Метод центрифугирования и метод газовой диффузии

 

4.32. Хотя мы выяснили, что отделение U-235 от U-238 было основным для успеха всего Проекта, мало было сказано о работах в этой области. Эти работы велись с лета 1940 г. под общим руководством Г.К. Юри в Колумбии. Так как реорганизация, происшедшая в декабре 1941 года, мало коснулась этой части работ по урану, то детальное описание работ отнесено к главам IX и Х. Здесь дается лишь краткий обзор.

4.33. После тщательного рассмотрения и значительного числа опытов, проведенных разными методами, было установлено, что самыми многообещающими методами выделения больших количеств U-235 из U-238 были методы центрифугирования и диффузии через пористые перегородки. В центрифуге на оба изотопа действуют несколько различные силы, благодаря разнице в их массах. По этой же причине скорости диффузии обоих изотопов сквозь пористые перегородки также различны. Оба метода требовали, чтобы уран находился в газообразном состоянии, что являлось серьезным ограничением, так как единственным подходящим газообразным соединением урана, известным в то время, был шестифтористый уран. В каждом методе величина ожидаемого обогащения была для одной «ступени» очень мала; это требовало большого числа ступеней для получения высокой степени обогащения.

4.34. К концу 1941 г. применимость каждого из указанных методов была доказана на опыте; обогащение U-235 в лабораторных масштабах было осуществлено в одноступенчатых установках примерно до такой степени, как предсказывает теория. К. Коген (Колумбийский университет) и др. разработали теорию одной ступени и серии, или «каскада», ступеней. Таким образом удалось оценить, что для диффузионной системы потребовалось бы около 5000 ступеней; общая площадь перегородок для разделительного завода, выделяющего 1 кг U-235 в сутки, составляла бы много акров. Соответствующие этим расчетам издержки исчислялись десятками миллионов долларов. Для центрифугирования число ступеней было бы меньше, но было оценено, что для той же производительности потребовалось бы 22 000 сверхбыстроходных центрифуг с индивидуальными приводами, при длине каждой центрифуги около трех футов.

4.35. Разумеется, издержки производства не могли быть точно рассчитаны, так как технологические проблемы почти не были решены, но эти сметы, касающиеся стоимости установки и ее размеров, нужны были для того, чтобы подчеркнуть масштабы всего предприятия.

 

ТЕРМОДИФФУЗИЯ В ЖИДКОСТЯХ

 

4.36. В сентябре 1940 г. П.Г. Абельсон представил на рассмотрение Бригсу записку на 17 страницах, в которой предлагалось разделение изотопов урана посредством термодиффузии в жидком шестифтористом уране. Проблемами урана интересовался также и Р. Гэн из Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота; он был назначен членом Комитета по урану, когда последний летом 1940 г. был реорганизован и передан НДРК (Исследовательский Комитет Национальной Обороны). В результате предложения Абельсона и заинтересованности Гэна, в Национальном Бюро Стандартов была начата работа по исследованию термодиффузии. Эта работа финансировалась Военно-морским министерством и в 1940 г. была передана Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота, где ее продолжали под руководством Абельсона.

4.37. Мы рассмотрим работы, по термодиффузии в одной из дальнейших глав; здесь же упомянем лишь о том, что к концу 1941 года были уже получены существенные результаты и что в январе 1942 г. на одной разделительной колонне был получен коэффициент разделения, оказавшийся сравнимым (или выше) с коэффициентом разделения, полученным к тому времени в предварительных испытаниях метода диффузии и метода центрифугирования.

 

ПРОИЗВОДСТВО ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ

 

4.38. В главе II было указано, что можно было ожидать, что дейтерий окажется хорошим замедлителем, благодаря своему свойству слабо поглощать и сильно замедлять нейтроны; но из-за недостатка дейтерия применение его было затруднено. Экспериментальные результаты, полученные в Беркли и показывавшие, что поперечное сечение поглощения нейтронов дейтерием фактически почти равно нулю, повысили интерес к дейтерию. Так как кислород обладает очень низким коэффициентом поглощения нейтронов, то считали, что дейтерий следует применять в комбинации с кислородом, т. е. в очень подходящем для этого веществе — тяжелой воде. Работы в Колумбии над возможными методами промышленного производства тяжелой воды были начаты в феврале 1941 г. под руководством Г.К. Юри (по контракту с НДРК). В начале 1941 г. Р.Г. Фаулер из Англии сообщил, что англичане интересуются дейтерием (тяжелой водой), как замедлителем, и, по их убеждению, цепная реакция может происходить в сравнительно малых установках с ураном и тяжелой водой.

4.39. Юри и А. фон Гроссе уже изучали вопрос о выделении тяжелой воды методом каталитической реакции обмена между газообразным водородом и жидкой водой. Этот процесс основан на том, что когда между газообразным водородом и водою устанавливается изотопное равновесие, концентрация дейтерия в воде в три-четыре раза больше, чем в газообразном водороде. В течение 1941 года реакция обмена между водой и водородом исследовалась в Колумбии и в химической лаборатории Фрика в Принстоне, и велись большие работы по созданию методов промышленного производства веществ, которые смогли бы играть роль катализаторов в этой реакции.

4.40. Дальнейшее развитие упомянутых работ и других методов производства тяжелой воды рассмотрено в главе IX. Подобно другим работам по разделению изотопов, проводившимся в Колумбии, реорганизация, имевшая место в декабре 1941 г., мало затронула эти работы. Они упомянуты здесь лишь для того, чтобы показать, что в 1941 г. исследовались уже все главные пути, ведущие к решению проблемы.