Один из цехов Хэнфордского механического завода вблизи Паско (штат Вашингтон)
<- | Страница 152 | ->
к биологическому действию излучений. Была предусмотрена большая лаборатория для химических анализов, для изыскания способов очистки, изучения продуктов деления, для разработки в полузаводских масштабах процессов выделения и очистки и т.д. Позднее была построена "горячая лаборатория", т.е. лаборатория высоко-радиоактивных веществ с управлением на расстоянии. Имелись также инструментальная мастерская и лаборатория, использовавшиеся весьма активно. Кроме того, были созданы условия для клинической и экспериментальной работы секции охраны здоровья. оказавшейся весьма деятельной. Имелась еще небольшая физическая лаборатория, где производились некоторые важные работы с применением нейтронов большей интенсивности, чем те, которые были в распоряжении Аргоннской лаборатории. Главными сооружениями, построенными на участке Клинтонской лаборатории, были котел и установка для химического разделения, вкратце описанные ниже.
8.36. Для любого непрерывно действующего котла эффективный коэффициент размножения k должен равняться единице при любой мощности котла. Наилучшее значение k∞, наблюдавшееся в урано-графитовой решетке, не может быть достигнуто в котле на практике, вследствие ухода нейтронов через поверхность, влияния системы охлаждения, цилиндрических каналов для урана и защитного покрытия урана и других второстепенных факторов. Исходя из воздушного охлаждения и максимальной допустимой температуры поверхности урана, размеры котла необходимо было выбрать так, чтобы он мог давать 1000 kW. Эффективное значение k должно падать с повышением температуры, однако, не настолько, чтобы влияние температуры было определяющим фактором. Хотя идеальной геометрической формой для котла был бы шар, но из практических соображений рекомендуется форма прямоугольного блока.
8.37. Клинтонский котел представляет собой графитовый куб, имеющий внутри горизонтальные каналы, заполненные ураном. Уран имеет форму металлических цилиндров, защищенных газонепроницаемыми алюминиевыми оболочками. Урановые цилиндрические стержни (или блоки) могут вдвигаться в каналы, причем в
<- | Страница 153 | ->
каналах оставлены зазоры для потока охлаждающего воздуха и для выталкивания урановых стержней через заднюю стену котла, когда они готовы к переработке. Помимо этих каналов в котле имеются еще другие сквозные отверстия для стержней управления, измерительных приборов и пр.
8.38. Клинтонский котел был значительно больше, чем первый котел в Чикаго (см. главу VI). Но более существенны, чем его увеличенные размеры, были система охлаждения, более массивные экранирующие щиты и приспособления для смены урановых стержней. Производительность клинтонской установки соответствовала мощности котла в 1000 kW.
8.39. Инструментальная часть и приборы управления в основных чертах тождественны с соответствующим оборудованием первого котла. Интенсивность нейтронов в котле измеряется ионизационной камерой с BF3 и регулируется с помощью стержней из бористой стали, которые могут вдвигаться и выдвигаться из котла, благодаря чему изменяется та доля общего числа нейтронов, которая вызывает деление.
8.40. Несмотря на внушительное оснащение множеством инструментов и предохранительных приспособлений, наиболее поразительная черта этого котла простота в обращении с ним. Большую часть времени обслуживающему персоналу нечего делать, кроме записи показаний различных измерительных приборов.
8.41. Здесь, как и в Хэнфорде, для процессов, связанных с плутонием, применяется управление на расстоянии, позади толстых экранирующих щитов. Оборудование для операций разделения заключено в ряд смежных камер, окруженных массивными бетонными стенами. Эти камеры образуют непрерывную структуру (каньон), длиной около 100 футов, на две трети зарытую в землю. К каньону примыкают помещения для управления, лаборатории для анализа, а также лаборатория для дальнейшей очистки плутония, после того как он освобожден от примесей до состояния относительной безопасности.
8.42. Урановые стержни, применявшиеся в работе котла, переносятся под водой к первой из камер и затем растворяются.
<- | Страница 154 | ->
Дальнейшие операции производятся путем перекачивания растворов или шлама из одной камеры или центрифуги в другие.
