Глава XI. Электромагнитное разделение изотопов урана

 

ВВЕДЕНИЕ

 

11.1. В главе IV мы говорили, что возможность разделения изотопов урана в больших масштабах электромагнитным методом была предсказана в конце 1941 г. Э. А. Лоуренсом (Калифорнийский университет) и Г. Д. Смитом (Принстонский университет). В главе IX мы описали основы одного из вариантов электромагнитного метода разделения и указали на три его недостатка: трудность получения ионов, ограниченное относительное количество действительно используемых ионов и влияние объемного заряда.

11.2. К концу декабря 1941 г., когда была осуществлена реорганизация всего проекта по урану, Лоуренс уже получил некоторые количества разделенных изотопов урана и при реорганизации ему было официально поручено руководить приготовлением дальнейших образцов и проведением различных вспомогательных физических измерений. Однако, как только Металлургическая лаборатория в своей работе перешла от физики цепных реакций к производству плутония в большом масштабе, отдел Лоуренса сразу приступил к разработке промышленного разделения изотопов урана электромагнитным методом. Это изменение тематики было обусловлено успехом первоначальных экспериментов в Калифорнии и развитием идей о других возможных методах в Калифорнии и Принстоне. Из многих предложенных электромагнитных схем три вскоре, были признаны наиболее обещающими: «калютронная» разделительная установка, установка магнетронного типа, в дальнейшем развитая в «ионную центрифугу», и «изотронный» метод собирания ионов в группы. Первые две схемы были исследованы в Калифорнийском университете, третья — в Принстонском. В течение первых нескольких месяцев наибольшие усилия были направлены на разработку калютрона; однако, некоторая работа по ионной центрифуге продолжалась еще в Калифорнии в течение лета 1942 г. и в малых масштабах Дж. Слепяном — в лаборатории Вестингауза в Питтсбурге в течение зимы 1944–1945 г. Работа с изотроном велась в Принстоне до февраля 1943 г., когда большая часть группы была переброшена на другую работу. Основная часть этой главы посвящена калютрону, так как именно эта установка позволила осуществить промышленное производство U-235. Кроме того, дано краткое описание термодиффузионного завода, предназначенного для обеспечения обогащенным сырьем электромагнитных разделительных установок.

11.3. Требования секретности делают невозможным здесь, как и в других частях книги, рассмотреть многие из наиболее интересных технических подробностей. Важность проблемы, однако, значительно больше, чем она представляется по отведенному ей здесь месту.

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МАСС-СЕПАРАТОРЫ

 

 

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ РАБОТА

 

11.4. Масс-спектрограф А. О. Нира был первоначально предназначен для измерения относительных количеств изотопов, а не для разделения больших количеств. Используя пары бромистого урана, Нир приготовил несколько образцов с небольшими количествами разделенных изотопов урана. Однако, производительность его установки была очень низка, так как ионный ток был меньше одного микроампера. (Масс-спектрограф, в котором от источника к приемникам проходит 1 микроампер ионов урана[3], будет собирать около 1 микрограмма U-235 за 16 часов). Большая необходимость в получении обогащенного U-235 для ядерных исследований была впервые осознана Лоуренсом, и он решил выяснить, что можно сделать для этой цели с помощью 37-дюймового циклотронного магнита в Беркли. Эта работа в своей начальной стадии субсидировалась Исследовательской корпорацией Нью-Йорка.

11.5 Впоследствии субсидия была возмещена. Начиная с 1 января 1942 г., работа проводилась на средства ОСРД через Комитет S-1. Позднее, как и по другим частям проекта по урану, контракты были переданы «Манхэттенскому Округу».

