Атомная энергия для военных целей

Смит Генри Деволф

11.7. Вначале было рассмотрено большое количество различных методов и проведено много очень важных экспериментальных исследований. Основные усилия, однако, вскоре были направлены на улучшение калютрона для получения большого коэффициента разделения и большого тока в пучке положительных ионов.

НЕОТЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ

11.8. Из трех очевидных ограничений, описанных в первом параграфе, трудности получения ионов, ограниченного относительного количества действительно используемых ионов и влияния объемного заряда — только последнее удалось устранить сразу. Оказалось, что объемный заряд в области пучка положительных ионов может быть нейтрализован в весьма значительной степени. Таким образом, неотложными задачами остались источник ионов большой производительности и более полное использование ионов.

11.9. Факторов, управляющих эффективностью источника ионов, много. Сюда входят как устройство самого источника, так и способы, с помощью которых из него извлекают ионы. Проблемы, подлежащие разрешению, не могут быть формулированы просто и должны быть решены в значительной степени эмпирическими методами. Если

бы даже соображения секретности и позволяли произвести описание бесчисленных форм источников ионов и ускоряющих систем, которые были испытаны, подобное описание было бы слишком узко специальным, чтобы приводить его здесь.

11.10. Обращаясь к проблеме более полного использования ионов, мы должны детально рассмотреть принципы работы калютрона. Калютрон основан на том, что однократно заряженные ионы, движущиеся в однородном магнитном поле, перпендикулярном к направлению их движения, описывают круговые траектории с радиусами, пропорциональными их количествам движения.

Рис. 6.

Рассмотрим теперь поведение ионов одного определенного изотопа. Ионы, которые прошли через две щели и попали в эвакуированную область, где на них действует магнитное поле, не следуют все по одному единственному направлению, но имеют различные начальные направления, лежащие внутри малого угла (рис. 6). Величина этого угла зависит от ширины щелей. Траектории всех ионов рассматриваемого изотопа представляют собою окружности одного и того же диаметра. Поэтому ионы, начавшие двигаться по слегка различным направлениям, после прохождения полуокружности почти в точности снова собираются вместе. Именно у этого положения вторичного схождения ионов расположен коллектор. Ионы другого изотопа (например, ионы с атомным весом 238 вместо 235) ведут себя подобным же образом, за исключением того, что следуют по окружностям несколько отличного диаметра. Оба изотопа улавливаются коллекторами, находящимися в соответственных местах схождения ионов. Использование большего относительного количества ионов, образующихся в источнике, можно осуществить простым увеличением щелей. Но значительно расширять щели без потери остроты фокуса у места схождения не легко. В действительности, использование ионов может быть улучшено только применением тщательно подобранного местного изменения силы магнитного поля. К счастью, такие изменения осуществляются успешно.

11.11. Другой проблемой, не такой неотложной, но тем не менее важной для любой производственной установки, является возможно более эффективное использование магнитного поля. Так как большие электромагниты дороги как в постройке, так и в эксплоатации, было естественно рассмотреть использование одного и того же магнитного поля для нескольких пучков ионов. Практическая реализация такой экономичной схемы стала главной задачей лаборатории.

ГИГАНТСКИЙ МАГНИТ

11.12. Хотя масштаб разделения, достигнутый к марту 1942 г., во много раз превышал все, что удавалось получать раньше с помощью электромагнитных масс-сепараторов, он был еще очень далек от того, что требуется для производства вещества в количестве, имеющем военное значение. Однако, задачу нужно было решить именно в большом масштабе. С помощью 37-дюймового циклотронного магнита можно было получать полезные сведения, но, вместе с тем, было желательно использовать оборудование большего масштаба. К счастью, в Беркли изготовлялся очень большой магнит, предназначенный для гигантского циклотрона. Этот магнит с диаметром полюсов в 184 дюйма и расстоянием между полюсами в 72 дюйма был наибольшим из существующих. Работа над ним была прервана войной, но она была уже достаточно продвинута, так что могла бы быть окончена в течение немногих месяцев при наличии соответствующей субсидии. Не только сам магнит, но все вспомогательные здания, лаборатории, цехи и т. д. идеально подходили для постройки калютрона. Разумеется, работа над гигантским магнитом была продолжена, и он был готов к концу мая 1942 г. (Постройка гигантского циклотрона была предпринята на частные средства, отпущенные Рокфеллеровским фондом. Для быстрого осуществления постройки требовалась сверхурочная работа с дополнительными расходами. Чтобы покрыть эти затраты, Рокфеллеровский фонд сделал дополнительные ассигнования.).

ПОЛОЖЕНИЕ К СЕНТЯБРЮ 1943 г

11.13. Первые эксперименты, в которых был использован 37-дюймовый магнит, были описаны в предыдущем параграфе. Дальнейшее развитие продолжалось в основном по двум направлениям: постройка и монтаж технической разделительной установки с 37-дюймовым магнитом и проектирование и постройка экспериментальных разделительных установок с большим магнитом.

11.14. Кроме постепенного увеличения силы ионного тока и коэффициента разделения, что являлось результатом ряда усовершенствований источника ионов и ускоряющей системы, летом 1942 г. в опытах с гигантским магнитом было достигнуто многообещающее улучшение в использовании ионов. Оказалось возможным осуществлять более чем один ионный пучок в одной и той же разделяющей магнитной области. Однако, эксперименты, связанные с этой последней проблемой, встретили ряд трудностей. Оказалось, что существуют ограничения как в количестве источников и приемников, которые можно поместить в одной и той же установке, так и в силе тока, который может быть использован в каждом пучке без ухудшения разделения.