8.43. Клинтонский котел начал работать 4 ноября 1943 г. и в течение нескольких дней его мощность достигла 500 kW при максимальной температуре поверхностей урановых стержней в 110°C. Улучшение циркуляции воздуха и повышение максимальной температуры поверхности урана до 150°C подняли мощность, приблизительно, до 800 kW; на этом уровне она и держалась до весны 1944 года. После этого было изменено расположение урана с таким расчетом, чтобы выравнять распределение мощности в котле путем уменьшения количества металла вблизи центра котла, по сравнению с более далекими от центра частями; это позволяет увеличить среднюю мощность котла без местных чрезмерных повышений температуры. В то же время была повышена герметичность оболочек урановых стержней, что позволило котлу работать при более высокой температуре. В результате, в мае 1944 г. была достигнута мощность в 1800 kW, увеличенная в дальнейшем еще более после установки в июне лучших вентиляторов.
8.44. Таким образом, качество работы котла в июне 1944 г. значительно превысило все ожидания. В отношении легкости управления, устойчивости работы и отсутствии опасных излучений котел оказался в высшей степени удовлетворительным. Было лишь немного неполадок, которые можно отнести за счет ошибок в конструкции или в постройке.
8.45. Сам по себе котел был прост как по принципу действия, так и на практике. Не так обстояло дело с установкой по выделению плутония. Переход от первого котла с цепной реакцией к клинтонскому котлу можно было с достаточным основанием предсказать заранее. Гораздо более значительный переход по величине и по неопределенности необходимо было сделать для процесса разделения, так как клинтонская разделительная установка проектировалась на базе экспериментов, при которых применялись количества плутония, измерявшиеся микрограммами.
8.46. Тем не менее, процесс разделения был осуществлен! Первая партия урановых стержней из котла поступила на разделительную установку 20 декабря 1943 г. К концу января 1944 г.
<- | Страница 155 | ->
уран из котла поступал на разделительную установку в количестве 1/3 тонны в сутки. К 1 февраля 1944 г. было выдано 190 мг плутония, а к 1 марта того же года было выдано уже несколько граммов. Эффективность регенерации отходов с самого начала была равна приблизительно 50%, а в июне 1944 г. она уже составляла от 80 до 90%.
8.47. В течение всего этого периода в Клинтоне большая группа химиков работала над улучшением процесса и проектировала процесс для Хэнфорда. Хэнфордская проблема отличалась от клинтонской тем, что там ожидались гораздо большие концентрации плутония. Кроме того, хотя химиков и можно было поздравить с успехом на клинтонской установке, но процесс был сложным и дорогим. Приходилось весьма и весьма добиваться улучшений в выходе или очистке или общего упрощения процесса разделения.
8.48. Помимо испытания котла и установки для выделения плутония, а также добычи нескольких граммов плутония для экспериментов в Чикаго, Клинтоне и в других местах, Клинтонские лаборатории оказались неоценимыми, как учебный и испытательный центр для Хэнфорда, для медицинских экспериментов, для изучения котла и процессов очистки, для изучения физики и химии плутония и продуктов деления.
8.49. В качестве типичных проблем, которые разрешались здесь и в Чикаго, можно указать следующие (перечисленные в одном из обычных отчетов, относящемся к маю 1944 г.):
Проблемы, завершенные в течение мая 1944 г. Поиски нового окислителя, влияние излучения на воду и водные растворы, растворимость перекиси плутония, соединения плутония, пригодные для транспортировки, распределение продуктов деления в растворах при заводском процессе, предварительный проект процесса выделения при помощи адсорбции, разработка метода адсорбции в полузаводских условиях, завершение проекта адсорбционного метода.
Новые проблемы, намеченные в мае 1944 г. Новый метод анализа плутония, влияние радиоактивного излучения на графит, улучшение выхода, исследования нового котла, регенерация урановых отходов, обрызгивание отходящих газов, удаление отходов активных растворов, оросительное охлаждение котла X, программа
<- | Страница 156 | ->
обучения количественным анализам, стандартизация методов количественного анализа, разработка методов количественного анализа, экранированная аппаратура для контрольных анализов процесса, эксперименты с камерой Вильсона, α-частицы, испускаемые ураном-235, радиальное распределение плутония, диффракция нейтронов.