11.6. В Беркли, после нескольких недель проектирования, 24 ноября 1941 г. 37-дюймовый циклотрон был демонтирован, а его магнит использован для создания магнитного поля в установке, названной впоследствии «калютроном» — название, представляющее сокращение от California University cyclotron. Ионы создавались с помощью электронного пучка, проходящего в парах соли урана. Этот ионный источник был расположен так, как это показано на рис. 5 в главе IX, стр. 175. Затем ионы ускорялись к щели S₂, через которую они проходили в область разделения, где магнитное поле изгибало их траектории в полуокружности, оканчивающиеся на щели коллектора. К 1 декабря 1941 г. был получен пучок молекулярных ионов остатков газа в камере, а вскоре после этого и достаточно интенсивный пучок однократно заряженных ионов урана U+. Было установлено, что значительная часть ионов, покидающих источник, является ионами U+. Для проверки разделения был установлен коллектор с двумя карманами, расположенными друг от друга на расстоянии, соответствующем массовым числам 235 и 238. В декабре были проведены два цикла накопления с использованием пучка низкой интенсивности. Малый коэффициент разделения, полученный из анализа результатов этих первых экспериментов, оказался все же значительно выше, чем в методе газовой диффузии. В середине января 1942 г. был проведен цикл накопления разделенных изотопов с пучком значительной интенсивности и с переработкой заметного количества вещества, и был достигнут значительно лучший коэффициент разделения.

К началу февраля 1942 г. были получены пучки много большей интенсивности, и Лоуренс сообщил, что с этими пучками могут быть получены хорошие коэффициенты разделения. К началу марта 1942 г. ионный ток был еще увеличен. Полученные результаты подтверждали предположение Лоуренса о том, что объемный заряд можно нейтрализовать ионизацией остаточного газа в камере.

 

НАЧАЛО БОЛЬШОЙ ПРОГРАММЫ

 

11.6. К этому времени стало ясно, что с помощью калютрона можно осуществить разделение в значительно большем масштабе, чем это когда-либо было достигнуто ранее электромагнитным методом. Очевидно, было желательно исследовать всю область электромагнитного разделения. Исходя из этого, Лоуренс мобилизовал свою группу в лаборатории излучения Калифорнийского университета в Беркли и привлек ряд исследователей из других лабораторий. Среди тех, кто с самого начала принимал участие в разработках, проводившихся в Беркли, были: Д. Кукси, П. К. Эберсолд, В. М. Бробек, Ф. А. Дженкинс, К. Р. Макензи, В. Б. Рейнольдс, Д. Г. Слоун, Ф. Оппенгеймер, Дж. Дж. Бэкус, Б. Петерс, А. К. Гельмгольц, Т. Финкельштейн и В. Е. Паркинс-младший. Лоуренс пригласил также некоторых своих прежних студентов, а именно: Р. Л. Торнтона, Дж. Р. Ричардсона и др. Среди лиц, временно работавших в Беркли, были: Л. П. Смит из Корнельского университета, Э. У. Кондон и Дж. Дж. Слепян от фирмы Вестингауз и И. Лэнгмюр и К. Г. Кингдон от Дженерал Электрик. В течение этого раннего периода И. Р. Оппенгеймер также работал в Беркли и внес ряд ценных идей. В конце 1943 г. группа Лоуренса была еще более усилена прибытием английских физиков во главе с М. Л. Олифантом (Бирмингамский университет).

11.7. Вначале было рассмотрено большое количество различных методов и проведено много очень важных экспериментальных исследований. Основные усилия, однако, вскоре были направлены на улучшение калютрона для получения большого коэффициента разделения и большого тока в пучке положительных ионов.

 

НЕОТЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ

 

11.8. Из трех очевидных ограничений, описанных в первом параграфе, трудности получения ионов, ограниченного относительного количества действительно используемых ионов и влияния объемного заряда — только последнее удалось устранить сразу. Оказалось, что объемный заряд в области пучка положительных ионов может быть нейтрализован в весьма значительной степени. Таким образом, неотложными задачами остались источник ионов большой производительности и более полное использование ионов.

11.9. Факторов, управляющих эффективностью источника ионов, много. Сюда входят как устройство самого источника, так и способы, с помощью которых из него извлекают ионы. Проблемы, подлежащие разрешению, не могут быть формулированы просто и должны быть решены в значительной степени эмпирическими методами. Если бы даже соображения секретности и позволяли произвести описание бесчисленных форм источников ионов и ускоряющих систем, которые были испытаны, подобное описание было бы слишком узко специальным, чтобы приводить его здесь.

11.10. Обращаясь к проблеме более полного использования ионов, мы должны детально рассмотреть принципы работы калютрона. Калютрон основан на том, что однократно заряженные ионы, движущиеся в однородном магнитном поле, перпендикулярном к направлению их движения, описывают круговые траектории с радиусами, пропорциональными их количествам движения.

 

Рис. 6.

