pe invenția sa anterioară, ciclotronul . Numele său a fost derivat din California University Cyclotron, în tribut instituției lui Lawrence, Universitatea din California , unde a fost inventată. Calutronii au fost folosiți în fabrica de îmbogățire a uraniului la scară industrială Y-12 de la Clinton Engineer Works din Oak Ridge, Tennessee . Uraniu îmbogățit produs a fost utilizat în Little Boy bombei atomice care a fost detonat la Hiroshima pe 6 august 1945.

Calutronul este un tip de spectrometru de masă sectorial , un instrument în care o probă este ionizată și apoi accelerată de câmpuri electrice și deviată de câmpuri magnetice . Ionii se ciocnesc în cele din urmă cu o placă și produc un curent electric măsurabil . Deoarece ionii diferiților izotopi au aceeași sarcină electrică, dar mase diferite, izotopii mai grei sunt deviați mai puțin de câmpul magnetic, determinând fasciculul de particule să se separe în mai multe fascicule prin masă, lovind placa în diferite locații. Masa ionilor poate fi calculată în funcție de intensitatea câmpului și sarcina ionilor. În timpul celui de-al doilea război mondial, calutronii au fost dezvoltați pentru a utiliza acest principiu pentru a obține cantități substanțiale de uraniu de înaltă puritate-235, profitând de diferența mică de masă dintre izotopii de uraniu.

Separarea electromagnetică pentru îmbogățirea uraniului a fost abandonată în perioada postbelică în favoarea metodei de difuzie gazoasă mai complicată, dar mai eficientă . Deși majoritatea calutronelor proiectului Manhattan au fost dezmembrate la sfârșitul războiului, unele au rămas în uz pentru a produce probe îmbogățite izotopic de elemente naturale în scopuri militare, științifice și medicale.

Origini

Știrile despre descoperirea fisiunii nucleare de către chimiștii germani Otto Hahn și Fritz Strassmann în 1938, precum și explicația teoretică a acesteia de către Lise Meitner și Otto Frisch , au fost aduse în Statele Unite de Niels Bohr . Pe baza modelului său de picătură lichidă a nucleului, el a teoretizat că izotopul de uraniu-235 și nu cel mai abundent de uraniu-238 a fost principalul responsabil pentru fisiunea cu neutroni termici . Pentru a verifica acest lucru, Alfred OC Nier de la Universitatea din Minnesota a folosit un spectrometru de masă pentru a crea o cantitate microscopică de uraniu-235 îmbogățit în aprilie 1940. John R. Dunning , Aristid von Grosse și Eugene T. Booth au putut apoi să confirme că Bohr a fost corect. Leo Szilard și Walter Zinn au confirmat curând că mai mult de un neutron a fost eliberat pe fisiune, ceea ce a făcut aproape sigur că se poate iniția o reacție în lanț nuclear și, prin urmare, că dezvoltarea unei bombe atomice era o posibilitate teoretică. S-au temut că un proiect german de bombă atomică se va dezvolta mai întâi, mai ales în rândul oamenilor de știință refugiați din Germania nazistă și din alte țări fasciste .

Diagrama separării izotopilor de uraniu în calutron

La Universitatea din Birmingham din Marea Britanie, fizicianul australian Mark Oliphant a desemnat doi fizicieni refugiați - Otto Frisch și Rudolf Peierls - sarcina de a investiga fezabilitatea unei bombe atomice, în mod ironic, deoarece statutul lor de extratereștri inamici le-a împiedicat să lucreze la proiecte secrete precum radar. . Memorandumul Frisch – Peierls din martie 1940 a indicat faptul că masa critică a uraniului-235 se afla într-un ordin de mărime de 10 kg, care era suficient de mic pentru a fi transportat de un bombardier al zilei. Comitetul britanic Maud a recomandat apoi în unanimitate să continue dezvoltarea unei bombe atomice. Marea Britanie a oferit pentru a da Statelor Unite acces la cercetarea științifică, astfel încât misiunea Tizard lui John Cockroft a informat oamenii de știință americani cu privire la evoluțiile britanice. El a descoperit că proiectul american era mai mic decât cel britanic și nu la fel de avansat.

Un oliphant dezamăgit a zburat în Statele Unite pentru a vorbi cu oamenii de știință americani. Acestea au inclus Ernest Lawrence de la Universitatea din California „s Laboratory Radiații din Berkeley . Cei doi bărbați se întâlniseră înainte de război și erau prieteni. Lawrence a fost suficient de impresionat pentru a începe propria sa cercetare în domeniul uraniului. Uraniul-235 reprezintă doar aproximativ 0,72% din uraniul natural, deci factorul de separare al oricărui proces de îmbogățire a uraniului trebuie să fie mai mare de 1250 pentru a produce 90% uraniu-235 din uraniu natural. Comitetul Maud a recomandat ca acest lucru să se facă printr-un proces de difuzie gazoasă , dar Oliphant a inițiat o altă tehnică în 1934: separarea electromagnetică. Acesta era procesul pe care Nier îl folosise.