8.50. Рассказ о постройке "Хэнфордского механического завода" (Hanford Engineer Works) выходит за рамки данного отчета, но будем надеяться, что полная история этого замечательного предприятия и его компаньона "Клинтонского механического завода" (Clinton Engineer Works) будет когда-либо опубликована. Местность в Хэнфорде была обследована уполномоченными генерала Гроувза и фирмы Дюпон в конце 1942 года, причем использование этого земельного участка было одобрено ген. Гроувзом после того, как он проинспектировал его лично. Участок находился на западном берегу реки Колумбия, в центре штата Вашингтон, к северу от Паско. В первые же месяцы 1943 года правительством была приобретена (на условиях аренды или покупки) полоса земли в этом районе площадью 200 кв. миль; сделка состоялась при посредстве Отдела недвижимостей Управления главного инженера. В конечном счете под правительственный контроль отошло около тысячи квадратных миль земли. В период приобретения земли там было лишь несколько ферм и две маленькие деревушки, Хэнфорд и Ричлэнд, окруженные покрытыми кустарником равнинами и бесплодными холмами.
6 апреля 1943 г. был выделен участок для строительного поселка в Хэнфорде. В 1944 году, в разгар работ, этот поселок разросся уже в город с населением в 60 000 жителей четвертый по населенности город во всем штате. В настоящее время, впрочем, этот поселок почти безлюден, так как армия рабочих размещена в Ричлэнде.
8.51. Работы по постройке первого хэнфордского производственного котла начались 7 июня 1943 г., а действовать он начал в сентябре 1944 г. Первоначально предполагалось строить на участке пять котлов, но строить начали лишь три из них. Кроме
<- | Страница 157 | ->
котлов, там имеются, конечно, установки для отделения плутония, насосные станции и водоочистительные устройства. Имеется также один котел низкой мощности для испытания материалов. Ради безопасности не только самые котлы отделены друг от друга большими пространствами (в несколько миль), но и разделительные установки расположены вдали от котлов и друг от друга. Летом 1945 года все три котла были уже в действии.
8.52. Никто из живших в Хэнфорде в период проектирования и постройки завода не забудет проблемы защиты, т.е. проблемы герметической изоляции урановых стержней, заключаемых в защитные металлические оболочки. Во время периодических поездок в Чикаго пишущий эти строки мог всегда сразу бегло оценить состояние вопроса защиты урановых стержней по атмосфере уныния или радости, царившей во всей лаборатории. Это было поистине непростое дело найти оболочку, которая защищала бы уран от коррозии под действием воды, не допускала бы проникновения в воду продуктов деления, передавала бы тепло от урана воде и не поглощала бы слишком много нейтронов. Тем не менее, порча лишь одной защитной оболочки могла привести к необходимости остановить весь котел.
8.53. Попытки удовлетворить поставленным строгим условиям вылились в экспериментальную работу над гальванопластическими процессами, над процессами покрытия путем погружения в горячий электролит, над процессами покрытия путем цементации, над антикоррозийными сплавами урана и над процессами механического покрытия защитными оболочками. Оболочки из тонкого алюминия были допустимы с точки зрения ядерной физики и уже на ранней стадии были признаны наилучшим решением вопроса. Но оказалось очень трудным получить однородный тепловой контакт между ураном и окружающим его алюминием и осуществить газонепроницаемость оболочки. Разработку различных методов пришлось проводить до последней минуты, и даже за несколько недель до срока загрузки котла урановыми стержнями не было никакой уверенности в том, что хоть один из разрабатываемых методов окажется удовлетворительным. Последнее небольшое, но очень важное, видоизменение выбранного способа
<- | Страница 158 | ->
защиты было применено в октябре 1944 г., уже после того, как первый котел начал пробную работу. Летом 1945 г. не было зарегистрировано ни одной неполадки в работе защитной оболочки.
