<- | Страница 208 | ->
(9) количество установок на полюсной зазор; (10) количество установок в здании.
11.23. Разработка большей части проектов для первого завода в связи с результатами использования гигантского магнита в Беркли осенью 1942 г. должна была быть прекращена.
Однако, для проектируемого завода требовались установки несколько отличного типа. Хотя не было никаких оснований предполагать, что эти изменения повлияют на работу конструкции, было, очевидно, желательно построить модель установки в Беркли. Постройка ее была одобрена, примерно, в то же самое время, когда были заказаны первые установки для завода, так что опыт с ней зде оказал влияния на основное проектирование. Эта установка была закончена и пущена в ход к апрелю 1943 г., т.е. за шесть месяцев до первой заводской установки, и принесла громадную пользу для целей испытаний и в деле обучения персонала. Позднее в здании для большого магнита в Беркли был установлен третий магнит. Всего в Беркли было сосредоточено шесть разделительных установок, с помощью которых велось опытное производство и выполнялись исследования. Помимо завершения этих установок была также проделана большая вспомогательная работа.
11.24. Как мы уже говорили, Г.Д. Смит стал изучать электромагнитные методы разделения в конце лета и осенью 1941 г. Его внимание в основном было направлено на метод использования широкого ионного источника и широкого ионного пучка вместо применяемых в калютроне узких пучков, ограниченных системой щелей. Метод, дающий разделение и использующий широкий источник ионов, был предложен Р.Р. Вильсоном (Принстон). Устройство, осуществленное по идее Вильсона, названо "изотроном".
11.25. Изотрон представляет собой масс-сепаратор, использующий широкий источник ионов, в отличие от щелевых источников, применяемых в обычных масс-спектрографах. Ионы от источника, имеющего большую поверхность, сперва ускоряются постоянным электрическим полем высокой интенсивности, а затем подвергаются действию слабого электрического поля высокой частоты, изменяющегося
<- | Страница 209 | ->
во времени пилообразно. Действие постоянного электрического поля заключается в том, чтобы направлять по трубе интенсивный пучок ионов, обладающих,одинаковой кинетической энергией. Скорости ионов будут при этом обратно пропорциональны квадратным корням из их масс. С другой стороны, переменное электрическое поле создает малые периодические изменения в скорости ионов. Это изменение скоростей приводит к тому, что, пройдя в трубе определеннле расстояние, ионы "сбиваются в группу" (тот же самый принцип использован в генераторе высокой частоты, носящем название клистрон, где электроны "сбиваются в группу" или "модулируются по скорости"). Группы ионов с различными массами движутся с различными скоростями и, поэтому, разделяются. В точке, где это происходит (в действительности на площади, перпендикулярной пучку), специальное анализирующее устройство создает поперечное фокусирующее электрическое поле с радиочастотной компонентой, синхронизированной с приходом групп ионов. Синхронизация такова, что переменная компонента напряженности поперечного поля равна нулю, когда проходит группа ионов
11.26. Эта схема была изложена 18 декабря 1941 г. на заседании Комитета по урану и немедленно после этого была обсуждена более полно с Лоуренсом, который посетил Принстон. Казалось, что метод может дать удовлетворительные результаты, и имеет смысл начать его экспериментальную разработку. Она была немедленно начата по контракту с ОСРД я продолжалась до февраля 1943 г. Так как идея была совершенно новая, возникли два основные вопроса: (1) возможна ли вообще работа на этом принципе и (2) может ли этот метод быть развит достаточно быстро для производства в промышленном масштабе, чтобы конкурировать с более "ортодоксальными" методами, уже разрабатывавшимися в то время.
11.27. Экспериментальный изотрон был построен и пущен в ход к концу января 1942 г. Предварительные эксперименты, проведенные в то время, показали, что изотопы лития могут быть разделены этим методом. Первое успешное частичное разделение изотопов урана было осуществлено весной 1942 г.
<- | Страница 210 | ->
11.28. К сожалению, в течение лета и конца 1942 г. работа развивалась не так быстро, как это предполагалось вначале. Поэтому было решено приостановить эти работы в Принстоне и направить работников в лабораторию атомных бомб. Перед тем, как группа покинула Принстон, на небольшом экспериментальном изотроне она все же получила несколько образцов частично разделенного урана. Таким образом метод действовал, но возможности применения его в широком масштабе не были еще полностью исследованы.
11.29. В декабре 1941 г. при обсуждении всей проблемы разделения изотопов в Беркли было предложено использовать магнетрон в качестве масс-сепараторя. Тем временем Смит из Принстонского университета связался с Л.П. Смитом из Корнельского университета и обнаружил, что последний и его студенты провели с успехом значительную работу по разделению изотопов лития точно таким же методом. Об этом было сообщено Лоуренсу в Вашингтоне в декабре 1941 г. на заседании Комитета по урану. Лоуренс немедленно связался со Смитом. После этого (с февраля по июль 1941 г.) Смит работал над данным методом в Беркли. Дж. Слепян из исследовательской лаборатории Вестингауза в Ист-Питсбурге прибыл по приглашению Лоуренса в Беркли зимой 1941-42 гг. и стал работать над модификацией магнетрона, которую он назвал ионной центрифугой. Слепян оставался в Беркли большую часть времени до конца 1942 г., после чего вернулся в Ист-Питсбург. где продолжал ту же работу.