Principiul separării electromagnetice este că ionii încărcați sunt deviați de un câmp magnetic, iar cei mai ușori sunt deviați mai mult decât cei grei. Motivul pentru care Comitetul Maud și mai târziu omologul său american, secțiunea S-1 a Oficiului de Cercetare Științifică și Dezvoltare (OSRD), au trecut peste metoda electromagnetică a fost că, deși spectrometrul de masă era capabil să separe izotopii, a produs foarte mult randamente mici. Motivul pentru aceasta a fost așa-numita limitare a încărcării spațiale . Ionii pozitivi au sarcină pozitivă, deci tind să se respingă reciproc, ceea ce face ca fasciculul să se împrăștie. Pe baza experienței sale cu controlul precis al fasciculelor de particule încărcate din lucrarea sa cu invenția sa, ciclotronul , Lawrence a suspectat că moleculele de aer din camera de vid ar neutraliza ionii și ar crea un fascicul focalizat. Oliphant l-a inspirat pe Lawrence să-și convertească vechiul ciclotron de 37 inci (94 cm) într-un spectrometru de masă gigant pentru separarea izotopilor .

Frank Oppenheimer (centru dreapta) și Robert Thornton (dreapta) examinează emițătorul cu 4 surse pentru calutronul Alpha îmbunătățit.

Ciclotronul de 37 de inci de la Berkeley a fost demontat la 24 noiembrie 1941, iar magnetul său a fost folosit pentru a crea primul calutron. Numele său a venit de la Universitatea din California și ciclotron. Lucrarea a fost inițial finanțată de Laboratorul de radiații din propriile resurse, cu o subvenție de 5.000 de dolari de la Research Corporation . În decembrie, Lawrence a primit o subvenție de 400.000 de dolari din partea Comitetului pentru uraniu S-1. Calutronul consta dintr-o sursă de ioni, sub forma unei cutii cu o fantă în ea și filamente fierbinți în interior. Tetraclorura de uraniu a fost ionizată de filament și apoi a trecut printr-o fantă de 0,04 x 2 inci (1,0 cu 50,8 mm) într-o cameră de vid. Magnetul a fost apoi folosit pentru a devia fasciculul de ioni cu 180 °. Grinzile îmbogățite și epuizate au intrat în colectoare.

Când calutronul a fost operat pentru prima dată la 2 decembrie 1941, cu doar câteva zile înainte de atacul japonez asupra Pearl Harbor a adus Statele Unite în cel de-al doilea război mondial , colectorul a primit o intensitate a fasciculului de uraniu de 5 microamperi (μA). Prezentarea lui Lawrence cu privire la efectul moleculelor de aer din camera de vid a fost confirmată. O cursă de nouă ore pe 14 ianuarie 1942 cu un fascicul de 50 μA a produs 18 micrograme (μg) de uraniu îmbogățit cu 25% uraniu-235, de aproximativ zece ori mai mult decât producuse Nier. Până în februarie, îmbunătățirile tehnicii i-au permis să genereze un fascicul de 1.400 μA. În acea lună, 75 μg probe îmbogățite cu 30% au fost expediate către britanici și Laboratorul metalurgic din Chicago.

Alți cercetători au investigat, de asemenea, separarea izotopilor electromagnetici. La Universitatea Princeton , un grup condus de Henry D. Smyth și Robert R. Wilson a dezvoltat un dispozitiv cunoscut sub numele de izotron. Folosind un clistron , au reușit să separe izotopii folosind electricitate de înaltă tensiune, mai degrabă decât magnetism. Lucrările au continuat până în februarie 1943, când, având în vedere succesul mai mare al calutronului, lucrările au fost întrerupte și echipa a fost transferată la alte atribuții. La Universitatea Cornell, un grup sub Lloyd P. Smith, care îl includea pe William E. Parkins și A. Theodore Forrester au conceput un separator magnetic radial. Au fost surprinși că grinzile lor erau mai precise decât se așteptau și, la fel ca Lawrence, au dedus că a fost un rezultat al stabilizării fasciculului de către aer în camera de vid. În februarie 1942, echipa lor a fost consolidată cu cea a lui Lawrence în Berkeley.

Cercetare

Deși s-a demonstrat că procesul funcționează, era încă necesar un efort considerabil înainte ca un prototip să poată fi testat pe teren. Lawrence a reunit o echipă de fizicieni pentru a aborda problemele, inclusiv David Bohm , Edward Condon , Donald Cooksey , A. Theodore Forrester, Irving Langmuir , Kenneth Ross MacKenzie , Frank Oppenheimer , J. Robert Oppenheimer , William E. Parkins, Bernard Peters și Joseph Slepian . În noiembrie 1943 li s-a alăturat o misiune britanică condusă de Oliphant, care includea colegi fizicieni australieni Harrie Massey și Eric Burhop și fizicieni britanici precum Joan Curran și Thomas Allibone .

Unitatea de dezvoltare XAX de la Oak Ridge a fost utilizată pentru cercetare, dezvoltare și instruire.

