Генри Смит - Атомная энергия для военных целей
7.10. Основная цель клинтонской полузаводской установки заключалась в развитии методов извлечения плутония. Полузаводская установка должна была включать в себя, конечно, и аггрегат для производства плутония. По сложившимся обстоятельствам и по срокам клинтонская установка не могла быть построена, как первый вариант хэнфордской установки, и последнюю, поэтому, нужно было проектировать, строить и пускать в ход без использования опыта Клинтона. Хэнфордские разделительные установки пришлось конструировать и монтировать до получения результатов работы Клинтона. Однако, клинтонская полузаводская установка оказалась чрезвычайно полезной при решении большого числа совершенно новых задач, возникших при разработке хэнфордского проекта. Клинтонская установка производила, кроме того, небольшие количества плутония, что, вместе с данными Металлургической лаборатории о свойствах плутония, дало возможность ускорить на месяцы исследования этого вещества.
ВЫБОР МЕСТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УСТАНОВКИ7.11. Как только была определена производительность установки и распределены обязанности, нужно было решить вопрос о характере установки и месте ее расположения. Как было рекомендовано в докладе президенту (см. главу V), участок в долине Тенесси, официально называемый «Клинтонским механическим заводом» (Clinton Engeneer Works), был приобретен Армией.
7.12. Вторичное рассмотрение вопроса о выборе места для плутониевой установки в конце 1942 г. привело генерала Гроувза к заключению, что выбранный участок недостаточно изолирован для плутониевой установки промышленного масштаба. В это же время стало очевидным, что могут возникнуть условия, при которых большой котел будет распространять радиоактивные вещества по такой большой площади, что создастся опасность для соседних населенных пунктов. В дополнение к требованию изолированности, оставалось требование снабжения большим количеством энергии, которое собственно к определило первоначальный выбор места в Тенесси. Новое место было выбрано на реке Колумбии в центральной части штата Вашингтон, вблизи линии передачи Гранд-Кули. Оно известно под названием «Хэнфордского механического завода» (Hanford Engineer Works).
7.13. Так как река Колумбия дает чистую холодную воду. хэнфордский участок хорошо подходил как для первоначально проектировавшейся установки с гелиевым охлаждением, так и для осуществленной в действительности установки с водяным охлаждением. Большие расстояния, разделявшие основное предприятие фирмы Дюпон в Вилмингтоне (Делавар), экспериментальную установку в Клинтоне (Тенесси), Металлургическую лабораторию в Чикаго и выбранное место в Хэнфорде, вызывали исключительные неудобства, но этих неудобств невозможно было избегнуть. Трудности были также и в доставке рабочих к намеченному месту строительства и в обеспечении необходимых жизненных условий для них.
ВЫБОР ТИПА УСТАНОВКИ7.14. Мы находились еще в слишком ранней стадии работы, чтобы притти к тщательно обоснованному решению о наилучшем типе установки для производства плутония. Однако, выбор нужно было сделать, чтобы как можно скорее приступить к проектированию и постройке.
7.15. Первым вариантом, выбранным в ноябре 1942 г. Металлургической лабораторией, была установка с гелиевым охлаждением. Под руководством Т. Мура и М. К. Ливеретта был разработан предварительный проект такой установки. Связанные с проектом исследования послужили основой для выбора места, вспомогательного оборудования и т. д. Хотя предполагалось, что эти исследования для установки с гелиевым охлаждением можно будет провести быстрее, чем для установки с водяным охлаждением, было все же обнаружено много трудностей. Одновременно, теоретической группе под руководством Вигнера, в сотрудничестве с инженерным персоналом, было предложено подготовить доклад о мощной установке с водяным охлаждением. Эта группа разрабатывала вариант с водяным охлаждением почти с начала Проекта и уже 9 января 1943 г. была в состоянии представить доклад о результатах исследований. Доклад содержал много ценных мыслей, которые были использованы при проектировании промышленной установки в Хэнфорде.