11.30. Попыток разделения урана с помощью магнетрона в действительности предпринято не было. Эксперименты с литием при малой силе ионного тока дали некоторое разделение, но с сильными ионными токами никаких определенных результатов получено не было. При применении ионной центрифуги были собраны образцы урана, показывающие заметное разделение, но результаты были неясны или противоречивы.
11.31. С исключением из программы изотрона и ионной центрифуги калютронный разделитель остался единственным вариантом
<- | Страница 211 | ->
электромагнитного метода, который интенсивно разрабатывался. Постройка первых установок завода была утверждена, и была выбрана их окончательная конструкция. Так как все работы по электромагнитному методу велись немного больше года, было очевидно, что имевшиеся проекты основывались скорее на проницательных догадках, чем на систематических исследованиях. Подобная ситуация могла бы возникнуть с котлом для цепных реакций, если бы можно было получить неограниченные количества урана и графита прежде, чем была разработана теория и достаточно хорошо определены ядерные постоянные. К счастью, характер обоих проектов был весьма различен, что делало ускоренную постройку электромагнитного завода менее рискованной, чем это было бы в случае котла. Дальнейшие исследования и разработка могли успешно продолжаться даже если бы первые установки завода были построены и уже работали.
11.32. В предыдущих главах говорилось, что в конце 1942 г. были приняты решения, охватывающие весь проект по урану. Действительно, именно в это время впервые была получена саморазвивающаяся цепная реакция, и были утверждены проекты строительства плутониевого завода в Хэнфорде, диффузионного завода в Клинтоне и завода по электромагнитному разделению в Клинтоне. Диффузионный завод был более гибким, чем плутониевый, так как мог быть разбит на секции и ступени, мог быть построен целиком или частями и мог производить различные количества
Эта особенность сделала возможной постройку завода последовательными
<- | Страница 212 | ->
ступенями и позволила начать работу первой части до начала постройки второй. Можно было также изменять конструкцию последующих установок по мере развертывания строительства; в известных пределах можно было даже заменять устаревшие установки в ранних группах новыми, улучшенными экземплярами.
11.33. Первая серия электромагнитных установок в Клинтоне была начата постройкой в марте и была готова к работе в ноябре 1943 г. Группа в Беркли продолжала улучшать источники ионов, приемники и вспомогательное оборудование, все время имея целью дальнейшее увеличение ионного тока. В сообщениях из Беркли было описано не менее 71 источника различного типа и 115 различных типов приемников, причем все они были доведены до стадии проекта, а большая часть построена и испытана. Как только ценность того или иного видоизменения была доказана, прилагались все усилия, чтобы включить его в конструкцию новых установок.
11.34. Строительство такого типа требовало постоянного обмена информацией между работниками лабораторий, инженерно-техническим персоналом и строительной и эксплоатационной группами. К счастью, связь была превосходна. В Беркли постоянно находились представители фирм, а работники исследовательских групп в Беркли совершали частые и продолжительные поездки на завод в Клинтоне. Некоторые из исследовательских работников были включены в штаты фирмы Тенесси Истмен, эксплоатирующей завод в Клинтоне, а группа свыше 100 человек физиков и инженеров-исследователей, остававшаяся в штатах лаборатории Беркли, была прикомандирована к Клинтону. Сотрудники из Беркли, находившиеся в Клинтоне, были неоценимы в качестве инструкторов, особенно на ранних стадиях работы. Часть завода продолжала работать в качестве опытного предприятия для испытания усовершенствованного оборудования и для проверки видоизмененных производственных процессов, и эксплоатировалась совместно группой из Беркли и фирмой Тенесси Истмен. Кроме уже упомянутой английской группы под руководством Олифанта,
<- | Страница 213 | ->
была также английская группа химиков под руководством Дж.В. Бэкстера.
11.35. Соли урана, применявшиеся первоначально в качестве источника пара для дуговых ионных источников, не были исследованы в Беркли с достаточной полнотой. Однако, в дальнейшем над этими солями была проведена очень большая работа. Были произведены поиски новых соединений урана и выполнено несколько ценных работ по способам получения выбранных соединений.
11.36. Гораздо более важной химической проблемой было извлечение переработанных соединений урана из разделительных установок. Эта проблема извлечения имела две фазы. В установках первой ступени было существенно извлечь с максимальной эффективностью отделенный уран из приемников; извлечение рассеянного неразделенного урана из других частей установки было менее важно. Но в установках более высоких ступеней даже исходное вещество содержит
11.37. В течение почти года единственным действующим был завод электромагнитного разделения. Поэтому, потребность в увеличении его продукции была очень велика. Было установлено, что любой метод обогащения (хотя бы и небольшого) исходного материала значительно увеличит производительность завода. Если, например, электромагнитная установка может произвести в сутки один грамм
11.38. Мы уже касались работы, проделанной П.Г. Абельсоном (Морская исследовательская лаборатория), по разделению изотопов урана термодиффузией в жидких соединениях урана.