Lawrence avea în construcție un mare ciclotron la Berkeley, unul cu un magnet de 474 cm. Acesta a fost transformat într-un calutron care a fost pornit pentru prima dată la 26 mai 1942. La fel ca versiunea de 37 inci, arăta ca un C uriaș când era privit de sus. Operatorul stătea în capătul deschis, de unde temperatura putea fi reglată, poziția electrozilor reglată și chiar componentele înlocuite printr-un blocaj de aer în timp ce acesta funcționa. Noul calutron mai puternic nu a fost folosit pentru a produce uraniu îmbogățit, ci pentru experimente cu mai multe surse de ioni. Aceasta însemna să ai mai mulți colecționari, dar a înmulțit randamentul.

Problema a fost că grinzile au interferat între ele, producând o serie de oscilații numite hash. A fost conceput un aranjament care să minimizeze interferența, rezultând în producerea unor fascicule rezonabile de bune, în septembrie 1942. Robert Oppenheimer și Stan Frankel au inventat shim-ul magnetic , un dispozitiv folosit pentru a regla omogenitatea unui câmp magnetic. Acestea erau foi de fier de aproximativ 1 picioare lățime care erau înșurubate în partea superioară și inferioară a rezervorului de vid. Efectul butoanelor a fost de a crește ușor câmpul magnetic în așa fel încât să ajute la focalizarea fasciculului de ioni. Lucrările vor continua asupra colilor până în 1943. Principalele brevete de calutron au fost Metodele și aparatele de separare a materialelor (Lawrence), colțurile magnetice (Oppenheimer și Frankel) și sistemul Calutron (Lawrence).

Burhop și Bohm au studiat ulterior caracteristicile descărcărilor electrice în câmpurile magnetice, astăzi cunoscute sub numele de difuzie Bohm . Lucrările lor cu privire la proprietățile plasmelor sub izolare magnetică ar găsi o utilizare în lumea postbelică în cercetarea fuziunii nucleare controlate . Alte probleme tehnice erau mai banale, dar nu mai puțin importante. Deși grinzile au avut o intensitate redusă, ele puteau, timp de multe ore de funcționare, să topească totuși colectoarele. Prin urmare, a fost adăugat un sistem de răcire a apei la colectoare și căptușeala rezervorului. Au fost dezvoltate proceduri pentru curățarea „gunkului” care s-a condensat în interiorul rezervorului de vid. O problemă specială a fost blocarea fantei de „crud”, care a făcut ca fasciculele de ioni să piardă focalizarea sau să se oprească complet.

Chimiștii au trebuit să găsească o modalitate de a produce cantități de tetraclorură de uraniu ( UCl
₄ ) din oxid de uraniu . (Nier a folosit bromură de uraniu.) La început, l-au produs folosind hidrogen pentru a reduce trioxidul de uraniu ( UO
₃ ) la dioxid de uraniu ( UO
₂ ), care a reacționat apoi cu tetraclorură de carbon ( CCl
₄ ) pentru a produce tetraclorură de uraniu. Charles A. Kraus a propus o metodă mai bună pentru producția pe scară largă, care implica reacția oxidului de uraniu cu tetraclorură de carbon la temperatură și presiune ridicate. Aceasta a produs pentaclorură de uraniu ( UCl
₅ ) și fosgen ( COCl
₂ ). Deși nu este nici pe departe atât de urât ca hexafluorura de uraniu utilizată în procesul de difuzie gazoasă, tetraclorura de uraniu este higroscopică , astfel încât lucrul cu acesta a trebuit să fie întreprins în cutii de mănuși care au fost menținute uscate cu pentoxid de fosfor ( P
₄ O
₁₀ ). Prezența fosgenului, un gaz letal, a cerut ca chimiștii să poarte măști de gaz la manipulare.

Din cei 19,6 milioane de dolari cheltuiți pentru cercetarea și dezvoltarea procesului electromagnetic, 18 milioane de dolari (92 la sută) au fost cheltuiți la Laboratorul de radiații din Berkeley, iar lucrările ulterioare au fost efectuate la Universitatea Brown , Universitatea Johns Hopkins și Universitatea Purdue și de către corporația Tennessee Eastman . În cursul anului 1943, accentul s-a mutat de la cercetare la dezvoltare, inginerie și formarea lucrătorilor pentru a opera instalațiile de producție de la Clinton Engineer Works din Oak Ridge, Tennessee . Până la mijlocul anului 1944, la Laboratorul de radiații lucrau aproape 1.200 de persoane.