8.54. В течение осени 1944 года и в первые месяцы 1945 года были закончены и пущены в эксплоатацию второй и третий котлы в Хэнфорде, равно как и добавочные установки по химическому разделению. Разумеется, были затруднения и здесь, однако, все страхи по поводу возможности порчи защитных оболочек, образования налетов на водопроводных трубах или влияния излучений на химические процессы оказались напрасными. Уже к началу лета 1945 года котлы работали на проектной мощности, производили плутоний и нагревали воду реки Колумбии (Фактически повышение температуры столь незначительно, что нельзя ожидать никакого влияния этого повышения на рыбу. Для полной уверенности был проведен ряд экспериментов, которые оправдали ожидания.)). Химические установки отделяли плутоний от урана и от продуктов деления даже с большей эффективностью, чем это предполагалось. Продукция выдавалась в окончательном виде. Каковы были возможности использования продукции об этом рассказано в главе XII.
8.55. В предыдущих главах уже упоминалось о преимуществах тяжелой воды в качестве замедлителя. Тяжелая вода лучше, чем графит, замедляет нейтроны и меньше, чем графит, их поглощает. Поэтому возможно построить аггрегат цепной реакции с тяжелой водой и ураном и таким образом достигнуть намного большего значения коэффициента размножения k и меньших размеров котла, чем это возможно с графитом. Но для этого нужно иметь тяжелую воду.
8.56. Весной 1943 г. в Металлургической лаборатории было решено усилить экспериментальную и вычислительную работу, посвященную котлу с тяжелой водой. Для этой цели была образована комиссия под председательством Э. Вигнера; группа под руководством Г.К. Вернона переехала из Колумбии в Чикаго.
<- | Страница 159 | ->
Общее руководство было предложено Г.Д. Смиту, только что ставшему заместителем директора Лаборатории.
8.57. Первой задачей группы было рассмотреть, как лучше всего использовать тяжелую воду, чтобы обеспечить полный успех Металлургического проекта, принимая во внимание уже утвержденную ограниченную программу производства тяжелой воды.
8.58. Выяснилось, что производство воды по этой программе столь низко, что потребовалось бы два года для выработки тяжелой воды в количестве, достаточном для котла таких размеров, которые обеспечили бы производство нужных количеств плутония. С другой стороны, тяжелой воды могло оказаться достаточно для осуществления малого, лабораторного котла, который позволил бы получить весьма ценные данные. Во всяком случае, летом 1943 г. царила столь большая неопределенность в отношении длительности войны и успеха в других частях Проекта ДСМ, что полное изучение возможностей котлов с тяжелой водой казалось желательным следовало или увеличить производственную программу или построить сравнительно небольшой котел для экспериментальных целей. В течение лета 1943 г. шло интенсивное изучение вопроса, но в ноябре было решено программу урезать, а постройку ограничить котлом на 250 kW, который должен был быть расположен в Аргонне.
8.59. Быть может самой поразительной чертой котла с ураном и тяжелой водой являются малые его размеры. Даже вместе с окружающим бетонным экраном он мал сравнительно с урано-графитовыми котлами.
8.60. К 15 мая 1944 г. аргоннский котел с ураном и тяжелой водой был готов к испытаниям. Когда урановые стержни были уже на месте, обнаружилось, что цепная реакция в котле стала развиваться уже при 3/5 номинального количества тяжелой воды. Способность к реакции у котла настолько превзошла все ожидания, что, если бы был добавлен весь остаток тяжелой воды, токотел вышел бы из под контроля системы управления. Чтобы справиться с этой неожиданной и приятной ситуацией, часть урановых стержней была удалена и были добавлены новые управляющие стержни.
<- | Страница 160 | ->
8.61. После таких изменений оказалось возможным наполнить резервуар до запланированного уровня. 4 июля 1944 г. В.Г. Цинн сообщил, что котел работал удовлетворительно при 190 kW, а 8 августа того же года он известил о работе при 300 kW.
8.62. В целом, характеристики этого котла мало отличаются от характеристик графитовых котлов соответствующих размеров. Для достижения состояния равновесия котлу необходимо несколько часов. Он обнаруживает малые (меньше 1%), но внезапные флуктуации мощности, вызванные, вероятно, пузырьками в воде. Его нельзя сразу полностью или быстро выключить, как графитовый котел, вследствие того, что запаздывающие γ-лучи освобождают из тяжелой воды добавочные нейтроны. Как и было предсказано, плотность нейтронов в центре котла велика. Экраны, щиты, управление, система охлаждения и пр. работали удовлетворительно.