<- | Страница 214 | ->
Весной 1943 г. Абельсон собрал опытную производственную установку, которая производила заметное разделение значительного количества вещества. Поэтому было выдвинуто предложение о постройке термодиффузионного завода. Такой завод был бы дешевле, чем любой другой, и мог быть построен более быстро. Его принципиальным недостатком является чрезвычайно большое потребление пара. Этот основной недостаток приводил к тому, что для полного разделения изотопов термодиффузионный завод являлся бы непрактичным.
11.39. Кроме уже действовавшей опытной установки в Морской исследовательской лаборатории, строилась установка больших размеров на Морской верфи в Филадельфии. Сотрудничество флота сделало доступными для Манхэттенского Округа как работы Абельсона, так и проекты завода. Было решено построить термодиффузионный завод в Клинтоне (используя пар от теплосиловой станции, построенной для завода газовой диффузии) и использовать продукцию термодиффузионных установок в качестве сырья для электромагнитных разделений.
11.40. Этот новый термодиффузионный завод был построен в удивительно короткий срок, в течение конца лета 1944 г. Его работа, несмотря на некоторые недостатки, привела к значительному увеличению продукции электромагнитного завода. Это также стимулировало работу над проблемой извлечения урана. Будущее термодиффузионного завода неопределенно. Работа завода газовой диффузии создает перебои в подаче достаточного количества пара для термодиффузионного разделения. В то же время завод газовой диффузии сам является потребителем продукции термодиффузионного завода.
11.41. Хотя научные и технические задачи, с которыми столкнулись группы в Беркли, были, пожалуй, не так разнообразны и многочисленны, как задачи, встретившиеся в Чикаго и Колумбии, все же их было достаточно много. Много проблем возникло также при проектировании электросилового хозяйства, схем управления, магнитов, изоляторов, вакуумных насосов, камер, коллекторов и источников. Многие детали оборудования приходилось
<- | Страница 215 | ->
конструировать на основании схематических эскизов и пускать преждевременно в массовое производство.
11.42. Завод электромагнитного разделения развил производство в большом масштабе в течение зимы 1944-1945 г. и производил
11.43. В первые дни работы над проектом по урану электромагнитный метод разделения изотопов был отвергнут, главным образом, из-за предполагавшегося влияния объемного заряда. Осенью 1941 г. вопрос был поднят снова; эксперименты в Беркли показали, что вредное влияние объемного заряда можно в значительной степени уменьшить. В связи с этим была предпринята широкая разработка применения электромагнитного метода.
11.44. Из различных вариантов электромагнитного метода основное внимание заслужил калютрон (разработанный в Беркли). Кроме того, подверглись изучению две другие новые схемы, одна в Беркли, другая в Принстоне. Калютронный разделитель изотопов состоит из источника ионов, испускающего под действием электрического поля пучок ионов урана, ускоряющей системы, в которой ионы приобретают большие скорости, магнитного поля, в котором ионы движутся по полуокружностям с радиусами, зависящими от массы ионов, к приемной системы. Основными проблемами здесь явились: источник ионов, ускоряющая система, угол раскрытия ионного пучка, объемный заряд и использование магнитного поля. Основными преимуществами калютрона были: большой коэффициент разделения, малая загрузка, короткий пусковой период и гибкость в работе. К осени 1942 г. достигнутые результаты позволили утвердить проект постройки завода, и годом позднее первые заводские установки в Клинтоне были готовы для испытания.
11.45. Исследования и техническая разработка калютрона были выполнены, главным образом, в лаборатории излучения Калифорнийского
<- | Страница 216 | ->
университета под руководством Лоуренса. Фирмы Вестингауз, Дженерал Электрик и Аллис-Чалмерс изготовили большинство частей, фирма Стоун и Вебстер строила завод, а фирма Тенесси Истмен эксплоатировала его.
11.46. Так как завод для разделения с помощью калютрона состоит из большого количества в значительной степени независимых аггрегатов одного и того же типа, было возможно вводить важные улучшения даже после начала работы завода.
11.47. Летом 1944 г. при Механическом заводе в Клинтоне был построен термодиффузионный завод, который должен был вырабатывать обогащенное сырье для электромагнитных разделителей и, тем самым, повысить их производительность. Проектирование термодиффузионного завода основывалось на результатах исследований, проведенных в Морской исследовательской лаборатории, и на работе опытной установки, построенной Военно-морским министерством на верфи Филадельфии.
11.48. Хотя исследовательская работа с калютроном была начата позднее, чем с центрифугами и диффузионными установками, завод, использующий установки типа калютрона, первый стал производить в больших количествах разделенные изотопы урана.