Proiecta

O mare parte din marile progrese în procesul electromagnetic pot fi atribuite stilului de conducere al lui Lawrence. Îndrăzneala, optimismul și entuziasmul lui erau contagioase. Personalul său a depus ore lungi, iar administratorii Universității din California au făcut feluri de birocrație, deși nu știau despre ce este proiectul. Oficialii guvernamentali au început să vadă dezvoltarea bombelor atomice la timp pentru a afecta rezultatul războiului ca pe o posibilitate reală. Vannevar Bush , directorul OSRD, care supraveghea proiectul, a vizitat Berkeley în februarie 1942 și a găsit atmosfera de acolo „stimulantă” și „răcoritoare”. La 9 martie 1942, el a raportat președintelui, Franklin D. Roosevelt , că ar putea fi posibil să se producă suficient material pentru o bombă până la jumătatea anului 1943, pe baza noilor estimări de la Robert Oppenheimer că masa critică a unei sfere de uraniu pur -235 a fost între 2,0 și 2,5 kilograme.

Panouri de comandă și operatoare pentru calutroni la uzina Oak Ridge Y-12 . Operatorii, în majoritate femei, lucrau în schimburi, acoperind 24 de ore pe zi.

Experimentele cu magnetul de 184 inci au condus la construirea unui prototip calutron numit XA. Acesta conținea un magnet dreptunghiular, cu trei bobine, cu un câmp orizontal în care rezervoarele de calutron puteau sta unul lângă altul, cu patru rezervoare de vid, fiecare cu o sursă dublă. La reuniunea din 25 iunie 1942 a Comitetului Executiv S-1, care a înlocuit Comitetul S-1 pentru Uraniu din 19 iunie, a existat o propunere de construire a instalației electromagnetice de la Oak Ridge, unde ar fi amplasate celelalte facilități ale Proiectului Manhattan , din motive de economie și securitate. Lawrence a depus o obiecție din cauza dorinței sale de a avea instalația de separare electromagnetică mult mai aproape de Berkeley. Zona barajului Shasta din California a rămas în curs de examinare pentru instalația electromagnetică până în septembrie 1942, moment în care Lawrence a renunțat la obiecții. Reuniunea din 25 iunie a desemnat, de asemenea, Stone & Webster ca principalul contractor pentru proiectare și inginerie.

Armata și-a asumat responsabilitatea Proiectului Manhattan la 17 septembrie 1942, cu generalul de brigadă Leslie R. Groves, Jr. , în calitate de director, deși Armata nu a preluat formal contractele cu Universitatea din California de la OSRD până la 1 mai 1943. Maiorul Thomas T. Crenshaw, Jr., a devenit inginer de zonă din California în august 1942, cu căpitanul Harold A. Fidler , care l-a înlocuit în curând, ca asistent al acestuia. Crenshaw și-a stabilit biroul în Laboratorul Donner de la Universitatea din California. În septembrie 1942, Comitetul Executiv S-1 a recomandat construirea unei fabrici pilot cu cinci tancuri împreună cu o secțiune de 200 de tancuri a unei fabrici de producție.

Între octombrie 1942 și noiembrie 1943, Groves a efectuat vizite lunare la Laboratorul de radiații din Berkeley. Rapoartele au indicat că, comparativ cu alternativele unei instalații de difuzie gazoasă sau a unui reactor nuclear care produce plutoniu , o centrală electromagnetică ar dura mai mult și ar necesita materiale mai puține pentru a construi și ar avea nevoie de mai multă forță de muncă și mai multă energie electrică pentru a funcționa. Prin urmare, costul unui kilogram de material fisibil ar fi mult mai mare. Pe de altă parte, în timp ce procesele alternative se confruntau încă cu obstacole tehnice considerabile, procesul electromagnetic s-a dovedit că funcționează și ar putea fi construit în etape care ar începe imediat să producă material fisibil. Groves a anulat fabrica pilot pe 14 noiembrie, în favoarea continuării imediată a fabricii de producție.

Laboratorul de radiații a transmis proiectelor preliminare pentru o fabrică de producție către Stone & Webster înainte de sfârșitul anului, dar o problemă importantă a rămas nesoluționată. Oppenheimer a susținut că uraniul pentru arme ar trebui să fie 90% pur uraniu-235. Edward Lofgren și Martin Kamen au crezut că acest lucru nu se poate realiza fără o a doua etapă de îmbogățire. Cele două etape au devenit cunoscute sub numele de Alpha și Beta. În martie 1943, Groves a aprobat construirea a cinci piste de curse Alpha și două Beta. În septembrie, el a autorizat încă patru piste de curse Alpha, care au devenit cunoscute sub numele de Alpha II, împreună cu încă două piste de curse Beta pentru a-și prelucra produsul.

Constructie

Planta electromagnetică Y-12

Construcția instalației electromagnetice de la Oak Ridge, denumită în cod Y-12 , a început la 18 februarie 1943. Facilitatea va cuprinde în cele din urmă nouă clădiri majore de proces și alte 200 de structuri care acoperă aproape 80 de acri (32 ha) de suprafață. Situl de 825 de acri (334 ha) din Valea Bear Creek, la sud-vest de orașul Oak Ridge, a fost selectat în speranța că liniile de creastă din jur ar putea conține o explozie majoră sau un accident nuclear. Probleme cu substratul au impus echipajelor de excavare să efectueze mai multe sablări și săpături pentru a oferi fundații adecvate pentru mașinile grele din instalații.

