<- | Страница 119 | ->
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
7.2. Прежде всего необходимо было определить требуемые масштабы производства. По соображениям секретности принятые цифры не могут быть здесь названы. Они очень велики.
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
<- | Страница 120 | ->
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.
7.4. Как только было решено приступить к промышленному производству плутония, появилась необходимость в значительном организационном расширении. Вскоре после того, как Манхэттекский 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, вс-первых, Военное министерство
<- | Страница 121 | ->
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
<- | Страница 122 | ->
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.
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 Тенессн, 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
<- | Страница 123 | ->
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.
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
<- | Страница 124 | ->
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.
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
<- | Страница 125 | ->
(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.
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.
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
<- | Страница 126 | ->
с выгруженным ураном должны были производиться при помощи управления на расстоянии из-за защитного укрытия.
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.
<- | Страница 127 | ->
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.
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.
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.
<- | Страница 128 | ->
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.
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