8.63. Главная цель группы охраны здоровья состояла в обеспечении того, чтобы ни один из работников не пострадал серьезно от специфических опасностей предприятия. В историях болезни лиц, серьезно или смертельно пострадавших от излучения, положительно не было нужды. Успех секции охраны здоровья в разрешении этих задач был поразителен. Даже среди исследовательской группы, где осуществление профилактических мероприятий наиболее трудно, случаи хотя бы временных тяжелых поражений были чрезвычайно редки. Мероприятия по охране труда, применявшиеся во время сооружения и эксплоатации, столь значительны, что число несчастных случаев с персоналом в домашней обстановке и при автомобильных катастрофах было гораздо больше, чем при работе на производстве.
8.64. Чтобы достигнуть своих целей, группа охраны здоровья работала в трех главных направлениях:
(1) Обследование состояния здоровья перед наймом на работу и частые повторные осмотры, особенно тех лиц, которые могли подвергаться действию излучений.
(2) Установление безвредных для организма доз излучения и разработка приборов для измерения интенсивности и длительности действия излучений на персонал; советы по ограждению от
<- | Страница 161 | ->
излучений и пр.; непрерывное измерение интенсивности радиации в различных местах установки; измерение заражения излучениями одежды, лабораторных столов, отработанной воды, воздуха и пр.
(3) Проведение исследований по влиянию на людей и животных различных типов излучения и по влиянию заглатывания и вдыхания различных радиоактивных или токсических материалов, как например, продуктов деления, урана и плутония.
8.65. В качестве главного критерия того, подвергалось ли данное лицо избыточному облучению, применялся подсчет белых кровяных шариков. Наблюдался целый ряд случаев ненормально низкого их числа, и это ставилось в связь со степенью избыточности экспозиции. Лица, особенно, пострадавшие от влияния излучений, переводились на другую работу или получали кратковременный отпуск; постоянные болезненные явления не были обнаружены ни у кого.
8.66. В то же время обнаружилось, что подсчет белых кровяных шариков не является вполне надежным критерием. Опыты над животными показали, что серьезный ущерб здоровью может быть нанесен еще до того, как подсчет белых кровяных шариков укажет на опасность. Поэтому были поставлены более детально разработанные опыты по анализу крови над специально подобранными индивидуумами и животными в надежде найти средство для более раннего прогноза грозящей опасности для здоровья.
8.67. На секции охраны здоровья лежала главная ответственность за конструирование карманных приборов для определения экспозиции персонала при облучении. Первым из таких приборов был простой электроскоп, размерами и формой напоминавший вечное перо. Такие приборы электростатически заряжались каждое утро, а их показания проверялись в конце дня. Степень их разрядки указывала на общую величину ионизующего излучения, действию которого они подвергались. К сожалению, ни один из них не оказался достаточно надежным, хотя ошибка при отсчете показаний почти всегда была в нужную сторону, а именно,
<- | Страница 162 | ->
в сторону преувеличения экспозиции. В первоначальный период была установлена практика выдавать по два карманных прибора каждому, кто вступал в опасную зону. Показания записывались в момент выдачи прибора и при его возвращении. Самые приборы непрерывно, хотя и медленно, совершенствовались. Позднее секция охраны здоровья ввела в употребление "жетоны" из пленки маленькие кусочки пленки, которые периодически проявлялись и исследовались на почернение от радиации. Эти приборы для отдельных лиц были дополнительной и, вероятно, излишней предосторожностью. Постоянных экранированных укрытий одной лишь капитальной защиты было вполне достаточно. Ее действие подвергалось частой проверке при помощи стационарных или переносных приборов.
8.68. В части конструирования и применения различных приборов секция охраны здоровья работала в сотрудничестве с секцией физики. Имелся прибор, называвшийся "Снизи", для измерения концентрации радиоактивной пыли в воздухе и "Плутон" для измерения заражения α-излучающими веществами (обычно плутонием) лабораторных столов и другого оборудования. Применялись также приборы для проверки зараженности лабораторной одежды до и после стирки. У выходных дверей некоторых лабораторий висели приборы, дававшие тревожные сигналы, если мимо них проходил кто-либо, чья одежда, кожа или волосы заражены излучениями. Кроме того, производились регулярные осмотры лабораторных помещений.