Consumabile și materiale de tot felul turnate în: 2.157 încărcături de echipamente electrice, 1.219 de echipamente grele, 5.389 de cherestea, 1.407 de țevi și fitinguri, 1.188 de oțel, 257 de supape și 11 de electrozi de sudură. Hipodromele au necesitat 85.000 de tuburi de vid . Acolo unde a fost posibil, s-au folosit componente de pe raft, dar toate prea multe componente ale calutronilor au fost unice. Au fost înființate două departamente de achiziții, unul în Boston lângă Stone & Webster pentru echipamente de instalații, iar celălalt la Oak Ridge pentru materiale de construcții.

Inginerul șef al districtului Manhattan, colonelul James C. Marshall și adjunctul său, locotenent-colonelul Kenneth D. Nichols , au descoperit că procesul de separare a izotopilor electromagnetici ar necesita 5.000 de tone scurte (4.500 tone) de cupru , care era în cantitate disperată . Cu toate acestea, și-au dat seama că argintul poate fi înlocuit, într-un raport de 11:10. La 3 august 1942, Nichols s-a întâlnit cu subsecretarul trezoreriei , Daniel W. Bell , și a cerut transferul de lingouri de argint de la West Point Bullion Depository . Nichols a reamintit ulterior conversația:

El a explicat procedura de transfer a argintului și a întrebat: "De cât ai nevoie?" I-am răspuns: „Șase mii de tone”. "Câte uncii de troy este asta?", A întrebat el. De fapt, nu știam cum să convertesc tone în uncii de troy și nici el. Un pic nerăbdător, am răspuns: "Nu știu de câte uncii de troy avem nevoie. dar știu că am nevoie de șase mii de tone - aceasta este o cantitate certă. Ce diferență are modul în care exprimăm cantitatea? "El a răspuns destul de indignat:„ Tinere, s-ar putea să te gândești la argint în tone, dar Trezoreria se va gândi întotdeauna la argint în uncii de troi ".

În cele din urmă, au fost folosite 14.700 de tone scurte (13.300 de tone; 430.000.000 de uncii de argint) de argint, atunci în valoare de peste 1 miliard de dolari. Nichols trebuia să furnizeze o contabilitate lunară Trezoreriei. Barele de argint de 1.000 de uncii (31 kg) au fost duse sub pază la Defense Plant Corporation din Carteret, New Jersey , unde au fost aruncate în bucăți cilindrice, apoi la Phelps Dodge din Bayway, New Jersey , unde au fost extrudate în benzi de 0,625 inci (15,9 mm) grosime, 3 inci (7,6 cm) lățime și 40 picioare (12 m) lungime. Aproximativ 258 de încărcături au fost expediate sub gardă pe cale ferată către Allis-Chalmers din Milwaukee, Wisconsin , unde au fost înfășurate pe bobine magnetice și sigilate în carcase sudate. În cele din urmă, s-au mutat cu vagoane plate nepăzite la Clinton Engineer Works. Acolo au fost instituite proceduri speciale pentru manipularea argintului. Când au trebuit să facă găuri în el, au făcut-o peste hârtie, astfel încât să poată fi colectate piliturile. După război, toate utilajele au fost demontate și curățate, iar pardoselile de sub utilaje au fost smulse și arse pentru a recupera cantități mici de argint. În cele din urmă, s-a pierdut doar 1 / 3.600.000. În mai 1970, ultimele 67 de tone scurte (61 tone; 2.000.000 uncii de argint) de argint au fost înlocuite cu cupru și returnate Trezoreriei.

Cursa Alpha I. Calutronele sunt situate în jurul inelului.

Hipodromul XAX cu două tancuri și trei bobine a fost gata să instruiască lucrătorii în august 1943. Au fost descoperite erori, dar nu au fost urmărite agresiv. Prima construcție a procesului Alpha, 9201-1, a fost finalizată la 1 noiembrie 1943. Când prima pistă de curse a fost lansată pentru testare conform programului în noiembrie, rezervoarele de vid de 14 tone s-au strecurat din aliniament cu până la 8 inci (8 cm) ) din cauza puterii magneților și a trebuit să fie fixat mai sigur. O problemă mai gravă a apărut atunci când bobinele magnetice au început să se scurteze. În decembrie, Groves a comandat deschiderea unui magnet, iar înăuntru s-au găsit mână de rugină. Umiditatea era, de asemenea, o problemă de la sine, la fel ca și înfășurarea firului, care era prea strâns. Groves a ordonat dărâmarea pistelor de curse, iar magneții trimiși înapoi la fabrică pentru a fi curățați și rebobinați. Au fost instituite standarde rigide de pregătire și curățenie pentru a preveni reapariția acestor probleme.