7.16. Когда на сцену выступила фирма Дюпон, она сначала приняла предложение о сооружении установки с гелиевым охлаждением; после дальнейшего изучения вопроса фирма решила отдать преимущество водяному охлаждению. Причин изменения решения было много. Среди них отметим: опасность утечки находящегося под высоким давлением охлаждающего газа, содержащего радиоактивные примеси, трудности быстрого приобретения больших газодувок, необходимость больших количеств гелия, трудность загрузки и разгрузки урана и сравнительно низкую отдачу мощности на килограмм металлического урана. Эти обстоятельства нужно было сопоставить с специфическими недостатками установок с водяным охлаждением — с большой сложностью конструкции самого котла и опасностью коррозии.
7.17. Подобно многим другим решениям в этой работе, выбор между различными типами установок должен был основываться на недостаточных научных данных. При всем этом, однако, можно считать, что выбор водяного охлаждения был мудр.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ
7.18. В главе II мы пытались дать общую характеристику проекта по урану, как он представлялся летом 1940 г. Теперь мы хотим дать точное определение задачи проектирования промышленной установки для производства плутония. Принятием решения об объеме производства, типе установки и месте ее расположения проект в общем был определен. Задача состояла в конструировании охлаждаемого водой котла с графитовым замедлителем (или нескольких таких котлов) в сочетании с химической разделительной установкой для производства установленного, относительно большого количества плутония, причем установка должна была быть построена в Хэнфорде на реке Колумбии. Незачем говорить, что скорость строительства и эффективность эксплоатации были при этом главными соображениями.
ТИП РЕШЕТКИ7.19. Решетки, описанные нами ранее, состояли из блоков урана, расположенных в графитовом замедлителе. При применении этих решеток в производственных установках, возникают следующие затруднения: во-первых, трудно удалять уран без разборки котла, во-вторых, трудно осуществлять охлаждение блоков урана, которые являются центрами выделения тепла. Оба эти затруднения можно устранить, применив вместо точечной решетки стержневую, и концентрировать, следовательно, уран вдоль линий, проходящих через замедлитель, а не распределять его в отдельных точках. Совершенно ясно, что стержневое расположение удовлетворительно с механической и инженерной точек зрения, но можно было сомневаться в том, что и для стержневой решетки коэффициент размножения будет все еще больше единицы. Эта проблема встала перед физиками-теоретиками и экспериментаторами. Физики-теоретики должны были определить путем расчета оптимальный диаметр урановых стержней и расстояния между ними, а экспериментаторы — провести экспоненциальные эксперименты с решетками такого типа для проверки выводов теоретической группы.
РАЗГРУЗКА И ЗАГРУЗКА7.20. Как только была принята решетка с цилиндрической симметрией, стало очевидно, что можно, не разбирая котла, разгружать и загружать уран, вынимая его из цилиндрических каналов в графитовом замедлителе и вкладывая туда последующие партии металла. Выбор нужно было сделать между длинными урановыми стержнями, представляющими преимущества с точки зрения физики ядра и относительно короткими цилиндрическими столбиками, удобными в обращении. В обоих случаях материал обладал столь высокой радиоактивностью, что как разгрузка, так и все операции с выгруженным ураном должны были производиться при помощи управления на расстоянии из-за защитного укрытия.
ВОЗМОЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КОРРОЗИЯ7.21. Если в качестве охладителя применяется вода, то она должна быть направлена в те области, где выделяется тепло, по особым каналам. Так как графитовые трубы непрактичны, то должны применяться трубы из других материалов. Ядерная физика ограничивает выбор материала для труб и других устройств котла. Трубы должны быть сделаны из такого материала, у которого поперечное сечение поглощения нейтронов не настолько велико, чтобы сделать k меньшим единицы. Материал труб не должен, кроме того, разрушаться под действием большой плотности нейтронного и γ-излучений, имеющих место в котле. Наконец, труба должны удовлетворять всем обычным требованиям, предъявляемым к трубам охладительных систем: они должны не давать утечек, не корродировать и не коробиться.
7.22. С точки зрения ядерной физики для этой цели можно применять семь элементов (Pb, Bi, Be, Al, Мg, Zn, Sn), ни один из которых не обладает большим поперечным сечением поглощения нейтронов. Бериллиевые трубки получить невозможно, а из всех других металлов только алюминий можно считать пригодным с точки зрения коррозии. Однако, не было никакой уверенности, что алюминиевые трубы будут удовлетворительны, и сомнения относительно их коррозии оставались до тех пор, пока котел не был испытан в работе.