8.69. Одно из производившихся исследований относилось к метеорологии. Было важно узнать, распространяются ли в Клинтоне и в Хэнфорде вместе с отходящими газами радиоактивные продукты деления в опасных концентрациях. Так как поведение этих газов сильно зависит от атмосферных условий, то в течение многих месяцев производились соответствующие исследования в местах расположения обоих заводов, после чего были установлены определенные требования к обработке отходящих газов.
8.70. Так как и объем и разнообразие видов излучения в этом предприятии совершенно беспрецедентны, то были применены все возможные меры предосторожности. Однако, для определения
<- | Страница 163 | ->
достаточности этих предосторожностей не было никаких надежных средств. Необходимо было сколь возможно пополнить прежние знания. Для этой цели был намечен и проведен ряд опытов над животными в трех главных направлениях по обширной программе: (1) облучение нейтронами и α-, β- и γ-излучением, (2) введение внутрь организма урана, плутония и продуктов деления, (3) вдыхание урана, плутония и продуктов деления. Эти эксперименты проводились в Чикаго, в Клинтоне и в Калифорнийском университете, главным образом, д-рами Колом и Гамильтоном под общим руководством д-ра Стоуна. Были получены многочисленные и ценные результаты.
8.71. Как объем книги, так и ограничения, налагаемые секретностью, не допускают детализации отчета по работе лабораторий и заводов в отношении выработки плутония.
8.72. Для работы установки основными являются два типа поглощения нейтронов: (1) поглощение ураном-235, приводящее к делению, являющееся источником новых нейтронов, и поддерживающее цепную реакцию, (2) поглощение ураном-238, приводящее к образованию плутония.
8.73. Ход ядерной цепной реакции в гетерогенном котле с графитовым замедлителем можно описать, проследив одно поколение нейтронов. Первоначальное число быстрых нейтронов немного увеличивается благодаря делениям на быстрых нейтронах, затем уменьшается ввиду резонансного поглощения в
8.74. Окончательный продукт плутоний должен быть отделен с помощью химических процессов от сравнимого с ним количества продуктов деления и от много большего количества урана. Процесс отделения, выбранный из нескольких возможных, состоит из ряда реакций, включающих осаждение с носителями, растворение, окисление и восстановление.
<- | Страница 164 | ->
8.75. Цепная реакция изучалась на котле малой мощности в Аргоннской лаборатории с начала 1943 года. Как цепная реакция, так и химические процессы отделения, исследовались также в Клинтонской лаборатории, начиная с ноября 1943 года, причем там было получено заметное количество плутония.
8.76. Постройка главной промышленной установки в Хэнфорде (шт. Вашингтон) началась в 1943 году. а первый большой котел был введен в действие в сентябре 1944 г. С лета 1945 г. работала уже вся установка, причем все котлы и химико-разделительные устройства работали лучше, чем это можно было предвидеть.
8.77. Многочисленные исследования были проведены по применению тяжелой воды в качестве замедлителя; в Аргоннской лаборатории был построен экспериментальный котел с тяжелой водой в качестве замедлителя. От планов постройки производственной установки, применяющей тяжелую воду, пришлось отказаться.
8.78. Секция охраны здоровья действовала по трем главным направлениям: (1) медицинский осмотр персонала, (2) советы, касающиеся опасности облучения, и постоянный контроль в рабочих условиях и (3) исследования влияния излучений. Тщательное планирование и исчерпывающая исследовательская работа этой секции привели к выдающимся достижениям в области охраны здоровья в Хэнфорде и в других местах.
Один из цехов Хэнфордского механического завода вблизи Паско (штат Вашингтон)
Одна из производственных установок Клинтонского механического завода в Ок-Ридже (штат Теннеси)
Здание Манхэттенского округа в Ок-Ридже (шт. Тенесси)
Хэнфорд, вблизи Паско (шт.Вашингтон), который был населён тысячами строивших установки Хэнфордского механического завода. Теперь он пуст.
Перспективный план Хэнфордского механического завода вблизи Паско (штат Вашингтон)
К Главе IX