Antrenamentul pentru pistele Beta s-a mutat de la XAX la pista de antrenament și dezvoltare XBX în noiembrie 1943. O a doua pistă Alpha I a devenit operațională în ianuarie 1944. Prima pistă Beta și a treia și prima pistă Alpha, acum reparate, au devenit operaționale în martie 1944, iar a patra pista de curse Alfa in aprilie 1944. O clădire a treia, 9201-3, conținea un al cincilea pistă de curse care a încorporat unele modificări, și a fost cunoscut sub numele de Alpha i de ¹ / cu ₂ . Aceasta a devenit operațională la 3 iunie 1944. Lucrările la clădirile chimice Alpha și Beta, 9202 și 9203, au început în februarie 1943 și au fost finalizate în septembrie. Lucrările la clădirea procesului Beta, 9204-1, au început în mai 1943 și erau gata de funcționare la 13 martie 1944, dar nu au fost finalizate decât în ​​septembrie 1944.

Groves a autorizat Alpha II în septembrie 1943. Aceasta a constat din două clădiri noi de proces Alpha, 9201-4 și 9201-5, o altă versiune Beta, 9204-2, o extindere a clădirii Alpha Chimie și o nouă clădire Beta Chimie, 9206. Când 9206 deschis, vechea clădire de chimie Beta, 9203, a fost transformată în laborator. Lucrările au început la noile clădiri de proces Alpha II la 2 noiembrie 1943; prima pistă de curse a fost finalizată în iulie 1944 și toate cele patru erau operaționale până la 1 octombrie 1944. Hipodromele Alpha II erau configurate într-un aspect liniar mai degrabă decât într-un oval, deși erau încă numite piste de curse. În total, au existat 864 de calutroni alfa, dispuși în nouă piste de curse de 96. Au existat doar 36 de calutroni în fiecare pistă de curse Beta, pentru un total de 288 de calutroni, deși doar 216 dintre aceștia au fost operați vreodată.

Lucrările la noua clădire de proces Beta au început la 20 octombrie 1943. Instalarea echipamentului a început la 1 aprilie 1944 și a fost gata de utilizare la 10 septembrie 1944. O a treia clădire de proces Beta, 9204-3, a fost autorizată în mai 1944 să proceseze ieșirea instalației de difuzie gazoasă K-25 . A fost finalizată la 15 mai 1945. O a patra clădire de proces beta, 9204-4, a fost autorizată la 2 aprilie 1945 și a fost finalizată până la 1 decembrie 1945. Un nou grup de clădiri alfa-chimie cunoscut sub numele de grupul 9207 a fost început în iunie 1944, dar lucrările au fost oprite în iunie 1945 înainte ca acestea să fie finalizate. Alături de aceste clădiri principale, au existat birouri, ateliere, depozite și alte structuri. Existau două centrale cu abur pentru încălzire și o centrală electrică.

Operațiuni

Hipodromul beta. Aceste piste de curse din a doua etapă erau mai mici decât piste de curse Alpha și conțineau mai puține coșuri de proces. Rețineți că forma ovală a hipodromului Alpha I a fost abandonată pentru a fi ușor de întreținut.

Hipodromele Alpha reprezentau o mărire de 24 de ori a calutronului XA care putea deține 96 de tancuri Alpha calutron. Calutronii erau în poziție verticală și dispuși unul față de celălalt în perechi de mașini interioare și exterioare. Pentru a minimiza pierderile magnetice și pentru a economisi consumul de oțel, ansamblul a fost curbat într-o formă ovală care a format o buclă magnetică închisă de 122 picioare (37 m) lungime, 77 picioare (23 m) lățime și 15 picioare (4,6 m) înaltă, în formă de pistă de curse; de unde și numele. Cele două clădiri Alpha I, 9201-1 și 9201-2, conțin fiecare câte două piste de curse, cu numai unul din Alpha I de ¹ / cu ₂ , 9201-3. Hipodromele Beta erau mai mici, de formă liniară și optimizate pentru recuperare mai degrabă decât pentru producție, cu doar 36 de coșuri de proces în loc de 96. Cele patru piste de curse Alpha II aveau, de asemenea, o configurație liniară. Au încorporat multe îmbunătățiri, cea mai importantă fiind că au patru surse în loc de doar două. De asemenea, au avut magneți și sisteme de vid îmbunătățite.

Tennessee Eastman a fost angajat să administreze Y-12 pe baza costului obișnuit plus taxă fixă, cu o taxă de 22.500 dolari pe lună plus 7.500 dolari pe pista pentru primele șapte piste și 4.000 dolari pe o pistă suplimentară. Lucrătorii au fost recrutați în zona Knoxville. Recruta tipică era o tânără, proaspăt absolventă a unui liceu local. Instruirea a fost inițial desfășurată la Universitatea din Tennessee . Antrenamentul a trecut la Berkeley din aprilie până în septembrie 1943, unde a fost efectuat pe calutronul XA și pe un model la scară 1:16 al hipodromului Alpha, apoi pe Oak Ridge când calutronul XAX a devenit disponibil. Aproximativ 2.500 de operatori ar fi necesari odată ce toate calutronele Alpha II vor fi disponibile. Salariul din Tennessee Eastman la Y-12 a crescut de la 10.000 la mijlocul anului 1944 la 22.482 în august 1945. Din motive de securitate, cursanții nu au fost informați cu privire la scopul echipamentului pe care au fost învățați să îl opereze.

