Опытная установка на Клинтонском механическом заводе в Ок-Ридже (штат Теннеси)
<- | Страница 129 | ->
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.
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.
7.31. Очевидно, что количество плутония в нормально работающей установке возрастает с временем работы. Поскольку
<- | Страница 130 | ->
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.
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.
<- | Страница 131 | ->
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.
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 ураня. 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).
7.37. Очевидно, даже в том случае, когда уран был оставлен в котле до тех пор, пока весь
<- | Страница 132 | ->
его после извлечения плутония. Вначале такая регенерация не имелась в виду, а предполагалось лишь сохранение раствора урана. Позже был разработан промышленный метод регенерации.
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.
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.
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.
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-)
<- | Страница 133 | ->
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.
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.
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.
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
<- | Страница 134 | ->
работы установки требовались гораздо большие сведения, чем те, которые были в нашем распоряжении. Поэтому одновременно с проектированием и постройкой должны были проводиться и исследования.
7.46. В связи с необходимостью развития научных и технических исследований для Металлургической и Клингонской 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.
<- | Страница 135 | ->
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 попрежнему 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.
<- | Страница 136 | ->
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.
<- | Страница 137 | ->
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.
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
<- | Страница 138 | ->
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.
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, постоянней 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.
<- | Страница 139 | ->
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.
Опытная установка на Клинтонском механическом заводе в Ок-Ридже (штат Теннеси)
Один из цехов Клинтонского механического завода в Ок-Ридже (штат Теннеси)