11.15. Очевидно, что для получения такого количества продукции, которое имеет военное значение, требуется много разделительных установок. Поэтому были изучены различные системы объединения групп установок в экономические аггрегаты. Была разработана схема, которая была использована в дальнейшем на действующих

заводах и оказалась удовлетворительной.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

11.16. К сентябрю 1942 г. как газовая диффузия, так и центробежный способ разделения изотопов уже интенсивно изучались, и притом в течение более длительного периода, чем электромагнитный метод. Оба эти метода — газовая диффузия и центрифуга казались пригодными для промышленного производства U-235, но требовали для успешного заводского разделения сотен ступеней. В действительности, значительных количеств U-235 получено не было. Промышленной установки для производства плутония также не было, и еще не была доказана возможность получать саморазвивающуюся цепную реакцию, необходимую для производства плутония. Но в случае электромагнитного метода, после успешного отделения количеств порядка миллиграмма, уже не возникали вопросы об осуществимости поставленной задачи с научной точки зрения. Если одна установка могла разделить 10 мг в день, 100 000 000 установок могли разделить одну тонну в день. Вопрос был в стоимости и во времени. Каждая установка должна была представлять собою сложное электромагнитное устройство, требующее высокого вакуума, высокого напряжения и сильных магнитных полей. Кроме того, прежде чем строить большие промышленные аггрегаты, нужно было произвести исследовательскую и техническую разработку широкого масштаба. Требовалось также привлечь большое количество высококвалифицированных работников. В то время все это казалось очень дорогим, но вместе с тем представлялось надежным и относительно быстро выполнимым. Малые размеры отдельных установок давали то преимущество, что разработка могла продолжаться; нововведения могли быть сделаны в процессе постройки или, в известных пределах, после постройки, а производительность могла быть всегда увеличена постройкой новых установок.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

11.17. Не располагая еще полными научными и техническими данными по всем методам и твердыми оценками стоимости, необходимо было принять решения по трем пунктам: 1) строить ли электромагнитный завод, 2) насколько большим должен быть этот завод, 3) на какой стадии разработок должен быть принят окончательный проект.

УТВЕРЖДЕНИЕ ПОСТРОЙКИ ЗАВОДА

11.18. На основании результатов, полученных из экспериментов в Беркли летом 1942 г., Исполнительный Комитет на заседании 13–14 сентября 1942 г. рекомендовал, чтобы Армия дала заказ на постройку завода электромагнитного разделения в долине Тенесси (Клинтонский механический завод). Было рекомендовано пойти на то, что этот заказ в случае необходимости может быть аннулирован на основании данных, которые могут быть получены позднее. Была признана желательной постройка опытного завода в долине Тенесси в возможно более короткое время. (Эти рекомендации впоследствии были отменены, и опытный завод не был построен). Постройка производственной установки была утверждена генералом Гроувзом 5 ноября 1942 г. с условием, чтобы немедленно было прекращено проектирование опытной установки.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА

11.19. При описании производства плутония мы рассмотрели разделение обязанностей между Металлургической лабораторией и фирмой Дюпон. Организация проектирования и строительства завода электромагнитного разделения была основана на несколько ином принципе. Обязанности были распределены между шестью основными группами. Лаборатории излучения Калифорнийского университета были поручены исследования и техническая разработка; фирме Westinghouse Electric and Manufacturing Co. — производство механических частей источников, приемников, насосов, камер и т. д.; фирме General Electric Co. — электрическое оборудование и приборы управления; фирме Allis-Chalmers Co. — магниты; фирме Stone and Webster Engineering Co. — постройка и монтаж и фирме Tennessee Eastman Co. — эксплоатация. Все пять фирм держали группы своих инженеров в Беркли, благодаря чему осуществлялась повседневно деловая связь и взаимный контроль. Таким образом основная часть проектирования проводилась совместно, хотя детали могли быть оставлены для разработки отдельным фирмам.

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

11.20. Следует отметить тот странный факт, что хотя теория котла с саморазвивающейся цепной реакцией была хорошо разработана всего за два года, теория газового разряда, после пятидесяти лет интенсивного изучения, была все еще недостаточна для точного предсказания поведения ионов в калютроне. Количество U-235, накопленного в день, и его чистота зависят от таких факторов, как: (1) ширина, расположение и форма коллектора, (2) давление газа в магнитном пространстве, (3) напряженность и однородность магнитного поля, (4) форма и расположение определяющих щелей и ускоряющей системы, (5) ускоряющее напряжение, (6) размеры и форма щелей в дуговом источнике ионов, (7) ток дуги, (8) положение дуги внутри дуговой камеры, (9) давление пара в дуговой камере, (10) химическая природа пара. Для систематического изучения совместного действия всех этих факторов времени не было. Разработку приходилось вести в значительной мере по интуиции. Необходимо было изучить большое число разнообразных явлений и хотя бы частично их истолковать. Затем опыт, накопленный группой, и приобретенное «ощущение» проблемы нужно было превратить в конкретные проекты и указания.

НЕОБХОДИМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

11.21. (а) Число ступеней. Как и во всех методах, приходилось искать компромисс между производительностью и коэффициентом разделения. В электромагнитной системе коэффициент разделения много выше, чем в других системах, так что необходимое количество ступеней мало. Вначале казалось возможным ограничиться одной ступенью, но уже первые исследования показали, что попытки повысить коэффициент разделения настолько, чтобы достаточно было одной ступени, приводили к снижению выхода до практически неприемлемой величины.