Calutronele au fost inițial operate de oamenii de știință din Berkeley pentru a elimina erorile și a atinge o rată de funcționare rezonabilă. Apoi, operatorii din Tennessee Eastman au preluat conducerea. Nichols a comparat datele de producție a unităților și i-a arătat lui Lawrence că tinerele fete „hillbilly” au fost depășite de doctoratul său. Au fost de acord cu o cursă de producție și Lawrence a pierdut, un impuls moral pentru „ Calutron Girls ” (numite la acea vreme Operatori de Cubicle) și supraveghetorii lor. Femeile au fost instruite ca niște soldați să nu motiveze motivul, în timp ce „oamenii de știință nu s-au putut abține de la investigații care consumă mult timp pentru a determina chiar și fluctuațiile minore ale cadranelor”.

Hipodromul Alpha II. Au fost patru asemenea.

Pentru o vreme, calutronii au suferit o serie de avarii debilitante și defecțiuni ale echipamentelor, exacerbate de lipsa de piese de schimb. Speră că pistele de curse Alpha II vor fi mai fiabile în curând s-au estompat, deoarece au fost afectate de eșecurile izolatorului. Aceste probleme au fost treptat depășite. Primele transporturi de uraniu îmbogățit către laboratorul Los Alamos al Proiectului Manhattan au fost efectuate în martie 1944, constând din produs Alpha îmbogățit cu 13-15% uraniu-235. Deși nu avea niciun folos într-o bombă, aceasta era necesară urgent pentru experimentele cu uraniu îmbogățit. Ultima livrare de produse Alpha a fost făcută la 11 mai 1944. La 7 iunie 1944, Y-12 a efectuat prima livrare de produse Beta de calitate pentru arme , îmbogățite până la 89% uraniu-235.

O problemă majoră a fost aceea a pierderii de materie primă și produs. Doar o parte din 5.825 din materialul furajer a devenit produs finit. Aproximativ 90% au fost împrăștiate peste sticle de alimentare sau rezervoare de vid. Problema a fost deosebit de acută cu hrana îmbogățită a calutronilor beta. S-au făcut eforturi extraordinare pentru recuperarea produsului, inclusiv arderea căptușelilor receptorului de carbon pentru a recupera uraniul din ele. În ciuda tuturor, s-au pierdut aproximativ 17,4% din produsul Alpha și 5,4% din produsul Beta. Frank Spedding de la Laboratorul Ames al Proiectului Manhattan și Philip Baxter de la Misiunea Britanică au fost trimiși să consilieze îmbunătățirile metodelor de recuperare. Moartea unui muncitor din cauza expunerii la fosgen a determinat, de asemenea, căutarea unui proces de producție mai sigur.

În februarie 1945, materialul furajer ușor îmbogățit cu 1,4% uraniu-235 a început să sosească din fabrica de difuzie termică lichidă S-50 . Expedierile de produse de la S-50 au fost întrerupte în luna aprilie. Produsul S-50 a fost alimentat în K-25. În martie 1945, Y-12 a început să primească furaje îmbogățite la 5% din K-25. Producția acestor plante a fost sub formă de hexafluorură de uraniu ( UF
₆ ). A fost transformat în trioxid de uraniu, care apoi a intrat în procesul obișnuit de conversie în tetraclorură de uraniu. La 5 august 1945, K-25 a început să producă furaje îmbogățite la 23%, suficient pentru a fi hrănite direct în hipodromele Beta. Produsul Alpha rămas a fost apoi alimentat în K-25. Până în septembrie 1945, calutronii producuseră 88 de kilograme de produs, cu o îmbogățire medie de 84,5 la sută, iar pistele de curse Beta au dat alte 953 de kilograme îmbogățite la 95 la sută până la sfârșitul anului. Uraniul îmbogățit din calutroni a furnizat componenta fisibilă a bombei atomice Little Boy folosită în bombardamentul atomic de la Hiroshima în august 1945.

Odată cu războiul încheiat, pistele Alpha au început să suspende operațiunile la 4 septembrie 1945 și au încetat complet operațiunile la 22 septembrie. Ultimele două piese beta au intrat în funcțiune completă în noiembrie și decembrie 1945, procesând furajele de la K-25 și de la noua instalație de difuzie gazoasă K-27. Până în mai 1946, studiile au sugerat că plantele cu difuzie gazoasă ar putea îmbogăți pe deplin uraniul singure, fără a crea accidental o masă critică. După ce un proces a demonstrat că acesta era cazul, Groves a ordonat închiderea tuturor pistelor Beta, cu excepția unei singure, în decembrie 1946.

Costul total al proiectului electromagnetic până la sfârșitul Proiectului Manhattan la 31 decembrie 1946 a fost de 673 milioane dolari (echivalentul a 8,82 miliarde dolari în 2019).