Рассмотрим теперь поведение ионов одного определенного изотопа. Ионы, которые прошли через две щели и попали в эвакуированную область, где на них действует магнитное поле, не следуют все по одному единственному направлению, но имеют различные начальные направления, лежащие внутри малого угла (рис. 6). Величина этого угла зависит от ширины щелей. Траектории всех ионов рассматриваемого изотопа представляют собою окружности одного и того же диаметра. Поэтому ионы, начавшие двигаться по слегка различным направлениям, после прохождения полуокружности почти в точности снова собираются вместе. Именно у этого положения вторичного схождения ионов расположен коллектор. Ионы другого изотопа (например, ионы с атомным весом 238 вместо 235) ведут себя подобным же образом, за исключением того, что следуют по окружностям несколько отличного диаметра. Оба изотопа улавливаются коллекторами, находящимися в соответственных местах схождения ионов. Использование большего относительного количества ионов, образующихся в источнике, можно осуществить простым увеличением щелей. Но значительно расширять щели без потери остроты фокуса у места схождения не легко. В действительности, использование ионов может быть улучшено только применением тщательно подобранного местного изменения силы магнитного поля. К счастью, такие изменения осуществляются успешно.

11.11. Другой проблемой, не такой неотложной, но тем не менее важной для любой производственной установки, является возможно более эффективное использование магнитного поля. Так как большие электромагниты дороги как в постройке, так и в эксплоатации, было естественно рассмотреть использование одного и того же магнитного поля для нескольких пучков ионов. Практическая реализация такой экономичной схемы стала главной задачей лаборатории.

 

ГИГАНТСКИЙ МАГНИТ

 

11.12. Хотя масштаб разделения, достигнутый к марту 1942 г., во много раз превышал все, что удавалось получать раньше с помощью электромагнитных масс-сепараторов, он был еще очень далек от того, что требуется для производства вещества в количестве, имеющем военное значение. Однако, задачу нужно было решить именно в большом масштабе. С помощью 37-дюймового циклотронного магнита можно было получать полезные сведения, но, вместе с тем, было желательно использовать оборудование большего масштаба. К счастью, в Беркли изготовлялся очень большой магнит, предназначенный для гигантского циклотрона. Этот магнит с диаметром полюсов в 184 дюйма и расстоянием между полюсами в 72 дюйма был наибольшим из существующих. Работа над ним была прервана войной, но она была уже достаточно продвинута, так что могла бы быть окончена в течение немногих месяцев при наличии соответствующей субсидии. Не только сам магнит, но все вспомогательные здания, лаборатории, цехи и т. д. идеально подходили для постройки калютрона. Разумеется, работа над гигантским магнитом была продолжена, и он был готов к концу мая 1942 г. (Постройка гигантского циклотрона была предпринята на частные средства, отпущенные Рокфеллеровским фондом. Для быстрого осуществления постройки требовалась сверхурочная работа с дополнительными расходами. Чтобы покрыть эти затраты, Рокфеллеровский фонд сделал дополнительные ассигнования.).

 

ПОЛОЖЕНИЕ К СЕНТЯБРЮ 1943 г

 

11.13. Первые эксперименты, в которых был использован 37-дюймовый магнит, были описаны в предыдущем параграфе. Дальнейшее развитие продолжалось в основном по двум направлениям: постройка и монтаж технической разделительной установки с 37-дюймовым магнитом и проектирование и постройка экспериментальных разделительных установок с большим магнитом.

11.14. Кроме постепенного увеличения силы ионного тока и коэффициента разделения, что являлось результатом ряда усовершенствований источника ионов и ускоряющей системы, летом 1942 г. в опытах с гигантским магнитом было достигнуто многообещающее улучшение в использовании ионов. Оказалось возможным осуществлять более чем один ионный пучок в одной и той же разделяющей магнитной области. Однако, эксперименты, связанные с этой последней проблемой, встретили ряд трудностей. Оказалось, что существуют ограничения как в количестве источников и приемников, которые можно поместить в одной и той же установке, так и в силе тока, который может быть использован в каждом пучке без ухудшения разделения.

11.15. Очевидно, что для получения такого количества продукции, которое имеет военное значение, требуется много разделительных установок. Поэтому были изучены различные системы объединения групп установок в экономические аггрегаты. Была разработана схема, которая была использована в дальнейшем на действующих заводах и оказалась удовлетворительной.