Ani postbelici

Forța de muncă de pe Y-12 a scăzut de la un vârf de război de 22.482 pe 21 august 1945 la mai puțin de 1.700 în 1949. Toate calutronele au fost îndepărtate și demontate, cu excepția pistelor de antrenament XAX și XBX din clădirea 9731 și a pistelor de curse Beta 3 din Clădirea 9204–3. În 1947, Eugene Wigner , directorul Laboratorului Național Oak Ridge (ORNL), a cerut Comisiei de Energie Atomică permisiunea de a utiliza calutronii Beta pentru a produce izotopi pentru experimentele de fizică. Permisiunea a fost acordată și a fost produsă o gamă largă de izotopi. Litiu-6 din calutronii Beta a fost folosit pentru cercetarea armelor termonucleare . Mulți alți izotopi au fost folosiți în scopuri științifice și medicale pașnice. Hipodromele Beta 3 au fost transferate către ORNL în martie 1950. Până la mijlocul anilor 1950, calutronele Beta au produs cantități din toți izotopii stabili naturali, cu excepția celor de osmiu , care a trebuit să aștepte până în aprilie 1960. Calutronii au continuat să producă izotopi până în 1998. Începând cu 2015, ei sunt încă în așteptare.

La fel ca Statele Unite, Uniunea Sovietică (URSS) a efectuat cercetări privind tehnologiile multiple de îmbogățire pentru proiectul sovietic de bombă atomică . Un proces electromagnetic de încercare a fost efectuat în 1946 cu un calutron folosind un magnet preluat din Germania. A fost ales un loc pentru o centrală electromagnetică la Sverdlovsk-45 în 1946. Fabrica pilot, cunoscută sub numele de Plant 418, a fost finalizată în 1948. A fost dezvoltat un design mai eficient în care grinzile de particule erau îndoite cu 225 ° în loc de 180 ° ca în calutronul american. A fost folosit pentru a finaliza procesul de îmbogățire a uraniului după ce au fost întâmpinate dificultăți tehnice în procesul de difuzie gazoasă. Uraniu îmbogățit cu aproximativ 40% uraniu-235 a fost adus la Sverdlovsk-45 pentru îmbogățirea finală între 92 și 98%. După ce problemele cu procesul de difuzie gazoasă au fost rezolvate în 1950, s-a decis să nu se procedeze la o instalație electromagnetică la scară completă. Începând din 2009, acesta rămâne operațional. În 1969, un calutron de cercetare cunoscut sub numele de S-2 a fost construit la Arzamas-16 pentru separarea de înaltă eficiență a izotopilor elementelor grele, cum ar fi plutoniul.

În 1945, proiectul britanic al bombei atomice a construit un calutron de 180 °, similar în design cu un calutron Beta american, la Atomic Energy Research Establishment din Harwell, Oxfordshire . Datorită succesului fabricii de difuzie gazoasă de la Capenhurst , separarea electromagnetică nu a fost urmărită de Regatul Unit, iar calutronul a fost utilizat pentru separarea izotopilor pentru cercetare. Designul la 180 ° nu a fost ideal în acest scop, astfel încât Harwell a construit un calutron de 90 °, HERMES, „Elementele grele și separatorul electromagnetic de materiale radioactive”. A fost inspirat de separatoarele franceze SIDONIE și PARIS de la Laboratoire René Bernas de la Universitatea Paris IX din Orsay și de PARSIFAL la laboratorul de cercetare militară al Comisariatului pentru energie electrică și alternative energetice din Bruyères-le-Châtel . Israelul, Japonia și Franța au construit, de asemenea, unele calutroni de cercetare, inclusiv separatoarele SOLIS și MEIRA de la Centrul de cercetare nucleară Soreq . Există , de asemenea , CERN e izotopice de separare Detector On-Line (ISOLDE), care a fost construit în anul 1967. Patru cercetare și producție calutrons au fost construite la China Institutul de Energie Atomică de la Beijing de proiectare identice cu cele ale URSS la începutul anilor 1960 . Un calutron de la Institutul de Fizică Nucleară Saha de la Bidhan Nagar din India a fost folosit pentru a produce plutoniu pentru primul test nuclear din India din 18 mai 1974.

După războiul din 1990-1991 din Golf , UNSCOM a stabilit că Irakul a urmărit un program de calutron pentru îmbogățirea uraniului. Irakul a ales să dezvolte procesul electromagnetic peste metode mai moderne, economice și eficiente de îmbogățire, deoarece calutronele erau mai ușor de construit, cu mai puține provocări tehnice, iar componentele necesare pentru a le construi nu erau supuse controlului exporturilor. La momentul descoperirii programului, Irakul era estimat la doi sau trei ani distanță de a produce suficient material pentru armele nucleare. Programul a fost distrus în războiul din Golf. În consecință, Grupul de Furnizori Nucleari a adăugat echipamentul de separare electromagnetică la liniile directoare pentru transferurile de echipamente, materiale și tehnologii cu dublă utilizare în domeniul nuclear.

Note

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe

• Medii legate de Calutron la Wikimedia Commons